Как выбрать матрицу для фотоаппарата

Матрица в фотоаппарате. Что это такое?

Матрица в камере – это основной элемент, при помощи которого мы получаем изображение. Также часто называется сенсором или датчиком. Представляет собой микросхему, состоящую из фотодиодов – светочувствительных элементов. В зависимости от интенсивности попадающего света фотодиод формирует электрический сигнал разной величины, который впоследствии преобразуется в цифровой при помощи отдельного АЦП или встроенного в матрицу.

Матрица фиксирует свет и превращает его в набор битов (0/1), который затем формирует цифровое изображение.

Выглядит она следующим образом:

Матрица в фотоаппарате

Блестящая прямоугольная пластина по центру – это она и есть. А по краям фотографии байонет камеры.

Размеры матриц фотоаппаратов: таблица

Дискретная структура матрицы

Основу составляют очень маленькие фотодиоды или фототранзисторы, которые фиксируют свет и превращают его в электрический сигнал. Один такой фотодиод формирует один пиксель выходного цифрового изображения.

Небольшое отступление для тех, кто, возможно, не знает. Цифровое изображение состоит из множества точек, которые наш мозг «склеивает» в целостную картинку. Если таких точек будет недостаточно, мы станем замечать дискретность структуры, иными словами, станет казаться, будто изображение «распадается», являясь мозаичным, плавные переходы исчезнут.

Давайте рассмотрим фотографию собаки.

Дискретная структура матрицы на примере собаки

Не обращайте сейчас внимания, что она черно-белая. Абстрагируйтесь от понятия цвета, это другая тема, в данный момент так лучше будет воспринимать информацию. Матрица фиксирует электрический сигнал разной величины в зависимости от интенсивности света. И, если отнять специальные фильтры, предназначенные для получения цветного изображения, то выходная фотография получается как раз черно-белой. Кстати, камеры, снимающие исключительно в ЧБ, также существуют.

Схематически нанес на изображение сетку, иллюстрирующую дискретную, т.е. прерывную структуру матрицы. Каждый квадрат иллюстрирует минимальный элемент матрицы – пиксель, формируемый фотодиодом, на который попадает свет N-ой интенсивности и на выходе преобразуется в пиксель цифрового изображения N-ой яркости. К примеру, левый верхний угол темный – значит, на этот участок матрицы попало мало света. Шерсть, напротив, светлая – значит, туда попало больше света и электрический сигнал был иным. Естественно, изображение состоит из намного большего числа квадратиков, тут лишь схематическое изображение.

Матрица – аналог пленки

Раньше, когда не было цифровых фотоаппаратов, в качестве светочувствительного элемента, то бишь матрицы, использовалась пленка. В принципе конструкция пленочного фотоаппарата от цифрового не слишком сильно отличается, в последнем больше электроники, а вот «приемник» света совершенно иной.

Когда в пленочном фотоаппарате вы нажимаете на кнопку спуска, открывается затвор, и свет попадает на пленку. До момента закрытия затвора происходит химическая реакция, результат которой – изображение, хранящееся на пленке, но невидимое глазу до момента проявки. Пример такого химического процесса – разложение галогенида серебра на атомы галогена и серебра.

Как видите, сама суть совершенно другая. Пишу это для того, чтобы вы запомнили, что в современном мире матрица выполняет функции пленки, т.е. формирует изображение. Кстати, разница между ними в хранении: пленка является непосредственно и местом хранения конечного изображения, в цифровой фотографии изображение сохраняется на картах памяти.

Характеристики матрицы

Нужно отдавать отчет, что матрицы сильно различаются друг от друга, и в различных ценовых диапазонах им присущи те или иные качества. Этот элемент можно считать «сердцем» камеры, как двигатель в машине или процессор в компьютере. Хотя ни машина, ни компьютер с одним только двигателем или процессором работать не станут, тем не менее эти элементы определяют потенциал системы. Сложно ожидать, что машина с двигателем малого объема сможет демонстрировать чудеса проворности в гонках. Так и с камерой – в бюджетном диапазоне они оборудуются ограниченными по возможностям матрицами, и от них сложно ожидать бесшумной картинки при съемке на длинной выдержке. Понятно, что есть характеристики, которые категоризуют матрицы по возможностям. К их рассмотрению и перейдем.

Для начала перечень основных характеристик:

• физический размер;
• разрешение;
• соотношение сигнал/шум;
• чувствительность ISO;
• динамический диапазон
• тип матрицы (устарело).

Теперь рассмотрим все детально.

Физический размер матрицы фотоаппарата

Матрица представляет собой прямоугольную пластину, которая собирает свет, и естественным образом имеет размеры. Выше мы рассматривали дискретную структуру матрицы, где уяснили, что она состоит из пикселей, которые в физическом смысле представляют собой фотоэлементы, превращающие попадающий свет в электрические заряды.

Соответственно, физический размер матрицы определяется величиной пикселей и расстоянием между ними. Чем больше будет расстояние между пикселями, представляющее собой изоляционный слой, тем меньше будет нагрев матрицы, тем выше будет соотношение сигнал/шум и чище выходная картинка.

Идем далее. Размер матрицы – это один из важнейших параметров, на который обязательно стоит обращать внимание. Для начинающих фотографов упрощенно отмечу, что размер матрицы – самая важная ее характеристика

.

На практике отмечается в миллиметрах, либо обозначением формата, либо в дюймах диагонали сенсора. Формат – это просто наименование матрицы с определенными размерами. Называют так для упрощения. Что касается дюймов, то тут история тянется с измерения площади изображения на трубчатых телевизорах. Записывается, например, так: 1/1,8″. Не стоит производить математические вычисления, задаваясь целью определить физический размер диагонали и посчитать размеры сторон. Это просто обозначение, не имеющее математической силы. Важно лишь понимать, что матрица с диагональю 1/2,7″ заметно меньше, чем с 1/1,8″. Приведу популярные размеры:

На что влияет размер матрицы?

Чем больше размер матрицы, тем лучше

Это не всегда так, и с утверждением можно поспорить, но в общем случае это соответствует действительности. Более опытные читатели предвкушают переход темы в холиварное русло «Кроп vs полный кадр»:) Не стану сейчас потакать их желаниям, ведь мы говорим о фундаментальных вещах! Вернемся к теме.

От размера матрицы зависит:

1. шумность изображения;
2. динамический диапазон;
3. глубина цвета;
4. габариты камеры.

Опосредованно с изменением размера матрицы изменяется ГРИП и угол обзора, т.к. для получения снимка в том же масштабе приходится менять другие параметры (фокусное расстояние, расстояние до объекта съемки).

Чем больше матрица, тем:

• Менее шумное
  изображение. Физики скажут, что чем больше света попадает на фиксирующую его поверхность, тем меньше нагрев, меньше погрешность при квантовании и, следовательно, меньше влияние постороннего шума. Изображение при одних и тех же условиях получается более «чистым» и детализированным. Конечное изображение будет содержать меньше лишней информации, вызванной «помехами». Теперь более практичное определение. При равном количестве пикселей и одинаковой технологии чем больше матрица, тем меньше шума будет на снимке при съемке с недостаточным освещением. Попросту говоря, на фотографии будет меньше посторонних точек, мешающих просмотру. Например, намереваясь снимать с рук сумеречные портреты, предпочтительно обладать камерой с матрицей большого размера.Чем меньше матрица, тем меньше изолирующие элементы между пикселями. По этой причине возникает повышенный нагрев, что в электронике всегда плохо, ухудшается соотношение сигнал/шум и количество шума на получаемом изображении растет в сравнении с моделями, обладающими большими матрицами. Давайте посмотрим на пример:

  
  Слева условно изображение, получаемое с камеры с большей матрицей, справа – с меньшей. Условия съемки одни и те же. Увеличьте изображение. Достаточно посмотреть на небо. Разница может варьироваться, но тенденция сохранится (при условии, что матрицы схожи по технологиям и поколениям). На практике шум отлично просматривается в светах, и, вытягивая тени на одну и ту же величину, на камере с большей матрицей вы сможете получить более чистую картинку. Под вытягиванием понимается увеличение экспозиции в редакторе, в данном случае в тенях – в них начинают проявляться детали. Если вы предпочитаете следующие жанры: вечерние/ночные пейзажи, портреты в режимное время, когда света не очень много, динамичную репортажную съемку, обратите внимание на уровень шума матрицы выбранной камеры. По размеру желательно выбирать камеры с матрицами, начиная от APS-C формата.

• Шире динамический диапазон (об этом далее в статье).
• Больше глубина цвета. Глубина цвета — показатель, определяющий, насколько мелкие цветовые изменения может различить камера. Т.е. при большей глубине цвета незначительные переходы в полутонах будут смотреться более естественно и близко к видимому глазом. Будет записано больше информации о полутонах. Это проявляется, например, на почти однотонных пейзажах.
• Больше камера.
  Непреложный факт – если вы хотите снимать на камеру с большей матрицей, придется мириться с ее увеличенными размерами. Взглянув на рынок фотоаппаратов, становится понятно, что не существует, например, небольших полнокадровых камер, хоть и пытаются такие сделать. А мобильная фотография ограничена размером сенсора.
• Больше угол обзораможем получить при прочих равных условиях. Размер матрицы не влияет на угол обзора!!! Перспектива, получаемая на одном и том же объективе, установленном на разных камерах будет отличаться. Но при одинаковом ЭФР (эквивалентном фокусном расстоянии) изображение будет примерно одинаковым. Если вам понятия перспективы и ЭФР мало о чем говорят, ничего страшного, просто читайте дальше, рассказываю важную суть «на пальцах». Если взять один и тот же объектив, то, снимая на фотоаппарат с матрицей большего размера, вы получите более широкий обзор. Примем приближение объектов при съемке на фотоаппарат с большей матрицей за 100%. Тогда этот же объектив на меньшей матрице обеспечит приближение >100% (приближение будет кратно уменьшению размера матрицы). Такой же эффект можно смоделировать, вырезав из фотографии (снятой на большую матрицу) часть кадра и растянув его до исходного размера. Иными словами, мальчик, которого сфотографировали на 35 мм объектив на камеру с APS-C матрицей (посмотрите таблицу размеров матриц), будет ближе, чем этот же мальчик, сфотографированный на такой же объектив, но на полнокадровую матрицу (FF). Солнце на горизонте, снятое на матрицу меньшего размера, будет «расположено ближе» к нам:

  

• Меньше ГРИП можно получить при прочих равных условиях. Это еще один интересный аспект, который вводит фотографов в заблуждение и требует рассмотрения. Забегая наперед, ГРИП (глубина резко изображаемого пространства) определяет, на каком расстоянии от точки фокусировки объекты будут находиться в зоне резкости. Размер матрицы не влияет на ГРИП!!! Но, чтобы на разных камерах при одинаковых фокусных расстояниях масштаб изображения был одинаковым, на камерах с меньшими матрицами придется отойти подальше либо изменить фокусное расстояние, что в свою очередь уже как раз влияет на ГРИП, увеличивая его. Поэтому на камерах с большими матрицами проще получать «размытые» фотографии.

Это не все, но основные моменты, критичные для фотографа, на которые прямо или косвенно влияет размер матрицы фотоаппарата и которые для себя нужно четко уяснить.

Тип матрицы

Определяет принцип, по которому работает матрица. Существовало две основных технологии:

• CMOS (КМОП – комплементарная логика на транзисторах);
• CCD (ПЗС – прибор с зарядовой связью).

Матрицы, основанные на обеих технологиях, накапливают свет. Только в первой мельчайшим структурным элементом является диод, во второй – транзистор.

Что касается качества изображения, то во времена широкого распространения обеих технологий считалось, что CCD матрицы обладали более приятным, «ламповым» цветом, в то же время CMOS меньше шумели, но структура шума отличалась.

На сегодняшний день абсолютное большинство камер комплектуется матрицами CMOS типа, как менее шумными и более энергосберегающими. Поэтому вопрос выбора по этому параметру не стоит. Это лишь памятка при использовании устаревших камер.

Чувствительность матрицы. ISO

От чувствительности матрицы зависит соотношение выбранной экспозиции и параметров изображения на выходе. Попросту говоря, чем больше вы устанавливаете чувствительность (меняется в настройках камеры), тем менее освещенные элементы вы сможете зарегистрировать. Но при этом будут расти шумы. За эквивалентный параметр чувствительности принят параметр ISO. Начинается от 50 – это минимальная чувствительность, на которой изображение, насколько возможно, чистое и неподверженное шумовому разрушению. Шаг изменения формируется умножением на 2. Т.е. следующая чувствительность ISO – 100, далее 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400… Конечно же, камеры снимают и на промежуточных значениях, например, 546. Но для удобства шагов в стопах принято считать, как описал выше. Про ISO, стопы и прочее сейчас особо не беспокойтесь.

Важно понять, что, снимая один и тот же сюжет (например, дерево в сумерках), при повышении ISO его яркость увеличится. Картинка будет казаться светлее. Также важно понять, что на камере с большей матрицей при одинаковом
ISO шумов будет меньше.

Далее для тех, кто хочет знать больше. Есть такое понятие – EI (exposure index). Он определяет соотношение между сигналом, передаваемым с матрицы и параметрами его преобразования в цветовое пространство. Что он позволяет? При одних и тех же настройках экспозиции мы имеем возможность получить изображение различной яркости.

Поступая на матрицу, свет формирует сигнал (выходное напряжение), который в АЦП конвертируется в цветовое пространство. Наиболее распространенное – sRGB. При этом происходит его усиление. Если сигнал слабый, нужно его усилить больше. EI становится другим. Камеры предустанавливают заданный диапазон значений EI, который для упрощения называется ISO. Пошло с пленочного мира и сейчас используется для удобства. Диапазон зависит от возможностей матрицы. Например, на старых зеркалках не было возможности установить ISO 6400 просто из тех соображений, что при такой чувствительности качество изображения из-за шумов станет неприемлемым. Далее про усиление слабого сигнала.

Соотношение сигнал/шум

Следующая характеристика матрицы, неразрывно связанная с чувствительностью – соотношение сигнал/шум. Думаю, суть вам уже ясна. Выражаясь простым языком, это соотношение определяет, сколько полезного сигнала (света от снимаемого вами объекта) и шума будет содержаться в конечном изображении.

Выше мы говорили о том, что при попадании света на матрицу ее фотоэлементы генерируют сигналы в виде выходящего напряжения. Допустим, получается напряжение 0,2 В. Пусть это, к примеру, соответствует чистому зеленому цвету согласно sRGB пространству при ISO 200. Прикрывая диафрагму или делая короче выдержку, мы уменьшаем попадаемый на матрицу световой поток. Напряжение на матрице станет не 0,2, а 0,1 В (для примера, конечно). Что при заданном ISO 200 будет соответствовать не чистому зеленому цвету, а более темному зеленому с грязноватыми примесями. Если мы выставим на камере ISO 400, то напряжение автоматически поднимется до 0,2 В, и мы получим изначальный чистый зеленый цвет.

НО! При этом на матрице формируется плохая составляющая в виде шума, который при базовом ISO не заметен. Но, усиливая сигнал, мы также усиливаем и шум. В разумных пределах это допустимо и не критично. Важно понимать ту грань, когда последующее увеличение чувствительности и, соответственно, соотношения сигнал/шум ведет к неприемлемым результатам.

Допустим, вы снимаете друзей для публикации личных фотографий в социальные сети. Они не слишком заморачиваются безукоризненным качеством фотографий и хотят получить классные эмоции, яркие и приятные снимки. В таком случае небольшой или даже значительный шум, корректируемый в редакторе, не станет проблемой. Но, если вы фотографируете пейзаж и желаете его потом распечатать размером 30×40 см или больше, то лучше изначально выставлять минимально возможное ISO. В принципе, при съемке пейзажей придерживайтесь правила изначальной установки минимального ISO. Просто поставили его и забыли, дальше работайте с остальными параметрами.

Сигнал/шум также зависит от размера пикселя. Поэтому переходим к следующему параметру.

Разрешение матрицы

Популярный параметр, который до сих пор в некоторых магазинах применяется в качестве основного.

В технической документации можно увидеть, например, 6000 x 4000. Это значит, что по ширине расположено 6000 фотоэлементов, фиксирующих свет, а по высоте – 4000. Перемножив, получим общее количество фотоэлементов (пикселей) на матрице – 24000000. Для читабельности пишут 24 МП. Размерность – мегапиксели. Приставка «мега» соответствует степени 10 в 6й степени.

Больше мегапикселей не равно лучше

Современные камеры обычно комплектуются матрицами от 16 МП и выше. Но сейчас не редкость и 36 МП, и 42 МП. Встречаются модели и с большим разрешением. В этом и заключается традиционная маркетинговая уловка, на которую раньше, да и сейчас тоже, «ловят» покупателей, предлагая приобрести камеры с высоким разрешением, «забывая» о сопутствующих подвохах и вообще не интересуясь целями покупателя. А мы копнем чуть глубже и поинтересуемся размером пикселя.

Физический размер пикселя – очень важная характеристика, измеряется в мм или мкм. Если пиксель больше, то он сможет собрать больше света, и соотношение сигнал/шум будет выше со всеми вытекающими последствиями. Т.е. такая матрица при прочих равных будет шуметь меньше.

Определить очень просто. Возьмем матрицу популярного APS-C формата с разрешением 24 МП, что соответствует физическому размеру примерно 23.6 x 15.8 мм. Разрешение в пикселях ­– 6000 x 4000. Значит, по длинной стороне 6000 точек нашего выходного изображения формируется на 23.6 мм. Делим физическое расстояние на количество точек и получаем размер пикселя, составляющий примерно 0.004 мм. Если матрица такого же поколения, аналогичной структуры и физического размера обладает большим разрешением, то размер пикселя будет меньше, что увеличит нагрев и шумы. Говорят, нагрев примерно на 8 градусов ведет к двукратному росту шумов.

Практические особенности размера пикселя:

1. Шумы.
   Как неоднократно рассматривали, при прочих равных меньше пиксель = больше шумы.
2. Увеличенная шевеленка.
   Меньший пиксель более чувствителен к дрожанию рук и смещению камеры по отношению к снимаемому объекту. Представьте, будто пиксель по размеру соответствует теннисному мячу, а вы снимаете кота. Пиксель в виде теннисного мяча фиксирует свет, соответствующий темному пятну на шерсти кота. Если вы немного пошевелите матрицу с такими пикселями, то на этот пиксель вероятнее всего будет попадать свет от этого же темного пятна. Смещение не вызовет глобальных проблем в изображении. Предположим, что снимаем этого же кота на камеру с матрицей, обладающей маленькими пикселями, и на определенный пиксель попадает ворсинка пятна кота. Немного сместив камеру, получится, что пиксель будет фиксировать другую ворсинку.Таким образом, детализация растет, но изображение становится смазанным. Для определенных целей это подходит лучше, но требует больших навыков от фотографа и имеет свои особенности при съемке отдельных жанров.
3. Повышенные требования к объективу.
   Меньший физический размер пикселя говорит о том, что для получения детализированной фотографии разрешающая способность объектива должна быть выше. Объектив тоже имеет разрешающую способность, и на каждый миллиметр матрицы он может спроецировать ограниченное количество точек. Большей разрешающей способностью обладают более дорогие объективы. При этом, если разрешающая способность объектива ниже таковой у матрицы, то изображение будет недостаточно детализированным. Говорят, что «матрица не раскроется». По факту система не сбалансирована и результат будет, как на более дешевой, но сбалансированной технике.Разрешающая способность фотоаппарата, как целостной системы, не превышает разрешающей способности каждого из компонентов (матрицы или объектива). В идеале, их разрешающая способность должна быть примерно равна. Но практика, как обычно, вносит массу корректив.
4. Больше разрешение – мощнее компьютерное железо.
   Чем больше разрешение, тем большие требования предъявляются к компьютеру при обработке. Если вы желаете получить хорошие результаты и даже не снимаете в RAW (советую все-таки перейти к RAW’у), то вам все равно придется «вертеть» изображение в Photoshop’е или другом редакторе. А при разрешении 24 МП, 36 МП или выше это может быть проблемой. Даже если небольшие правки вносятся достаточно шустро, то небольшие задержки на большом фотосете будут раздражать и сильно красть время.

Динамический диапазон матрицы

Динамический диапазон (сокращенно ДД) определяет максимальный яркостной диапазон снимка.

Каждый пиксель обладает своей яркостью. Для упрощения будем рассматривать яркость отдельных участков кадра, например, неба. Допустим, вы снимаете городской пейзаж в яркий солнечный день, и в кадр попадает яркое небо и очень темные здания. Если вы экспонируете кадр (определяете экспозицию) по небу, то на выходе получается хорошо проработанное небо и темные или почти черные здания. Наоборот, экспонируя по зданиям, получаем их нормальную яркость, но при этом неба совершенно нет, вместо него белое пятно. Сталкивались с такой ситуацией? Думаю, наверняка.

Так вот динамический диапазон как раз определяет то, насколько широкий яркостной участок сможет охватить камера без потерь информации в самых светлых и самых темных частях кадра.

Динамический диапазон – это неизменная характеристика матрицы, зависящая от технологии производства. Мы можем лишь сузить его, установив большое значение чувствительности ISO, что, как вы понимаете, нежелательно.

Недостаточный динамический диапазон матрицы

На этой фотографии внизу достаточно темные участки, а вверху – яркие солнечные лучи, и съемка ведется в контровом свете, против солнца. Это заведомо тяжелые для камеры условия, создается слишком высокий контраст.

А вот еще более яркий пример с выбитым небом. Фактически классика, такого в папках многих людей предостаточно, и с этим нужно что-то делать.

Недостаточный динамический диапазон матрицы

В таком случае говорят, что снимаемая сцена не укладывается в динамический диапазон камеры. И нужно прибегать либо к перекомпоновке кадра, чтобы снизить контраст сцены, либо к использованию художественных приемов, обыгрывая недостатки техники, либо использовать технику его расширения (HDR). Вы резонно спросите: «Но ведь мы же видим одновременно и голубое небо, и темные детали. Как же так?». Сей факт можно отнести к несовершенству техники. Динамический диапазон глаза превышает диапазон камеры где-то в 2 раза.

Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер

Предисловие

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!

Но для всех у меня две новости: хорошая и плохая.

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

Бонус 2. Угадайте, что это?

P.S.

В последнее время на ХабраХабре стало появляться большое количество постов, посвящённых тематике копирайта и «pay what you want». Например, собирают пожертвования в пользу ReactOS или на издание/написание книг. Подумал и решил тоже в это «ввязаться», так что дело за Вами, уважаемые читатели:

Yandex.Money 41001234893231 WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)

За неделю удалось собрать около 2 500 рублей — СПАСИБО всем, кто откликнулся и внёс свой посильный вклад!!!;)

P.P.S.

Кстати, неожиданно для себя открыл, что некоторые мои работы под распилу тех или иных предметов подвигают людей на свои собственные открытия.
Во-первых
, полный список опубликованных статей на Хабре:

Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT, более обстоятельная статья дана тут: Современные чипы – взгляд изнутри Взгляд изнутри: CD и HDD Взгляд изнутри: светодиодные лампочки Взгляд изнутри: Светодиодная промышленность в России Взгляд изнутри: Flash-память и RAM Взгляд изнутри: мир вокруг нас Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер Взгляд изнутри: Plastic Logic Взгляд изнутри: RFID и другие метки Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 1 Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 2 Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 2 Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 3 Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 4 Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 1 Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 2 Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 3 Взгляд изнутри: IKEA LED наносит ответный удар Взгляд изнутри: а так ли хороши Filament-лампы?

и 3DNews: Микровзгляд: сравнение дисплеев современных смартфонов

Во-вторых

, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.

В-третьих

, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме:
«pay what you want»
Yandex.Money 41001234893231 WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)
Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)