В чем измеряется светочувствительность матрицы фотоаппарата
Обновлено: 04.07.2024
В вопросе уже есть ответ. Светочувствительность - чувствительность к свету. больше и меньше.
В цифровых фотоаппаратах - чувствительность матрицы к свету.
В пленочных фотоаппаратах - чувствительность пленки к свету.
Малая чувствительность 100 ISO (исо). Большее поднимается до 100 000 ISO.
В любительских камерах значения исо: 100, 200, 400, 800, 1600. Чаще намного стали для любительских камер делать и выше: 2400, 3200, 6400, 12800.
В профессиональных камерах, все чаще можно минимальное значение встретить не 100, а 80 и даже 50.
И также есть помежуточные значения, такие как 250, 300, 500 и т.д.
Ничего не поняли? Еще проще? ) Ну попробую:
Ночью просыпаетесь? Или утром, кода в комнате еще темно и на улице темно. Встаете ничего не видите. Или когда резко входите в темное помещение. Также ничего не видите. Но зайдя в темное помещение, проходит несколько секунд и начинаете различать детали интерьера и т.д. И порой уже спокойно орентируетесь в помещении в темноте. Просто ваш глаз стал чувствительнее. Благодаря этому, вы видите в темноте.
Другой пример, хоть и похожий:
Выходите с темной квартиры, особенно летом на улицу. А на улице очень яркий солнечный свет. И вы снова ничего не видите. Перед вами все белое. Но проходит также несколько секунд и становится легче. Снова начинаете понемногу различать цвета, архитектуру и т.д. Ваш глаз адаптировался под свет. Хоть в данном случае, хорошо бы этот пример обьяснил закрытие диафрагмы в обьективе. Но об этом тоже позднее.
Также и матрица в фотоаппарате. Чувствительность .ISO.
При минимальном значении 50 - 200 вы спокойно можете снимать в яркий солнечный день.
При максимальных значениях (в разных фотоаппаратах свои максимальные ISO) такие как 1600, 2400, 3200, 6400, 12800 и т.д. вплоть до 100 000, вы можете снимать ночью и в слабо освещенных помещениях.
Но вот проблема. И производители фотоаппаратов усердно стараются бороться с ней. При высоких ISO, от 1600 и выше, вылезает шум в кадре, что сильно портит качество картинки. И чем выше исо, тем шума больше. С этим производители и пытаются бороться. Они стараются, чтобы на очень высоких значениях исо, шум свести к минимуму, а в идеале - убрать его полностью.
В любительских камерах, дешевых камерах, шум лезет очень хорошо, а в профессиональных дорогих камерах, над ним борются.
Светочувствительность — один из трёх параметров экспозиции. Она характеризует чувствительность матрицы камеры или фотоплёнки к свету: чем выше показатель, тем меньше света нужно для получения правильно проэкспонированного снимка. При повышении или понижении этого параметра в ручном режиме (М) можно напрямую регулировать яркость изображения.
Светочувствительность выражается в условных единицах ISO, которые использовались ещё в плёночной фотографии.
Не путайте светочувствительность и светосилу! Светосила — характеристика объектива.
Плёнка ISO 100 была рассчитана на дневную съёмку, а ISO 400 позволяла эффективно снимать в помещении. Чем выше показатель ISO, тем выше чувствительность плёнки к свету. Сменить светочувствительность на плёночном фотоаппарате можно было одним способом: вынуть кассету и вставить другую. В цифровой фотографии всё проще: ISO регулируется нажатием одной кнопки. А ещё можно отдать этот параметр под управление автоматики.
Технически в цифровой фотографии изменение ISO реализовано совсем по-другому. Чувствительность самих пикселей-датчиков не меняется при повышении параметра. Картинка становится ярче из-за усиления электрических сигналов матрицы и за счёт алгоритмов преобразования аналогового сигнала в цифровой.
Минимальное и базовое ISO
Базовое и минимальное ISO — не всегда одно и то же. Базовое для конкретной модели матрицы ISO может быть довольно высоким (например, 800, 1600 единиц), а минимальное ISO получается из него ослаблением сигнала, более высокие значения — усилением. Однако фотографам информацию о базовом ISO производитель не сообщает, да и на практике она не очень нужна. Важнее разобраться с минимальной светочувствительностью.
Минимальное числовое значение светочувствительности на вашем фотоаппарате — это то ISO, при котором качество снимка будет наиболее высоким, а уровень цифрового шума низким. Его важно запомнить. В зависимости от модели камеры, минимальное ISO будет различаться: 64, 100, 200 единиц. В тех направлениях съёмки, где требуется длинная выдержка или она неважна, используют минимальное ISO. Его же для идеального качества картинки применяют в студийной съёмке, предметной, рекламной, пейзажной, интерьерной, архитектурной фотографии. Штатив будет кстати, ведь не всегда условия освещения идеальны, и выдержка может стать слишком длинной для съёмки с рук.
Что такое расширенное ISO
Если регулировать ISO в сторону уменьшения или увеличения, рано или поздно вы наткнётесь на так называемые расширенные значения ISO. На камере они отображаются как Lo (пониженные значения) или Hi (повышенные). Их фотоаппарат получает программно. К примеру, в случае повышенных значений Hi съёмка на самом деле ведётся на максимальном «числовом» ISO, а далее процессор делает картинку светлее. При этом цифровой шум на фото становится более заметным, ведь яркость снимка повышается.
Nikon Z 7: съёмка на пониженном ISO Lo-1.0. Это значение соответствует ISO 32.
В случае использования пониженных значений немного теряется информация в светлых участках, что может привести к появлению переэкспонированных зон на снимке или же к снижению запаса информации в светлых участках при обработке RAW.
Что такое цифровой шум
Цифровой шум — это помехи, возникающие при повышении светочувствительности. Они есть в той или иной мере всегда, но на минимальном ISO практически незаметны.
Уровень цифрового шума на разных камерах отличается.
Фрагмент приведённой выше сцены, снятый на базовом ISO.
Фрагмент приведённой выше сцены, снятый на максимальном ISO. Заметен цифровой шум: как отдельные «зёрна» (яркостный шум), так и искажения цвета (цветовой шум). Шум съел мелкие детали, фактуру на оправе часов. Но для столь высокого ISO такой уровень шума — отличный показатель.
Закономерность простая: чем крупнее и современнее матрица, тем меньше цифрового шума. Полнокадровые матрицы и сенсоры формата DX (APS-C) сегодня «шумят» так незначительно, что качественные снимки можно получать и на ISO 1600–3200, тогда как матрицы компактов, смартфонов и устройств, выпущенных в позапрошлом десятилетии, выдают уже практически нерабочую картинку. Это связано с тем, что на большой площади матрицы каждый светочувствительный пиксель можно сделать крупнее, и работать он будет лучше. Кстати, по той же причине матрицы с большим разрешением «шумят» несколько сильнее, чем аналогичные матрицы с меньшим числом мегапикселей. Nikon D780 как раз из таких: матрица этой камеры не имеет рекордного количества мегапикселей, зато она выполнена по технологии обратной засветки и позволяет на своей площади расположить крупные чувствительные пиксели. Поэтому фотоаппарат отлично работает даже на очень высоких ISO, в чём мы убедились во время тестирования.
В любую современную камеру встроены инструменты шумоподавления, и оно производится на всех этапах создания снимка. Мы можем управлять им во время внутрикамерной обработки и сохранения кадра. Процессор фотоаппарата размывает «зернистую» структуру цифрового шума, сглаживая картинку. Такое шумоподавление активируется в меню, оно работает только для JPEG.
Фрагмент снимка на базовом ISO
Фрагмент снимка на максимальном ISO без шумоподавления
Фрагмент снимка на максимальном ISO с шумоподавлением
Это может привести к потере мелких деталей, однако если вы снимаете в JPEG и хотите сразу получать качественные кадры, включите эту полезную функцию. При съёмке в RAW шумоподавление можно осуществить инструментами RAW-конвертера.
Nikon Z 7. Для этой камеры ISO 1600 является промежуточным значением. Здесь доступны значения вплоть до ISO 25600, а значит можно снимать при очень слабом освещении.
ISO 1600, кадр со смартфона (его максимальная светочувствительность). Алгоритмы шумоподавления размывают «зерно», из-за чего дополнительно снижается детализация, на снимке отсутствуют мелкие фактуры (обратите внимание на книги). Кроме того, из-за узкого динамического диапазона смартфон не справился с проработкой деталей в светлых участках: ракушка превратилась в белое пятно.
Зачем и как повышают ISO
Светочувствительность поднимают только для сокращения выдержки при съёмке.
При съёмке неподвижной сцены от выдержки мы не зависим. Со штативом всегда можно снимать на минимальном ISO.
Но что если нужно запечатлеть динамику при слабом вечернем освещении? Фотографируя на очень низком ISO, выдержку придётся ставить (вам или автоматике) слишком длинную — объект смажется. Поэтому для начала стоит выбрать подходящую для съёмки выдержку — достаточно короткую для динамики. С диафрагмой определиться проще: её настраивают исходя из того, насколько большая нужна глубина резкости, а при слабом освещении её можно открыть пошире в тех же целях, для которых поднимаем ISO — сократить выдержку.
Пришлось поднять ISO, чтобы можно было снимать на достаточно короткой выдержке, иначе птица смазалась бы из-за собственных движений и тряски камеры с телеобъективом в руках.
NIKON D850 / 70.0-300.0 mm f/4.5-5.6 УСТАНОВКИ: ISO 1100, F5.6, 1/200 с, 300.0 мм экв.Так что просто поднимем ISO до того значения, при котором мы будем получать яркий кадр на подходящей нам выдержке. Вот и всё. В остальных сюжетах это работает так же: отталкиваясь от необходимой выдержки, настраиваем подходящую светочувствительность.
Это же правило работает и при съёмке звёздного неба. Звёзды по небу движутся, и мы просто подбираем подходящую выдержку, на которой небо будет достаточно чётким. В нашем случае это 25 секунд. Далее под эту выдержку подбираем диафрагму и ISO.
NIKON D850 / 18.0-35.0 mm f/3.5-4.5 УСТАНОВКИ: ISO 3200, F3.5, 25 с, 18.0 мм экв.Впрок ISO не повышают, ведь чем оно выше, тем больше цифрового шума. Важно найти баланс между подходящей для нашего сюжета выдержкой и значением светочувствительности.
Итак, алгоритм работы с ISO очень простой. Сначала нужно определиться со значениями выдержки и диафрагмы, а после подобрать под них светочувствительность, чтобы кадр был достаточно ярким.
Съёмка велась со штатива, так что время выдержки определял единственный движущийся объект на снимке — воздушный шар. Сначала я установил выдержку и диафрагму для данного сюжета, а потом подобрал оптимальное ISO.
NIKON D850 / 70-300 mm f/4.5-5.6 УСТАНОВКИ: ISO 200, F6.3, 1/160 с, 165.0 мм экв.Примерные значения для разных условий
Не бывает оптимальных значений светочувствительности для тех или иных условий съёмки. Но чтобы облегчить работу новичкам, приведём небольшую шпаргалку.
Предположим, вы гуляете с фотокамерой без штатива, при этом не снимаете динамику. В руках камера с универсальным «китовым» объективом, и снимаете вы при значении диафрагмы в районе F5.6. Чтобы выдержка была подходящей для съёмки с рук, выбирайте такие значения:
- ISO 100–200 — солнечный день ;
- ISO 200–400 — пасмурный день;
- ISO 400–800 — вечер;
- ISO 800–1600 — съёмка в хорошо освещённом помещении, при свете от окна (за которым день);
- ISO 1600–3200 — ночной город, яркая городская иллюминация;
- ISO 3200-6400 — комнатное освещение.
Но лучше отталкиваться от ваших условий съёмки и смотреть, какая получается выдержка при выбранном ISO. Если выдержка длиннее 1/60, стоит поднять ISO, ведь длинные выдержки — это почти гарантированный смаз на фото.
На зеркальных и беззеркальных камерах Nikon для настройки ISO необходимо нажать соответствующую кнопку и, не отпуская её, покрутить заднее колёсико. На дисплее будет отображаться выбранное значение.
На камерах с двумя колёсиками регулировки параметров очень удобно включается и отключается функция Авто-ISO. Достаточно при нажатой кнопке ISO покрутить переднее колёсико. И не надо каждый раз заходить в меню!
Авто-ISO
ISO на практике — самый простой и «технический» параметр экспозиции. Судите сами: выдержка отвечает не только за яркость изображения, но и за передачу движения на снимке; диафрагма ответственна как за яркость, так и за глубину резкости, степень размытия фона. А вот ISO само по себе отвечает только за экспозицию снимка и… уровень цифрового шума, о котором на современных камерах можно сильно не переживать. Поэтому из всех трёх параметров экспозиции ISO — первый претендент на то, чтобы им управляла автоматика. Для этого во всех современных камерах Nikon есть функция Авто-ISO. Работает она адекватно и предсказуемо, главное — разобраться в нескольких простых пунктах настройки. О работе с Авто-ISO в различных ситуациях у нас есть отдельная статья. Здесь же остановимся на основных моментах.
Мы по-прежнему задаём светочувствительность вручную: на это значение автоматика будет ориентироваться при настройке ISO. Если вы зададите высокое значение в верхнем пункте, камера будет стремиться к нему. Если низкое — камера будет стараться снимать на низких значениях чувствительности.
Ниже мы можем задать максимальное ISO, доступное автоматике. Это нужно для того, чтобы автоматика не могла снимать на слишком высокой чувствительности, и мы не получали кадры, испорченные цифровым шумом. В современных продвинутых камерах появился аналогичный пункт и для работы со вспышками.
Максимальная выдержка задаётся для того, чтобы в режимах, где фотоаппарат одновременно управляет и выдержкой, и чувствительностью (A и P), он находил правильный баланс между ними и не ставил слишком длинную выдержку при низком ISO. Авто-ISO — полезнейший инструмент, отключать который стоит, пожалуй, только в двух случаях: при съёмке со штатива (там фотограф сам вдумчиво может настроить экспозицию) и при работе в студии с импульсным светом, где любая автоматика мешает съёмке.
Да, ISO — самый простой из трёх параметров экспозиции, но следует потренироваться в работе с ним. Ведь экспозиция — это как весы с тремя чашами. Для грамотной съёмки необходимо уравновесить все три параметра: выдержку, диафрагму и светочувствительность. На каких значениях ISO вы обычно снимаете? Расскажите в комментариях и поделитесь своими снимками!
Обилие параметров, которые фотограф контролирует во время съемки, для новичка выглядит весьма угрожающе. В действительности все не так страшно. Научиться настраивать камеру может каждый. Только не стоит браться за все сразу: осваивать техники проще поэтапно. В первую очередь познакомимся с тремя китами экспозиции — диафрагмой, выдержкой и светочувствительностью.
Понятие «экспозиция» характеризует количество света, попавшее на светочувствительный материал (матрицу или пленку) в течение определенного времени. Проще говоря, настройки экспозиции определяют общую яркость снимка. Слишком темное фото называют «недоэкспонированным», пересвеченное — «переэкспонированным».
Работа с экспозицией осуществляется путем изменения трех параметров: диафрагмы, выдержки и светочувствительности. У каждого из них есть нюансы. В рамках материала познакомимся с ними подробно.
Выдержка
Параметр определяет время, в течение которого свет попадает на матрицу. Чем шире диапазон выдержки, тем более гибкие условия доступны при работе. В современных моделях камер он варьируется от 1/16 000 секунды до 30 секунд.
Значение 1/5 говорит о том, что матрица будет открыта в течении одной пятой секунды. Если выставлено короткое значение, например, 1/8000 сек, то за это мизерное время на матрицу не успеет попасть много света.
Обычно работают с выдержками меньше 1 секунды. Поэтому для более рационального использования места на шкале значений современных камер часто не пишут «1/». И, напротив, когда выдержка начинает приближаться к одной секунде, появляется значок «”».
Технически выдержка выглядит так: мы позволяем свету дольше воздействовать на светочувствительный элемент. За время, пока открыт затвор, матрица зарегистрирует абсолютно весь свет, попавший на ее поверхность. Любые движения в кадре смажутся или будут сопровождаться шлейфами. В некоторых сюжетах это является ключевым приемом, но гораздо чаще вредит.
На длинных выдержках испортить фото может и тряска рук фотографа. Следует помнить правило: максимальное значение выдержки равно единице, разделенной на фокусное расстояние объектива.
Например, если съемка ведется на 90-миллиметровый объектив, то безопасный диапазон выдержек начинается с 1/90. Но это не убережет снимок от сильной тряски. При спуске затвора необходимо находиться в максимально неподвижном состоянии или использовать штатив.
Для компенсации тряски рук и предотвращения смазанных кадров производители внедряют стабилизаторы в камеры и объективы. С каждым поколением их эффективность увеличивается. Современные системы стабилизации способны компенсировать свыше 5 стопов экспозиции (вместо 1/90 выдержки из примера можно было бы использовать 1/3). Это действительно впечатляющий результат. В некоторых случаях сделать резкий снимок получается с выдержкой около секунды.
Диафрагма
Диафрагмой называется отверстие внутри объектива, через которое свет попадает на матрицу. Несмотря на то, что встречаются модели с фиксированным значением (например Samyang 300mm F6.3 ED UMC CS Reflex Mirror Lens), в абсолютном большинстве объективов параметр можно изменить.
Значения диафрагмы имеют вид f/1.8 или F1.8. Это число — результат деления фокусного расстояния объектива на диаметр установленного отверстия диафрагмы. Например, при использовании объектива 50 мм с диафрагмой F1.8, фактический диаметр отверстия составит 50 ÷ 1,8 = 27,8 мм. Именно поэтому максимально открытая диафрагма достигается при минимальном числовом значении.
Влияние настроек диафрагмы на снимок понятно: чем шире отверстие, через которое проходит свет, тем больше его пройдет за одинаковое время (выдержку). Из-за этого объективы с диафрагмой от 1.2 до 2 называют «светосильными».
Но это не единственное влияние диафрагмы на снимок. Регулируя значения параметра, можно изменять глубину резко изображаемого пространства (ГРИП) и интенсивность размытия.
Чем сильнее открыта диафрагма, тем меньше глубина резкости и сильнее размыт фон. Такой прием часто используется для получения художественных снимков. При этом диафрагма выставляется в максимально открытое положение.
Светочувствительность
Параметр пришел в цифровую эру из пленочной фотографии. Но суть его изменилась. Раньше под светочувствительностью понимали характеристику пленки. А сейчас это величина, которая отражает не столько чувствительность матрицы, сколько степень усиления ее электрических сигналов и их последующую цифровую обработку.
Светочувствительность измеряется в ISO. Это стандартизированная единица, введенная одноименной организацией. В цифровых фотоаппаратах выражается в единицах, эквивалентных светочувствительности пленки. Это позволило получить сопоставимость методов замера экспозиции.
В цифровых камерах значения светочувствительности находятся в пределах от 100 до 32000 ISO с возможностью расширения от 50 до 102 400 и более в некоторых моделях. Зависимость между светочувствительностью и экспозицией прямая: чем больше значение ISO, тем светлее полученный снимок.
Стоит помнить, что изменение светочувствительности происходит за счет комплексной работы многих систем. К ним относится матрица, предусилитель сигнала, алгоритмы работы центрального процессора. Работа с высокими значениями ISO происходит за счет допустимого увеличения напряжения в системе. Результатом становится появление шума, деградация цветов, и потеря контуров на изображении.
Чтобы снизить негативное влияние, центральный процессор применяет алгоритмы шумоподавления, цветовой корректировки и повышения детализации снимка. Зачастую это только усугубляет ситуацию. Но стоит отметить, что производительность ЦП цифровых камер ежегодно возрастает, одновременно с этим внедряются более сложные алгоритмы обработки сигнала.
Практический результат в этом направлении весьма ощутим. В начале 2010-х далеко не для всех камер оказывался рабочим рубеж в 3200 iso. В настоящее время некоторые модели позволяют получить приличный снимок на 12800 iso.
«Стоп» экспозиции
Настройка выдержки и диафрагмы — основные инструменты работы с экспозицией, на которые можно влиять путем изменения светочувствительности. Так как все показатели имеют разные единицы измерения, был введен универсальный способ для сравнения — изменение экспозиции на «стоп».
«Стоп» (ступень) экспозиции — изменение настроек камеры, при которых количество света, попадающего на матрицу, увеличивается или уменьшается в два раза.
Например:
- Изменение выдержки с 1/90 до 1/180
- Изменение диафрагмы с 2.4 до 2.8
- Изменение светочувствительности с 200 до 400 iso
Ступенями экспозиции удобно пользоваться при работе с камерой в ручном режиме, когда фотограф имеет полный контроль над настройками. Снимая спортивные соревнования, приходится часто переключаться между короткой и длинной выдержкой. Чтобы не ошибиться в настройках экспозиции, необходимо корректировать параметры так, чтобы экспозиция в целом оставалась неизменной.
Например, снимая выход спортсменов на площадку с выдержкой 1/200 сек и светочувствительностью 1400 iso, при начале игры следует укоротить выдержку на пару «стопов» (с 1/200 до 1/800) и усилить светочувствительность на те же два «стопа» (с 1400 до 3600), иначе фотография получится слишком темной.
Итак, экспозиция снимка настраивается комбинацией трех параметров: выдержка, диафрагма и светочувствительность. При работе необходимо постоянно держать в голове, как изменение настроек отразится на фотографии и какой запас по светочувствительности остался до того момента, как снимок окажется окончательно испорченным высоким уровнем шума.
Два месяца тому назад в статье, посвящённой сравнению LCD и E-Ink дисплеев, я упомянул, что одним из следующих обзоров будет «вскрытие» матрицы современного фотоаппарата. И спешу исполнить данное обещание!
Первым в «коллекцию» светочувствительных матриц попали фронтальная и задняя камеры смартфона одного известного корейского производителя, который был любезно предоставлен Василием Столяровым. Затем хабраюзер DarkWood, живущий недалеко от Москвы, прислал мне свой старенький неработающий фотоаппарат фирмы Pentax (здесь и далее я намеренно не буду указывать точную модель девайсов). Девайс был мёртв и это был хороший повод сдать его в мои заботливые руки, а не выкидывать, как многие делают.
И как только я собрался пилить, поступило ещё одно предложение от моего практически однокурсника, Ильи. От этого предложение я не мог отказаться. Мне презентовали относительно современный Canon, у которого были проблемы со съёмкой изображений.
Таким образом, на красно-революционно-первомайский стол ложатся три кандидата: OEM камера из телефона и фотоаппараты Pentax (самый пожилой среди всех участников) и Canon (пожалуй, самый молодой).
Если ещё кто-то не знает, зачем мы здесь собрались, то в подвале данной статьи есть ссылки на предыдущие «вскрытия». Если же кто-то запамятовал, как работает цифровой фотоаппарат или зачем нужна матрица, то милости просим на Wiki или просто посмотрите это видео от канала Discovery:
Часть теоретическая. CCD и CMOS
На сегодняшний день матрицы, выполненные по технологии CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) завоевали более 90% мирового рынка, а не так давно безумно популярным CCD (Charge-Coupled Device) уже пророчат скорый закат.
Причин тому масса, вот далеко не полный список преимуществ CMOS-технологии: во-первых, низкое энергопотребление в статическом состоянии по сравнению с CCD, во-вторых, CMOS сразу «выдаёт» цифровой сигнал, который не требует дополнительного преобразования (точнее преобразование происходит на каждом отдельном субпикселе), в отличие от CCD, которое является фактически аналоговым устройством, в-третьих, дешевизна производства, особенно при больших размерах матриц.
Кратко ознакомиться с принципами работы CMOS-матриц можно с помощью в двух видео от компании Canon:
Но все наши пациенты (может быть, за исключением матрицы камеры мобильного телефона) относятся к той эпохе, когда миром безраздельно правил CCD, а CMOS только набирался сил и светочувствительности, чтобы впоследствии занять лидирующие позиции. Поэтому несколько слов, всё же, скажу о том, как работает CCD-матрица. Более подробное описание всегда можно найти на страницах Wiki.
Итак, фотон от объекта съёмки, пройдя сквозь фильтр Байера, то есть цветофильтр типа RGBG, или фильтр RGBW и собирающую микролинзу, попадает на светочувствительный полупроводниковый материал. Поглощаясь, фотон порождает электро-дырочную пару, которая в ячейке под действием внешнего электрического поля «разделяется», и электрон «отправляется» в копилку – потенциальную яму, где он будет ожидать «чтения».
Схема устройства CCD матрицы (Источник)
Чтение же в CCD матрицы происходит «поячеечно», если так можно выразиться. Пусть мы имеем массив 5 на 5 пикселей. Сначала мы считываем количество электронов, а по-простому величину электрического тока, с первого пикселя. Затем специальный контроллер «сдвигает» все ячейки на одну, то есть заряд из второй ячейки перетекает в первую. Опять считывается значение и так, пока не будут прочитаны все 5 ячеек. Далее уже другой контроллер сдвигает оставшееся «изображение» на одну строчку вниз и процесс повторяется, пока не будут измерены токи во всех 25 ячейках. Может показаться, что это долгий процесс, однако для 5 миллионов пикселей он занимает считанные доли секунд.
Процесс считывания изображения с CCD матрицы (Источник)
Чтобы было совсем понятно, предлагаю ознакомиться со следующими видео:
Часть практическая
Обычно красивыми разборами занимаются люди в белоснежных перчатках, недавно они добрались и до фотоаппаратов, однако поговаривают, что за видео-инструкцию по сборке необходимо доплатить, отправив смс на короткий номер. Далее будут применяться чуть более чем полностью топорные методы, так что не советую повторять это в домашних условиях…
Как разбирался сотовый телефон всегда можно посмотреть на страницах предыдущей статьи, поэтому не буду здесь приводить эти душераздирающие кадры ещё раз.
Вышеупомянутый фотоаппарат Pentax был предоставлен мисьё DarkWood, у которого, как мне кажется, сейчас сердце должно обливаться кровью, а по щеке катиться скупая мужская слеза:
Разборка Pentax в фотографиях
Из всего многообразия деталей, нас пока интересует лишь LCD дисплей, который будет демонстрироваться школьникам, приходящим к нам, на ФНМ, на экскурсии, сама CCD матрица, стекло с чем-то подозрительно напоминающим поляризатор или фильтр и ИК-подсветка (красная лампочка) для ночной съёмки. Стоит отметить, что матрица жёстко закреплена на корпусе фотоаппарата. Следовательно, все вибрации Ваших рук будут без труда напрямую передаваться на саму матриц, что, согласитесь, никак не способствует качественной фотосъёмке. Видимо, DarkWood имеет железобетонные нервы.
Что между тем не помешало ему, «утопить» свой любимый фотоаппарат. Помните, когда летом Вы оправитесь в тёплые страны на море и будете пытаться сфотографировать очередную накатывающую волну, что фотоаппарат – устройство, в котором токи могут приводить к коррозии.
Следы коррозии прямо на шлейфе, ведущем к кнопке спуска затвора (к сожалению, не единственное такое место)
Сразу видно, что Canon – чуть более продвинутая, более современная модель, нежели Pentax. Например, матрица подпружинена (на левом нижнем изображении хорошо различимы маленькие пружинки). Такая пассивная система стабилизации изображения способствует получению более качественных и чётких снимков, если, конечно, Вы не неврастеник в запущенной стадии!
«Внутренности» Canon
Кстати, на фото справа внизу отчётливо виден громадный конденсатор, отвечающий за вспышку, из-за проблем с которым мне когда-то пришлось списать свою цифровую мыльницу Canon.
Камера мобильного телефона
Начнём наши изыскания с камеры мобильного телефона, которой будет посвящено не так много времени и слов в этой статье по причине того, что сама матрица имеет совершенно микроскопические размеры и с ней трудно работать (пилить, шлифовать).
Как не сложно заметить, на оптических микрофотографиях ниже матрица у края имеет две зоны: более светлую и более тёмную. Надеюсь, что все уже догадались: под светлой стороной нет диодов, она нанесена просто так, с запасом, чтобы максимально закрыть собой тонкую душевную организацию матрицы…
Накроем всё с запасом – нам не жалко
Микрофотографии, полученные с помощью оптического микроскопа, значительно отличаются, от тех, что выдаёт микроскоп электронный. Например, как на счёт «квадратуры сферы»?
Дело в том, что на оптике мы не видим каких-то прозрачных слоёв (да хотя б они и просто менее заметны), тогда как электронная микроскопия – прежде всего метод анализа поверхности, то есть вполне может быть так, что круглые цветные цветофильтры накрыты сверху квадратными «колпаками». При этом размеры такого кубосферического субпикселя составляют около 2,5 микрометров.
Вот такая она, квадратура сферы…кстати, в вакууме…
Матрица фотоаппарата Pentax
Исследование CCD-матрицы фотоаппарата Pentax начнём с оптических микрофотографий. К моему глубокому сожалению, из-за стерических затруднений, как говорят химики, в системе образец-микроскоп, не удалось снять при больших увеличениях и рассмотреть отдельные субпикселы.
Что-то написано, интересно, а можно тут где-нибудь увидеть имена маленьких китайских детишек?
Каждая посадочная площадка под контакты пронумерована, но не к каждой подведён тот самый контактный провод.
А вот так мы скоро будем учиться считать – с помощью нанотехнологий, естественно…
Чёткая граница между самой матрицей и «обвязкой»
А следующая микрофотография достойна учебника по электронной микроскопии. Знаете, почему электронный микроскоп не является средством измерения? Да-да, именно поэтому: из-за локального накопления заряда, вроде бы сферические объекты вдруг стали эллипсоидами:
Но мы-то знаем, что это сферы…
Далее взглянем на то, что находится вокруг светочувствительной матрицы. Так как я не являюсь специалистом в области создания электронных схем, то боюсь даже предполагать, зачем нужны все эти сложные конструкции и «хитросплетения» проводников, может быть, найдётся кто-нибудь, готовый пояснить назначение приведённых ниже деталей и компонентов (в комментариях, конечно же)?
Непоколебимые столбики, пережившие распил и полировку…
В этих слоях можно запутаться, а чёрту и ногу сломать
Этот выпуск «Взгляд изнутри» — знаковый, после нескольких лет «мытарств» нам, наконец-то, установили новую систему микроанализа, так что в некоторых случаях, я смогу не только приводить красивые картинки, но и пояснять из каких химических элементов увиденное состоит.
А вот и самое интересное – матрица во всей своей красе. Под сеточкой, в ячейках которой расположились микросферы-линзы, можно видеть отдельные фоточувствительные элементы (ну или их останки, точнее сказать затруднительно). Чуть ниже при обсуждении матрицы Canon я в деталях поясню «cross-section» устройство матрицы. Пока же обратимся к данным локального химического анализа. Оказывается, что сетка состоит из вольфрама, а микросферы, по всей видимости, это диоксид кремния, который сверху «укрыт» каким-то полимерным материалом. С более детальным анализом можно ознакомиться здесь.
Матрица во всей своей сложноустроенной красоте
Возвращаясь к первому СЭМ-изображению в этой главе, хочется отметить, что контактные площадки выполнены из чистого золота (о да!), однако проводники внутри сенсора, по всей видимости, состоят из алюминия, на который тончайшим слоем напылена медь, содержание которой на грани чувствительности прибора. Детальная информация представлена тут.
Матрица фотоаппарата Canon
Продолжим наше погружение в микро- и наномиры мы, как обычно, с оптической микроскопии. Как и в случае с Pentax, матрицу от фотоаппарата Canon не удалось снять на высоком увеличении вследствие геометрических нестыковок. Однако из полученных микрофотографий можно оценить размер отдельного субпикселя – около 1,5 мкм, что гораздо меньше, чем у матрицы мобильного телефона.
Оптические микрофотографии матрицы Canon
Кстати, один из виновников невозможности снимать на оптическом микроскопе при больших увеличениях – «покровное» стекло, закрывающее собой матрицу и её «начинку»:
Хороший кадр: передача за стеклом
Конечно, всегда самое интересное прячется на сколах, где разваливающийся строго упорядоченный мир даёт трещину, позволяющую заглянуть в самые сакраментальные уголки устройства:
Чуть позже мы ещё вернёмся к желтовато-оранжевым областям этой фотографии…
Уже знакомые нам столбики совершенно не понятного предназначения:
Как стойкие оловянные солдатики
Теперь рассмотрим более детально устройство CCD-матрицы. Сверху CCD-матрица покрыта чем-то, напоминающем полимерный слой (1), который защищает фоточувствительные элементы от агрессивной внешней среды. Под ним находятся микролинзы с красителем (2 и 3). Но так как электронная микроскопия не позволяет получать цветные изображения, то точно сказать, окрашена большая или маленькая сферы не представляется возможным. Микролинзы из диоксида кремния (наиболее вероятный материал для их изготовления) закреплены в ячейках вольфрамовой сетки (4), под которой скрывают фоточувствительные элементы (5). И, конечно же, вся эта конструкция покоится на подложке из чистейшего кремния!
С учётом того, что матрица дополнительно защищена «покровным» стеклом, то фотоэлементы защищены лучше, чем президент РФ в своём лимузине (если, конечно, сделать поправку на масштабный фактор).
Данные микроанализа можно скачать тут.
Устройство матрицы по пунктам. Описание в тексте
Но и это ещё не всё. У нас же осталось ещё стёклышко, прикрывающее матрицу, которое, как кажется, является поляризатором. Оно несколько шероховатое по краям, но практически идеально гладкое по всей остальной площади поверхности. Вроде бы оптическая микроскопия не даёт никаких результатов: стекло, как стекло.
Стекло с подозрением на поляризатор: ничего необычного
И только с помощью электронной микроскопии удаётся увидеть химконтраст на изображении и полосатую структуру. Толщина такой «плёнки» составляет всего-навсего 2,5 микрометра, при этом размеры отдельных слоёв 180 и 100 нм, соответственно, для более тёмных и более светлых. На основании данных микроанализа (тут), рискну предположить, что более тёмные области обогащены титаном, а светлые – алюминием. По-моему, это потрясающе!
Оказывается, внутри фотоаппарата своя полосата жизнь!
Послесловие
Такой мир уходящего века CCD-матриц предстал перед нами сегодня.
Спасибо всем (Василию за телефон, Илье и DarkWood за фотоаппараты), кто внёс свой посильный вклад в создание данной статьи. Вы – молодцы, что поддержали в этом нелёгком начинании!
И апофеоз данной статьи, а точнее его апофигей:
Покойтесь с миром, пока мы не придумаем вам нового применения
Бонус 1. Как выглядит зелёная пылевая буря в Москве?
Хотел сначала отдельным постом выложить, но решил не захламлять пространство. Буквально несколько дней назад Москву накрыло жёлто-зелёное облако, многие уже начали было готовится к приходу апокалипсиса, но обошлось… Что в реальности явилось причиной столь странной окраски?
Климат в последнее время барахлит на этой планете: то на Новый Год оставит без снега, то завалит снегом по самую макушку, то весна будет похожа на зиму, то вдруг неожиданно наступит лето. Цветы, деревья и растительность менее приспособлены к такого рода пертурбациям, поэтому 1,5 месяца весны сжавшиеся в 1 неделю заставили растения пересмотреть свои планы по размножению…
Утром, сев за письменный стол, я обнаружил на нём слой пыли, а протерев салфеткой, понял, что надо бы эту пыль как следует изучить. Сказано – сделано!
Хорошая новость – окраска жёлто-зелёного облака действительно была обусловлена большим количеством пыльцы (я насчитал, как минимум, три вида):
Состав московской бури: пыльца… Справа внизу пыльца на поверхности части растения
Плохая новость – этим мы тоже дышим, причём каждый день, а не в периоды размножения растений (микро- и наночастицы, которые не каждый фильтр поймает):
Состав московской бури: не очень приятная пыль и грязь
Читайте также: