Принцип работы цифрового фотоаппарата

1. Принцип работы

ПРИНЦИП
РАБОТЫ
цифрового фотоаппарата

2.

Единственное принципиальное отличие цифровой камеры от плёночной
заключается в природе используемого в них светочувствительного
материала. Если в плёночной камере это плёнка, то в цифровой –
светочувствительная матрица. И как традиционный фотографический
процесс неотделим от свойств плёнки, так и цифровой фотопроцесс во
многом зависит от того, как матрица преобразует свет, сфокусированный
на неё объективом, в цифровой код.

3. Что такое матрица?

4.

■ Светочувствительная
матрица или
фотосенсор
представляет собой
интегральную
микросхему (проще
говоря, кремниевую
пластину),
состоящую из
мельчайших
светочувствительных
элементов –
фотодиодов.

5.

• Существует два основных типа сенсоров: ПЗС (Прибор с
Зарядовой Связью, он же CCD – Charge-Coupled Device) и
КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, он же
CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Матрицы
обоих типов преобразовывают энергию фотонов в
электрический сигнал, который затем подлежит оцифровке,
однако если в случае с ПЗС матрицей сигнал, сгенерированный
фотодиодами, поступает в процессор камеры в аналоговой
форме и лишь затем централизованно оцифровывается, то у
КМОП матрицы каждый фотодиод снабжён индивидуальным
аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и данные
поступают в процессор уже в дискретном виде. В целом,
различия между КМОП и ПЗС матрицами хоть и принципиальны
для инженера, но абсолютно несущественны для фотографа.

6.

7.

■ Фотодиоды, из которых состоит любая матрица, обладают способностью
преобразовывать энергию светового потока в электрический заряд. Чем
больше фотонов улавливает фотодиод, тем больше электронов получается
на выходе. Очевидно, что чем больше совокупная площадь всех
фотодиодов, тем больше света они могут воспринять и тем выше
светочувствительность матрицы.

8.

■ К сожалению, фотодиоды не могут быть расположены вплотную друг к
другу, поскольку тогда на матрице не осталось бы места для
сопутствующей фотодиодам электроники (что особенно актуально для
КМОП матриц). Восприимчивая к свету поверхность сенсора составляет в
среднем 25-50 % от его общей площади. Для уменьшения потерь света
каждый фотодиод накрыт микролинзой, превосходящей его по площади и
фактически соприкасающейся с микролинзами соседних фотодиодов.
Микролинзы собирают падающий на них свет и направляют его внутрь
фотодиодов, повышая таким образом светочувствительность сенсора.

9.

■ Под динамическим
диапазоном матрицы
подразумевают
отношение между
максимальным уровнем
сигнала фотодиодов и
уровнем фонового шума
матрицы, т.е., по сути, –
отношение между
максимальной и
минимальной
интенсивностью света,
которые матрица
способна воспринять

10.

■ Цветные светофильтры, покрывающие фотодиоды, образуют узор, или мозаику,
называемую массивом цветных фильтров. Существует множество вариантов взаимного
расположения светофильтров, но в большинстве цифровых камер используется т.н.
фильтр Байера, состоящий на 25 % из красных, на 25 % из синих и на 50 % из зелёных
элементов. Вдвое большее количество зелёных светофильтров используется потому,
что человеческий глаз обладает повышенной чувствительностью именно к световым
лучам зелёного цвета, из-за чего неточность в передаче зелёного канала на
фотографии особенно заметна.

11.

■ Обозначения на схеме
субпикселяПЗС-матрицы — матрицы
с карманом n-типа:
1 — фотоны света, прошедшие
черезобъектив фотоаппарата;
2 — микролинза субпикселя;
3—R—
красный светофильтрсубпикселя,
фрагмент фильтра Байера;
4—
прозрачный электрод изполикристалли
ческого кремния или сплава индия и
оксида олова;
5 — оксид кремния;
6 — кремниевый канал n-типа: зона
генерации носителей —
зонавнутреннего фотоэффекта;
7 — зона потенциальной ямы(карман
n-типа), где собираются электроны из
зоны генерацииносителей заряда;
8 — кремниевая подложка p-типа.

12.

13.

■ Полученное с помощью массива цветных фильтров изображение не
является в полной мере цветным, ведь каждый фотодиод сообщает
процессору камеры информацию лишь об одном из основных цветов:
красном, зелёном или синем. Недостающая цветовая информация для
каждого пикселя восстанавливается в процессе дебайеризации.
Процессор фотоаппарата анализирует данные из расположенных по
соседству элементов и, используя хитроумные алгоритмы
интерполяции, рассчитывает значения красного, зелёного и синего
цвета для каждого пикселя, получая в конечном итоге полноцветное
RGB изображение.

14.

■ Печально, но платой за цвет является трёхкратное снижение
чувствительности матрицы, поскольку, при использовании фильтра
Байера, световой поток, достигающий каждого фотодиода, ослабляется
светофильтром примерно втрое. Кроме того, страдает резкость
изображения. Заявленное производителем разрешение матрицы отражает
её, так сказать, чёрно-белое разрешение, в то время как цветное
изображение формируется посредством интерполяции соседних пикселей,
что несколько размывает картинку.
■ Также матрицы с массивом цветных фильтров ведут себя из рук вон плохо
в условиях монохромного освещения. Например, при свете натриевых
ламп низкого давления полноценно работают только красные фотодиоды.
Зелёные получают минимум света, а синие и вовсе не воспринимают
никакой информации. В результате фотография выходит довольно
зернистой даже при умеренных значениях ISO, поскольку изображение
приходится восстанавливать почти исключительно на основании красных
пикселей, которых на матрице всего 25 %.

15.

16. Спасибо за внимание!