Матрица является одним из важнейших элементов фотоаппарата. Именно она отвечает за преобразование света в цифровой сигнал, который затем превращается в изображение. Многие современные цифровые камеры используют технологию CMOS (или КМОП — комплементарную структуру металл-оксид-полупроводника), но не все эти матрицы одинаково эффективны. К плюсам CMOS сенсора можно отнести энергоэффективность и контроль температуры. Это позволило открыть пользователям новые возможности записи видео в 4К.
Но одним типом датчика дело не ограничивается. Если вы покупаете беззеркальную камеру, то вы заметите, что они используют другие архитектуры, которые снимают по-своему и имеют широкий ценовой разброс. Разобраться во всём этом многообразии поможет эта статья.
Архитектурные различия
Большинство цифровых сенсоров построены по схожему принципу, несмотря на различия в конструкции чипа. Сенсор состоит из светочувствительных ячеек и фильтра с повторяющимся узором из красных, зелёных и синих квадратов, образующих цвет. Большинство сенсоров используют цветную матричную решётку 4×4 (CFA), называемую фильтром Байера (Bayer), но некоторые модели Fujifilm используют более сложную 6×6 X-Trans CFA.
Наряду с этим, вы можете встретить Quad Bayer сенсоры, распространённые в смартфонах с огромным количеством пикселей, а также в экшен-камерах и дронах. Эти сенсоры имеют высокое разрешение – обычно 48 Мп, но выдают изображения с более низким разрешением благодаря технологии объединения пикселей. Эта функция также появляется в сенсорах камер со сменными объективами (ILC). Например, Leica M11 использует объединение пикселей для съёмки фотографий с разрешением 60 Мп, 36 Мп или 18 Мп.
CMOS-чипы отличаются от ранних CCD-матриц (прибора с зарядовой связью) несколькими важными аспектами. Например, CMOS-чипы считывают данные попиксельно с помощью так называемого электронного затвора с развёрткой, в отличие от CCD, который считывает все данные сразу. Однако существуют некоторые технические преимущества, благодаря которым фотоиндустрия отказалась от CCD-матриц. Например, CMOS-чипы имеют встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а не отдельный блок. Это помогает чипам потреблять меньше энергии и генерировать меньше тепла, что положительно влияет на качество изображений при слабом освещении и время автономной работы.
CMOS, BSI CMOS, Stacked CMOS — сравнение разных сенсоров
Существует четыре основных типа CMOS-сенсоров. Базовая конструкция CMOS до сих пор используется в камерах начального и среднего уровня, которые получают новейшие функции на пару поколений позже, чем топовые модели.
CMOS с задней подсветкой (BSI) — по концепции похож на обычный CMOS, но расположение компонентов отличается. Проще говоря, светочувствительные элементы расположены ближе к поверхности, а скорость построчного считывания выше. Это изменение даёт практические преимущества: в целом, BSI CMOS примерно на одну ступень диафрагмы лучше по уровню шума. Это означает, что BSI CMOS показывает столько же шума на ISO 12800, сколько аналогичный CMOS-чип на ISO 6400. Это также означает, что камеры APS-C и Micro Four Thirds с BSI-чипами могут конкурировать с полнокадровыми CMOS-камерами. Ниже можно наблюдать разницу между тремя датчиками, которые используются в фотоаппаратах.
Более быстрая скорость считывания делает возможным полностью электронный затвор для моделей BSI CMOS, а также обеспечивает более быстрый автофокус во время серийной съёмки. Fujifilm X-T3 стала первой потребительской камерой, по-настоящему воспользовавшейся этими преимуществами. Она дебютировала в 2018 году и предложила фокусировку при 20 кадрах в секунду с полностью электронным затвором. Чтобы добиться большей «статичности» с большинством BSI CMOS камер, вам по-прежнему пригодится механический затвор, но бесшумный электронный затвор поможет при портретной съёмке и других неподвижных объектов.
Stacked CMOS-чипы ещё больше улучшают концепцию BSI CMOS. Они располагают компоненты в аналогичной компоновке (вертикально друг над другом в виде стопки), и предлагают встраиваемый процессор для обработки изображения вместе со сверхбыстрой DRAM-памятью на одной схеме. Поскольку компоненты располагаются вертикально, а не горизонтально, это позволяет увеличить количество транзисторов на кристалле, что приводит к увеличению скорости считывания данных.
Первая массовая камера по технологии Stacked CMOS стала Sony a9 2019 года. Она произвела фурор, предложив бесперебойную съёмку фотографий со скоростью 20 кадров в секунду без потери объекта из кадра.
Поскольку эта технология делает возможным такой тип фотографии, Stacked CMOS-чипы стали фактическим стандартом для высокопроизводительных ILC-камер.
Некоторые камеры на Stacked CMOS достигают 30 кадров в секунду (Sony a1 и Canon EOS R3), а Nikon Z 9 делает 11-мегапиксельные фото со скоростью 120 кадров в секунду благодаря своему многослойному чипу и двум процессорам. Сверхбыстрое считывание и вычислительная мощность также положительно сказывается на автофокусе. Stacked CMOS уже превосходят BSI CMOS-сенсоры по скорости фокусировки, точности, распознаванию объектов и другим параметрам. Всё это помогает делать серийные фотографии без потерь фокуса.
CMOS-сенсор с глобальным затвором (Global Shutter) предлагает ещё более интересные возможности. Он снимает практически мгновенно, что позволяет поймать идеальный кадр, таким, каким видит его фотограф. Одним фотоаппаратом на таком типе сенсора стала Sony a9 III. В ней реализована поддержка слежения за объектом при 120 кадрах в секунду в полном разрешении. Сюда же стоит отнести мгновенную вспышку со скоростью 1/80 000 секунды, позволяя получить точный кадр. Однако ради мгновенной скорости снимков придётся расплачиваться динамическим диапазоном и уровнем шума. Из-за этого они больше похожи на классические CMOS-чипы, но если вам нужно запечатлеть какое-то динамичное событие, например, марафон или автогонки, то тут однозначно пригодится CMOS с глобальным затвором.
Подводя итоги, можно сказать, что CMOS-чипы используются в большинстве современных цифровых камер. Переход на модель с BSI CMOS-сенсором повышает скорость считывания и улучшает съёмку при слабом освещении. Stacked CMOS-чипы сохраняют высокое качество картинки без потерь объекта из кадра при быстром считывании. А чтобы зафиксировать точный кадр, но немного потерять в качестве изображения, можно воспользоваться глобальным затвором.
CCD, Foveon, монохромные и полноспектральные сенсоры
CCD-сенсоры (Charge-Coupled Device) были стандартом для потребительских камер в нулевые, но в последние годы уступили место CMOS. Этот сенсор представляет собой полупроводниковое устройство, способное преобразовывать свет в электрический сигнал. В контексте фотоаппаратов CCD-сенсоры используются для регистрации светового излучения и создания цифрового изображения. Когда свет попадает на поверхность сенсора, он вызывает выход электронов из материала, создавая электрический заряд. Этот заряд затем измеряется и преобразуется в цифровой сигнал, представляющий уровень освещения в каждом пикселе.
CCD-сенсоры всё ещё используются в некоторых профессиональных и научных камерах благодаря их хорошей чувствительности к свету и качественному изображению, но в современных моделях камер он уже не встречается.
Foveon — это ещё один тип сенсора, используемый исключительно в камерах Sigma X3, Merrill и Quattro. Foveon-чипы записывают цвет иначе, используя три светочувствительных слоя вместо цветного фильтра. Этим камерам не требуется интерполяция для заполнения недостающих цветов. Это значит, что они могут запечатлеть гораздо больше деталей чем вышеупомянутый фильтр Байера с аналогичным количеством пикселей. Но у Foveon существуют и некоторые недостатки: приложения для обработки Raw-файлов не поддерживают файлы со многих камер Foveon, а на фотографиях заметен достаточно сильный шум при средних значениях ISO. На сегодняшний день на рынке существует только одна модель камеры на Foveon — Sigma dp Quattro. Стоит такая камера около 80 тыс. рублей.
Ещё один вариант — монохромные камеры. Leica выпускает несколько специальных моделей, которые полностью отказались от цветного фильтра и снимают исключительно чёрно-белые изображения. M10 Monochrom и Q2 Monochrom стоят солидных денег, но профессионалы своего дела скажут, что эта цена оправдана. Как и Foveon, такие камеры демонстрируют высокую детализацию даже при высоких значениях ISO. Причина здесь кроется именно в отсутствии фильтра Байера. Из-за этого в сенсор попадает в два раза больше света.
Также существуют инфракрасные камеры полного спектра, но найти их в местных магазинах электроники не получится. У потребительских камер есть специальный фильтр на сенсоре, который отсекает невидимый свет. Но такие компании, как MaxMax и KolariVision предлагают специальные камеры, позволяющие наблюдать инфракрасные и ультрафиолетовые волны. Такие камеры отлично подойдут для съёмки футуристичных пейзажей без применения графических редакторов.
