Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица (часть первая)

Общеизвестно, что качество работы любого оптического прибора зависит от его объектива. Однако при использовании какого бы то ни было регистратора изображения, будь то плёнка кинокамеры, электронно-оптический преобразователь прибора ночного видения либо ПЗС-матрица цифрового фотоаппарата, не менее важную роль играют параметры этого устройства. При всех различиях между принципами действия регистраторов существует ряд характеристик, совершенно одинаковым образом влияющих на процесс съёмки. Среди них можно выделить габариты регистратора изображения, его чувствительность и динамический диапазон, точность цветопередачи, минимальный возможный интервал между экспозициями и многое другое. По общепринятому мнению, наибольшее значение для процесса съёмки имеют первые три параметра, причём в ПЗС-матрице все они неразрывно связаны друг с другом.

Size Does Matter

Название этой главы – «Размер имеет значение» – совершенно справедливо для регистратора изображения любого типа. В середине прошлого века любой из фотографов был вынужден искать компромиссное решение, выбирая между разными форматами фотоматериалов. Среднеформатные плёнки (размер кадра 6x4,5; 6x6; 6x7 и 6x9 см) и крупноформатные пластинки (9x12; 13x18 и 18x24 см) считались «выбором профессионала», так как обеспечивали широкий динамический диапазон (интервал между точно воспроизводимыми самым тёмным и самым светлым тоном формируемого объективом изображения) и высокую чёткость снимка. При этом малоформатная, то есть привычная всем 35-миллиметровая пленка, долгое время считалась пригодной только для любительской фотографии, а её профессиональное применение ограничивалось репортажной съёмкой. Однако со временем зернистость малоформатной плёнки становилась все меньше и меньше, обеспечивая постепенный рост разрешения снимка, одновременно расширялся динамический диапазон 35-миллиметрового кадра.

После того как разрешение 35-миллиметровой плёнки перешло определённый порог, малоформатная фототехника стала стремительно вытеснять среднеформатные камеры. Причиной тому стали не только заметно меньшие габариты 35-миллиметровых фотоаппаратов и сравнительная простота их эксплуатации, но и сопутствующая выгода от перехода на меньший размер кадра. Преимущества заключались, во-первых, в возможности сократить фокусное расстояние оптической системы (и уменьшить размеры и вес объектива), при этом величина объекта в кадре не изменялась. Во-вторых, при уменьшении габаритов кадра возрастает глубина резкости объектива (отрезок пространства перед объективом – все объекты, попавшие в этот отрезок, будут отображены на плоскости регистратора изображения с достаточной резкостью). Возросшая глубина резкости, в свою очередь, позволяет компенсировать ошибки фокусировки либо «приоткрыть» при съёмке диафрагму, в результате можно использовать более «короткую» выдержку и заметно снизить шанс «сдергивания» снимка. В-третьих, размер кадра прямо пропорционален минимальной дистанции съёмки, таким образом, малоформатные камеры имеют преимущество при макросъёмке (фотографировании мелких объектов со сверхмалой дистанции, от 50 см и менее).

Примерно так же обстоят дела с цифровой фототехникой, только вот габариты основных типов регистраторов изображения значительно меньше. В частности, ПЗС-матрицы, по размеру соответствующие кадру среднеформатной плёнки, тоже используются в цифровой технике, однако высокая стоимость обусловила слабую распространённость данного типа сенсоров. Фактически сегмент рынка цифровой техники «среднего формата» составляет лишь несколько процентов от той доли, которая приходилась в своё время на плёночные среднеформатные камеры, а основной парк цифровых фотоаппаратов состоит из профессиональных и любительских моделей.

Первые образцы профессиональных камер представляли собой 35-миллиметровые «зеркалки», у которых столик для плёнки был заменён ПЗС-матрицей. Профессиональные модели последних лет заметно отличаются от своих плёночных «собратьев», однако в целом их конструкция содержит ряд объединяющих черт:

• байонетный разъём для сменных объективов;
• подъёмное зеркало, направляющее в окуляр видоискателя изображение, сформированное объективом;
• ПЗС-матрица размером от 36x24 до 18x13,5 мм.

Любительские модели появились одновременно с профессиональными камерами, и их основные отличительные особенности тоже сохранились неизменными:

• постоянный объектив;
• ПЗС-матрица размером от 8,6x6,5 до 5,2x3,9 мм.

На иллюстрации со сравнительными габаритами ПЗС-матриц использован термин «формфактор», требующий дополнительного объяснения. Матрицы любительских фотоаппаратов с момента их появления принято характеризовать числом, указывающим на диагональ сенсора в долях дюйма (1/2,5, 1/1,8, 2/3 и так далее). Данное число, именуемое формфактором, не соответствует реальной диагонали матрицы, составляющей примерно 2/3 от формфактора. Например, ПЗС-матрица с формфактором 1/1,8 имеет диагональ 9 мм. Несовпадение это вызвано тем, что термин формфактор, описывающий размер регистрирующего элемента, перекочевал в цифровую фотографию из телетехники. В телекамерах для регистрации изображения использовались электронно-лучевые трубки, у которых из всей фронтальной площади колбы использовалась прямоугольная область с соотношением сторон 4:3, диагональ которой составляла примерно 2/3 от диаметра колбы. Именно этот виртуальный «диаметр колбы» и используется в качестве параметра, описывающего физический размер ПЗС-матрицы любительских фотоаппаратов.

Как видно из приведённых данных, пропорция между габаритами сенсоров, используемых в профессиональной и любительской технике, примерно соответствует соотношению кадров среднеформатной и 35-миллиметровой плёнки. В свою очередь, процентное отношение рынков профессиональных и любительских цифровых камер практически такое же, какое было у сегментов среднеформатной и 35-миллиметровой техники, ну а плюсы малогабаритных регистраторов изображения в цифровой фототехнике выражены даже более наглядно, чем в классической фотографии:

• были разработаны сверхкомпактные любительские модели с объективом «перископной» схемы, полностью спрятанным внутри корпуса. Благодаря такому решению удалось создать пылевлагозащищённые камеры, выдерживающие получасовое пребывание под водой на глубине полтора метра;
• у «дальнобойных» любительских камер вариообъективы с фантастическим диапазоном фокусного расстояния (с кратностью 14х) и системой оптической стабилизации по своим габаритам не превышают 35-миллиметровую оптику стандартного диапазона (с кратностью 3х). В результате любознательный турист вместо крупногабаритного кофра обходится компактным чехлом;
• при макросъёмке минимальная дистанция фотографирования большинства любительских моделей не превышает нескольких сантиметров. В сочетании с высоким разрешением ПЗС-матриц это обеспечивает высочайшую детализацию самых миниатюрных объектов съёмки.

Однако плата за все эти «удовольствия» чрезвычайно высока.

Отличие «химии» от «физики»

В отличие от фотоплёнки, у которой чёткость регистрируемого изображения зависит только от технологических возможностей наносящего светочувствительную эмульсию оборудования, ПЗС-матрица имеет значительно больше ограничений по росту разрешения. Вызвано это тем, что регистрирующие свет элементы матрицы, именуемые пикселями, работают не так, как светочувствительный слой плёнки. Фотоны, падающие на поверхность плёнки, вызывают модификацию химического состава светочувствительных зёрен без каких-либо дополнительных устройств, а изменение прозрачности и цвета с эмульсии обеспечивается дальнейшей обработкой специальными реактивами.

В пикселе преобразование света в электрический заряд невозможно без так называемой обвязки – совокупности электронных компонентов, обеспечивающих хранение и считывание накопленного пикселем заряда, сброс избыточного заряда, а также ряд других необходимых функций. В зависимости от типа ПЗС-матрицы на долю обвязки может приходиться от 30 до 70% всей площади пикселя. Из-за этого сокращается как светочувствительная область пикселя, так и его способность аккумулировать электрический заряд. Первое приводит к уменьшению чувствительности (восприимчивости регистратора изображения к световому излучению), второе – к сужению динамического диапазона. Разумеется, совершенствование технологий позволяет компенсировать потери чувствительности и динамического диапазона, обусловленные обвязкой. Однако при увеличении разрешения матрицы с сохранением её габаритов площадь каждого пикселя уменьшается – с соответствующими для чувствительности и динамического диапазона последствиями. Если при этом ещё и размер обвязки остаётся прежним, то доля светочувствительной области пикселя уменьшается ещё сильнее, усугубляя негативный эффект.

Именно поэтому каждый скачок разрешения ПЗС-матриц любительских фотокамер сопровождается упорной борьбой разработчиков за сохранение чувствительности и динамического диапазона. В профессиональной фототехнике размер каждого пикселя в несколько раз больше, поэтому динамический диапазон и чувствительность этих камер выгодно отличает их от любительских моделей. Это обстоятельство обусловило высокую популярность профессиональных моделей начального уровня – предложенные рынку несколько лет назад камеры ценой до тысячи долларов с самого своего появления пользовались повышенным спросом, а постоянно снижающаяся цена на эти фотоаппараты привела к исчезновению сразу нескольких типов любительской фототехники.

«Меньше» — не всегда «хуже»

В 2002 году появилась спецификация стандарта Four Thirds, использующего ПЗС-матрицу в два раза меньшей площади, чем 35-миллиметровый кадр, а также соответствующих габаритов сменную оптику. Согласно утверждениям разработчиков стандарта, такое решение должно было обеспечить объективам Four Thirds уменьшение массогабаритных характеристик в два раза. За прошедшее время появился достаточно богатый ассортимент оптики данного стандарта, поэтому можно констатировать, что предположение создателей Four Thirds полностью оправдалось.

Тем не менее в стандарте Four Thirds технику производят всего две фирмы – Olympus и Panasonic. Все остальные производители при разработке цифровых «зеркалок» ориентируются на 35-миллиметровую оптику, полагая при этом, что заметно более широкий ассортимент «классических» объективов должен компенсировать проигрыш по массогабаритным характеристикам. Однако большинство ПЗС-матриц, используемых в профессиональной технике, меньше стандартного кадра 35-миллиметровой плёнки. Практически все сенсоры выполнены в габаритах кадра плёнки APS (Advanced Photo System) – подававшего большие надежды, но так и не принятого рынком стандарта. Размер этого кадра составляет порядка 25,1x16,7 мм, при этом используемые некоторыми производителями сенсоры могут быть чуть меньше либо чуть больше. Применение 35-миллиметровой оптики приводит к тому, что часть формируемого объективом изображения оказывается в буквальном смысле «за кадром». В итоге снимки получаются такими, как если бы их делали объективом с большей длиной фокусного расстояния. Таким образом, вариообъектив 28-50 мм, используемый в профессиональной камере с ПЗС-матрицей, в полтора раза меньшей 35-миллиметрового кадра, приобретает диапазон фокусного расстояния 42-75 мм.

Условное «увеличение» фокусного расстояния зависит от размеров матрицы и выражается с помощью величины, именуемой коэффициентом фокусного расстояния (в англоязычной литературе используется термин crop-factor). В ранних профессиональных камерах, оснащённых совсем уж маленькими матрицами, этот коэффициент достигал 2,5. При использовании ПЗС-матрицы «формата APS» коэффициент равен 1,5. Большинство профессиональных камер фирмы Canon оснащены сенсором чуть меньших габаритов (22,2x14,8 мм), поэтому имеют коэффициент 1,6, однако среди моделей высшего уровня имеется серия с матрицей стандарта APS-H, то есть APS-High Definition. Размер этого сенсора составляет 28,7x19,1 мм, а коэффициент фокусного расстояния равен 1,3.

То, что часть светового изображения остаётся «за кадром», имеет как плюсы, так и минусы. Например, уменьшается угловое поле объектива, поэтому тяжелее вести широкоугольную съёмку. Следует учесть также, что короткофокусная оптика стоит немалых денег – и чем меньше фокусное расстояние, тем объектив дороже. Однако объективы для телесъёмки тоже недёшевы, и чем больше их фокусное расстояние, тем, как правило, меньше максимальное относительное отверстие и светосила. При коэффициенте фокусного расстояния 1,5 недорогой «телевик» 200 мм f/4,5 превращается в 300-миллиметровый объектив. В то же время у большинства «настоящих» 300-миллиметровых «телевиков» диафрагму можно раскрыть максимум на f/5,6, тогда как у «конвертированного» 200-миллиметрового объектива она остаётся прежней – f/4,5.

Практически каждый объектив в той или иной степени страдает от геометрических аберраций, искажающих очертания объектов съёмки, причём особенно сильно их присутствие выражено у краёв снимка. Если коэффициент фокусного расстояния больше единицы, то при регистрации ПЗС-матрицей изображения, сформированного объективом, его краевые области в снимок не попадут.

Следует отметить, что некоторые производители всё-таки выпускают оптику, адаптированную к сенсорам APS-габаритов. Например, фирма Nikon, используя свои наработки по производству объективов для APS-камер серии Pronea, анонсировала в 2002 году линейку оптики Nikkor DX, в которой линзы изначально подбирались с тем, чтобы световое изображение было в полтора раза меньше кадра 35-миллиметровой плёнки. Разумеется, в 35-миллиметровой «зеркалке» эти объективы использовать нельзя, но за счёт меньшего диаметра линз удалось снизить массогабариты изделий, кроме того, снизилась стоимость оптики, а это во все времена и для любого товара является едва ли не главным аргументом. Годом позже Canon вышла на рынок с серией EF-S. Отличие этих объективов от линейки EF заключается в более глубоком расположении их выходной линзы внутри корпуса фотоаппарата. Именно поэтому в названии присутствует буква S (short – «короткий»), ведь фокусное расстояние объектива при этом укорачивается, а изображение, формируемое оптикой, уменьшается. Объективы серии EF-S получаются дешевле и легче, чем обычная оптика, однако их можно использовать только в камерах Canon с коэффициентом фокусного расстояния не менее 1,6.

Продолжение следует

В данной статье было рассказано о том, как габариты ПЗС-матрицы влияют на формируемое ею изображение. В дальнейшем читатели смогут ознакомиться с тем, как на эффективность работы сенсора влияют его конструктивные особенности.