Светочувствительные матрицы цифровых фотоаппаратов.

В наши дни, цифровые фотокамеры с электронными светочувствительными сенсорами, практически полностью вытеснили из обихода пленочные фотоаппараты.

По принципу процесса получения изображения, цифровые камеры кардинально отличаются от пленочных фотоаппаратов. Несмотря на то, что в них тоже используются та же схема фокусировки изображения на светочувствительном элементе. Она состоит из объектива (система линз), затвора, и диафрагма. Однако там, где у традиционных фотоаппаратов находится пленка, в цифровой камере располагается электронный светочувствительный сенсор (матрица).

Первые попытки создать электронную изображение датируются 1908 годом. В этом году Алан А. Кэмпбел Свинтон

придумал кинескоп, то есть электронное устройство для регистрации изображения на электронно-лучевой трубке.

Следующая попытка была предпринята через 60 лет в 1969 году. У сотрудников Bell Labs возникла идея электронной регистрации изображения, и в 1970 году был создан первый в мире ПЗС(прибор зарядовой связи) который состоял из восьми светочувствительных элементов.

В 1973году Компания Fairchild начала промышленный выпуск ПЗС-матриц . Они были чёрно-белыми и имели разрешение всего 100х100 пикселей.

Основной характеристикой цифрового фотоаппарата является количеству пикселей, которые он может снять (чем их больше, тем более детализированной будет фотография). Количество пикселей зависит от физического размера и концентрации элементов на матрице. Цифровая светочувсвительная матрица является сердцем цифровой камеры.

В современных цифровых фотокамерах наибольшее распространение получили матрицы двух типов: ПЗС (прибор с зарядовой связью, по-английски CCD — Charge-Coupled Device) и КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник, по-английски CMOS — Complementary-symmetry/Metal-Oxide Semiconductor).

КМОП(CMOS)-

матрицы для потребительских фотоаппаратов относительно дёшевы, так как производятся по стандартным полупроводниковым технологиям, однако шумы таких матриц обычно гораздо выше, чем у CCD.

Название ПЗС(CCD) — прибор с зарядовой связью, отражает способ считывания электрического заряда методом сдвига от одного элемента матрицы к другому, постепенно заполняя буферный регистр. Далее напряжение усиливается и подается на АЦП (аналого-цифровой преобразователь), после чего уже в цифровой форме поступает для последующей обработки в процессор фотокамеры.

Сенсоры матриц воспринимают только черно-белый сигнал, они не различающие цвет. Для получения цветного изображения в матрицах цифровых фотоаппаратов применяются специальные технические решения.

Можно, например, разделять спектр на составные цвета после объектива (при помощи системы цветоделительных зеркал или призм) на три области — красную, зеленую и синюю — и подавать на три отдельных монохромных сенсора, что применяется в трехматричных (3CCD) фотокамерах. Подобный подход обеспечивает отличную разрешающую способность и цветопередачу, причем без увеличения времени получения изображения. Однако такие аппараты громоздкие и дорогие, поэтому в фотографии система 3CCD получила распространение только в профессиональных студийных решениях, причем в трехматричной системе трудно использовать зеркальный видоискатель, что делает ее применение в фотографии еще более ограниченным.

Удешевить предыдущий вариант позволило бы использование одной матрицы с тремя заменяемыми светофильтрами (красным, зеленым и синим), однако последовательное экспонирование сенсора через барабан со светофильтрами потребовало бы в три раза больше времени.

В настоящее время чаще всего для получения цветного изображения применяются одноматричные системы. В них используется массив светофильтров разных цветов(color filter array, CFA), располагающихся между микролинзой и светочувствительной областью фотопикселя.

С помощью светофильтра на каждый фотодетектор попадает световой сигнал соответствующий цвету светофильтра.

Производители цифровых матриц используют различные массивы светофильтров, как правило, имеющие комбинацию основных цветов (красного, зеленого и синего) или дополнительных цветов (голубой, пурпурный и желтый).

Чаще всего массив цветных светофильтров использует технологию Bayer Pattern, при которой красные, зеленые и синие фильтры располагаются в шахматном порядке, причем число зеленых фильтров в два раза больше чем красных или голубых. Такая схема расположения фильтров приводит к формированию изображения которое нельзя назвать точным, ведь для каждого пиксела изображения фиксируется только одна цветовая составляющая из трех, а потом процессор фотокамеры путем интерполяции по соседним значениям «дорисовывает» остальные две, так что картинка, выдаваемая современной цифровой камерой, на две трети уже интерполирована. Поэтому при одинаковом разрешении матриц у сенсора с классическим байеровским массивом светофильтров в результате цветовой интерполяции («размазывания» по цвету) разрешение снимков примерно в 2 раза ниже (они выглядят более размытыми), чем у устройств с одним светофильтром (монохромных) или у трехматричной схемы.

Для устранения этого недостатка используются технологии сдвига светрофильтра. Данный подход аналогичен описанной выше съемке с заменой цветного фильтра. В данном случае применяется «обычный» сенсор с фильтром Байера, который передвигается в процессе экспозиции относительно фотоматрицы на один пиксел таким образом, что каждый фотосенсор экспонируется три раза с разным фильтром. В результате в трех кадрах мы имеем все три цветные составляющие для каждого фотосенсора. Однако подобная технология очень дорогая, а кроме того, увеличивает время экспозиции в три раза. Поэтому применяется она преимущественно в цифровых задниках для профессиональной студийной съемки в павильоне, где можно на несколько секунд обеспечить неподвижность объекта съемки.

В заключение можно сказать следующее.

В настоящее время ведущими компаниями по производству видеотехники интенсивно разрабатываются новые виды матриц для цифровых фотокамер. Но при этом необходимо отметить, что в настоящее время наибольшее распространение получили неподвижные одноматричные системы с неподвижными фильтрами Байера. Эти системы устанавливаются как в любительские, так и в профессиональные камеры.

В профессиональных камерах, качество изображения улучшают путем оснащения фотокамер более мощными процессорами.