какие типы матриц используются в цифровых фотоаппаратах

Матрица в фотоаппарате – какой выбор будет лучшим

Несомненно, матрица фотокамеры – один из важнейших элементов конструкции устройства. В этом руководстве вы найдете детали, которые позволят вам выбрать оборудование, идеально соответствующее вашим личным предпочтениям.

Ознакомьтесь с некоторыми советами и выберите лучшее решение. Узнайте, какая матрица зеркальной или цифровой камеры подойдет лучше всего.

Выбор матрицы фотоаппарата – что важно

Прежде чем вы решите купить фотокамеру, вы должны внимательно прочитать описание продукта, где указаны точные технические характеристики. Благодаря этому вы сможете выбрать оборудование, которое будет идеально держаться в руках.

Размер матрицы играет ключевую роль. Меньшие по размеру сенсоры обеспечат большую глубину резкости и будут использоваться в камерах с ультразумом. Однако, более крупные матрицы обеспечат более широкое поле зрения. Кроме того, мы можем рассчитывать на более качественные фотографии даже в условиях плохого освещения. Конечно, камеры, оборудованные таким образом, относительно дороги: их ценят самые требовательные пользователи. Поэтому нет сомнений в том, что размер сенсоров цифровых фотоаппаратов является важным критерием покупки.

Перед покупкой необходимо обратить внимание на типы матриц. В нашем руководстве мы представляем все самые популярные решения. Выбор будет зависеть от предпочтений пользователя и типа фотографий, для создания которых устройство используется. Обязательно стоит ознакомиться со всеми деталями, чтобы выбрать как подходящий тип, так и размер матрицы. Мнения, собранные в Интернете, и советы профессиональных пользователей также могут быть полезны при выборе.

Что такое фотоматрицы?

Прежде чем мы подробно остановимся на типах фотоматриц, следует подчеркнуть, что вообще представляют собой матрицы в зеркальных фотокамерах или цифровых камерах.

Матрица фотоаппарата – это электронные светочувствительные датчики. Они используются для преобразования изображения в сигнал, позволяющий сохранить изображение в памяти устройства. Тщательный анализ характеристик сенсора позволит нам выбрать оборудование высочайшего качества. Чтобы купить оборудование высокого класса с хорошим сенсором, сравните две камеры с учетом, например, производителя. Таких комбинаций стоит составить несколько, ведь ассортимент продукции чрезвычайно богат и разнообразен.

Типы матриц в фотоаппаратах

Их неоспоримое преимущество – отличная цветопередача и возможность работать с повышенной чувствительностью. Сигнал считывается линейно, что отличает CMOS-матрицы от CCD, где считывание осуществляется в один момент со всего сенсора. Этот тип матрицы в фотоаппаратах очень популярен, хотя одним из недостатков может быть «эффект рольставни». Это означает, что при записи объекты, которые движутся перпендикулярно оси наклона объектива, наклоняются. Это происходит потому, что верхние пиксели считываются раньше, чем нижние.

Одним из популярных типов CMOS-сенсоров является фотодатчик BSI CMOS. Его преимущество – повышенная чувствительность за счет несколько иного расположения светочувствительных элементов. Слой кремния расположен под линзами, что позволяет регистрировать больше света. Мы часто встречаем этот тип матриц в цифровых камерах мобильных телефонов.

Сравнение размеров матриц фотокамер

Мы упоминали, насколько важен размер сенсора в цифровых камерах и зеркальных фотокамерах. Мы можем выбрать несколько видов.

Вот самые популярные:

Несомненно, что при выборе фотоаппаратов основным компонентом для анализа являются фотоматрицы. Правильно подобранный сенсор обеспечит ожидаемое качество фотографий и позволит запечатлеть много прекрасных моментов. Выберите одну из проверенных моделей и оцените комфорт использования.

Источник

Типы матриц фотоаппаратов

ПЗС-матрица

Описание

Другое название – CCD. Это аналоговая микросхема, которая состоит из кремниевых диодов и применяется технология ПЗС — приборов с зарядовой связью. Данные тип создан с целью внедрения в камеры сотовых телефонов, цифровые и профессиональные фотоаппараты, медицинское оборудование и т. д.

Достоинства

К достоинствам относятся такие параметры:
· Изображения получаются менее шумными;
· Естественные неискаженные цвета;
· Простые в изготовлении;
· При длительном пользовании не нагреваются.

Недостатки

Камеры с матрицей такого типа весьма энергоёмкие. Фотоаппараты имеют большой размер, что обуславливается немалым размером самой матрицы.

КМОП-матрица

Описание

По-другому – CMOS. Чувствительная матрица, в основе которой лежит КМОП-технология. Невзирая на то, что этот вид используется несколько десятков лет, он не считается устаревшим. Они отлично справляются с видеонаблюдением. Каждый год выпускают новые модели камер, которые изготовлены по технологии CMOS.

Достоинства

· Небольшое потребление энергии.
· Сниженная стоимость, миниатюрный размер из-за отсутствия дополнительных процессорных микросхем, потому что аналоговая, цифровая и обрабатывающая схемы соединены вместе.
· Можно увеличить чувствительность матрицы с помощью различных усилителей. Баланс белого улучшается посредством регулирования усиления цветов.
· Простое и дешёвое производство.

Недостатки

· Низкое разрешение, а также высокий уровень шума из-за размера диода ячейки.
· Во время того, как аппарат считывает информацию, происходит его нагрев вследствие большого количества электронных элементов.

Live-MOS

Описание

Изготовителем и пользователем является Panasonic. В основе лежит МОП-технология, но с меньшим затрачиванием напряжения. Особенность этой разновидности – картинка в режиме «live» без перегрева и повышения уровня шумов.

Достоинства

· В статичном положении затраты электроэнергии минимальны.
· Фотоаппараты минимизированы, так как используется один и тот же способ изготовления с остальными частями камеры. Поэтому можно расположить электронику пикселей в одной части.
· Пользователю под силу настраивать усиление всех цветовых ячеек, что заметно улучшает передачу цвета.

Недостатки

· Часть чувствительного к свету компонента находится в одинаковых пропорциях с чувствительностью.
· Появление шума на изображении. Причиной этому является отдельная электрическая цепь для каждого пикселя, и у каждого пикселя отдельная зависимость между экспозицией и выходным зарядом.
· Возникает перегрев и шум из-за электрических компонентов.

Super CCD-матрица

Описание

Матрицы под названием Super CCD используются в камерах Fujifilm. В них имеются большие и маленькие зелёные пиксели. Это увеличивает фотографическую широту матрицы. Пиксели в данном варианте не прямоугольные, а восьмиугольные.

Достоинства

· Сильной стороной является тот момент, когда изображение, которое находится в объективе содержит строго горизонтальные или вертикальные линии.
· Повышенная чувствительность.
· Расширенный динамический диапазон.

Недостатки

· в отличие от классической матрицы SuperCCD пропустит диагональные линии, из которых и состоят объекты в действительности.

QuantumFilm

Описание

Матрица, основным элементом которой выступают квантовые точки. Именно из-за того, что применяется уникальная технология на квантовых точках, происходит почти 100% захват света. Это позволяет обеспечить высокую чувствительность света при низкой освещённости. Это матрица будущего.

Достоинства

· Низкая цена, поскольку соединяются две технологии: традиционная с использованием кремния и новая с квантовыми точками.
· Размер сенсора значительно меньше за счёт квантовых точек.
· Эта модель, которая очень чувствительна к свету обладает в несколько раз большим действием, а её динамический диапазон в два раза превышает диапазон обычных матриц, изготовленных по технологии КМОП или CMOS, как её ещё называют. Это преимущество возникает благодаря появлению квантового эффекта.
· Материал квантовой точки, из которого она изготовлена, одновременно является своего рода линзой и усилителем. При этом свет фокусируется на кремниевом элементе, который произведён по технологии CMOS.

Источник

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

Источник