CMOS to pierwsze litery terminu znanego elektronikom: complimentary metal-oxide semiconductor

Transkrypt

1 Matryce CCD i CMOS Na czym polega różnica między tymi rodzajami matryc i które są lepsze? Różnice bardzo łatwo pokazać i objaśnić. Które są lepsze, to już sprawa trochę względna. W tym paragrafie omówimy różnice między matrycami typu CCD i CMOS a w następnych opiszemy budowę i zasady działania każdego z typów. CCD to skrót od pełnej angielskiej nazwy Charge-coupled device i można to przetłumaczyć na urządzenie (device) o sprzężenie (coupled) ładunkowym (charge). Co to oznacza i jak działa taka matryca zostanie opisane niżej. CMOS to pierwsze litery terminu znanego elektronikom: complimentary metal-oxide semiconductor i oznacza pewną technologię wytwarzania elementów półprzewodnikowych. Dla najbardziej nawet zaawansowanego fotografa nazwy nie mają znaczenia. Istotna jest zasada działania obu typów matryc. Na razie omówimy najważniejsze różnice między nimi a przestudiowanie opisów obu typów matryc pozwoli zrozumieć z czego te różnice wynikają. I znowu, dla fotografa, nawet profesjonalisty, ważne są owe różnice i wiedza o tym, która matryca jakie ma możliwości, z punktu widzenia techniki fotografowania.

2 Główne różnice między matrycami CCD i CMOS CCD Nie można odczytać zawartości pojedynczego piksela. Trzeba odczytać zawartość całej matrycy i potem dopiero wybrać interesujący nas piksel. To powoduje, że ich działanie jest dość wolne Matryca ma jeden przetwornik ładunku na napięcie i jeden przetwornik A/D (napięcie na liczbę). Zawartość wszystkich pikseli jest odczytywana po kolei przez ten układ. Ze względu na swą budowę matryce CCD pobierają więcej mocy w czasie pracy, bardziej się więc grzeją i szybciej zużywa się bateria lub akumulator zasilający aparat z tą matrycą. Większy współczynnik wypełnienia, czyli stosunek powierzchni pikseli do powierzchni całej matrycy. Mniejsze szumy. CMOS Można odczytywać zawartość dowolnej liczby pikseli i w dowolnej kolejności, tak jak odczytuje się zawartość pamięci komputerowych. Z tego względu działają znacznie szybciej. Każdy piksel matrycy CMOS ma swój przetwornik ładunek na napięcie i układ odczytujący zawartość pikseli odczytuje już napięcie wytworzone padającym na ten piksel światłem. W bardzo zaawansowanych matrycach CMOS każdy piksel ma swój przetwornik A/D, co ułatwia i przyspiesza dalszą obróbkę obrazu. Zużywają mniej mocy elektrycznej, co pozwala wykonać więcej zdjęć z raz naładowanego akumulatora. Mniejszy współczynnik wypełnienia, gdyż część powierzchni matryc zajmują obwody przetwarzające ładunek na napięcie. Większe szumy. Dla fotografa najistotniejsza jest wiedza o tym, że matryca CMOS działa szybciej, co oznacza szybsze działanie całego aparatu fotograficznego. Wiele korzyści płynie też ze sposobu odczytu - zawartość każdego piksela indywidualnie. Te korzyści mogą być wykorzystane jedynie przez

3 projektantów aparatów i zespoły opracowujące programy sterujące działaniem aparatu, tzw. firmowe. Końcowy użytkownik zyskuje na tym ale sam nie może decydować o sposobie wykorzystania zalet matrycy CMOS.

4 Matryca CCD - budowa i działanie Wstęp, który możecie pominąć, jeżeli okaże się za trudny Wyjaśnienie budowy i działania matryc światłoczułych zarówno typu CCD jak j CMOS wymaga przypomnienie elementarnych wiadomości o budowie materii. Każda materia zbudowana jest z atomów. Atomy pierwiastków zbudowane są z dodatniego jądra i ujemnych elektronów. Ładunki elektryczne występują jako wielokrotność ładunku elementarnego, czyli najmniejszej jednostki ładunku, jaka związana jest z elektronem. Ładunek ten oznaczamy -e. Ładunek elementarny dodatni oznaczamy +e. W normalnych warunkach liczba ładunków dodatnich w jądrze atomowym jest równa liczbie ładunków ujemnych na elektronach otaczających jądro, czyli atom jako taki jest neutralny. Jeżeli od atomu oderwiemy jeden elektron, to atom pozbawiony tego jednego ujemnego ładunku ma jest naładowany dodatni. Atomy "umocowane" są w strukturze danej materii i nie mogą się łatwo przemieszczać. Elektrony oderwane od atomów mają dość dużą swobodę poruszania się w obrębie materii. Materiałem, z którego zbudowane są matryca CCD i CMOS jest krystaliczny krzem, pierwiastek o symbolu Si. Kryształ krzemu jest przeźroczysty a padające ne niego światło może z atomów krzemu wybijać elektrony, tworząc dodatni atom (zwany jonem) i swobodny elektron oczywiście o ładunku ujemnym.

5 I jeszcze trochę fizyki światła. Otóż wiązka światła składa się z tzw. fotonów, czyli elementarnych ilości światła. Foton to jak by najmniejsza porcja światła, która porusza się w przestrzeni tworząc wiązkę poruszającą się zgodnie ze znanymi prawami fizyki. Co z tego wszystkiego musimy zapamiętać, by zrozumieć działanie matryc światłoczułych? Kryształ krzemu zbudowany jest z atomów, z których światło może wybijać elektrony, tworząc pary: dodatni jon i ujemny elektron. Wiązka światła składa się z "porcji" zwanych fotonami. Budowa matrycy CCD Na załączonym poniżej rysunku jest przedstawiony uproszczony schemat matrycy CCD. Rysunek pozwala też na objaśnienie zasady działania tej matrycy.

6

7 Uproszczony schemat matrycy CCD Matryca to płytka z kryształu krzemu odpowiednio obrobiona. Górna część rysunku przedstawia widok z góry matrycy. Jasno błękitne kwadraciki to pojedyncze piksele, odizolowane elektrycznie od siebie. Światło padając na matrycę wybija w poszczególnych pikselach elektrony, których liczba jest proporcjonalna do natężenie światła padającego na dany piksel. Na piksel możemy patrzeć jak na pojemnik, w którym te elektrony się gromadzą. Obrazuje to schemat piksela w prawym górnym rogu rysunku. W dolnej części rysunku mamy przekrój poprzeczny matrycy. Zależnie od natężenie padającego światła i czasu trwania tego "naświetlania" matrycy w poszczególnych pikselach zgromadzą się różne ilości ładunków elektrycznych. Ich rozkład pomiędzy pikselami odzwierciedla natężenie światła, które z kolei jest "obrazem" tego co "widzi" obiektyw aparatu. Na razie nie mówimy nic o kolorach. Sama matryca CCD (ale i CMOS) jest jak film czarno - biały. Rejestruje tylko natężenie światła a nie jego kolory. Odczytywanie zawartości matrycy CCD Pierwszym etapem tworzenia zdjęcia jest odczytanie zawartości wszystkich pikseli. W matrycy typu CCD odbywa się to tak. Odpowiednie układy elektroniczne przenoszą ładunki z najniższego (na tym rysunku) rzędu pikseli do czegoś w rodzaju rury (zielony szeroki pasek na dole matrycy), którą ładunki przesuwane są do układów elektronicznych (ten duży niebieski trójkąt), które zamieniają ładunek z każdego piksela na napięcie elektryczne napięcie zaś zamieniają na liczbę (przetwornik analogowo cyfrowy), oznaczany w elektronice symbolem A/D. liczby te zapisywane są w wewnętrznej pamięci procesora aparatu (nie mylić z pamięcią wkładaną i wyjmowaną z aparatu, na której zapisywane są gotowe już zdjęcia).

8 Po odczytaniu zawartości pierwszego rzędu pikseli ładunki z wyższych rzędów są przesuwane o jeden piksel w dół i proces odczytu jest powtarzany aż do odczytania zawartości wszystkich pikseli. do każdej liczby reprezentującej oświetlenie pojedynczego piksela przyporządkowany jest numer tego piksela, który jednoznacznie określa jego położenie w matrycy. w tej pamięci wewnętrznej zapisywane jest też wiele innych informacji związanych z wykonanym właśnie zdjęciem ale pomijamy to chwilowo, by nie komplikować opisu. Z przytoczonego tu opisu wynika to, co napisaliśmy na początku tego paragrafu. Zawartość pikslei w matrycy CCD odczytuje się sekwencyjnie rząd po rzędzie. Ładunki w tym procesie są przesuwane w kierunku szyny (zielonej) odczytującej i kierującej je do dalszej obróbki. To co otrzymujemy po zakończeniu opisanego tu procesu odczytu to tzw. obraz surowy, ogólnie nazywany RAW (czytaj ro). Aparaty wyższej klasy, ale nawet kompakty, pozwalają zapisać taki obraz w pamięci zewnętrznej. Plik taki nazywany jest plikiem surowym lub plikiem RAW. W aparatach niższej klasy dane "surowe" od razu poddawane są obróbce w aparacie fotograficznym i do pamięci zewnętrznej zapisywane jest gotowe zdjęcie w formacie JPEG. Takie zdjęcie można potem nieco korygować w komputerze odpowiednim programem ale możliwości tych korekcji są nieporównanie mniejsze niż w przypadku zapisanego pliku RAW. Jednak pliki RAW są bardzo duże (około 3 do 5x większe) od wynikowych JPEG-ów a do tego "przerobienie" ich na zdjęcie wymaga sporo czasu, umiejętności i odpowiednich programów.

9 Budowa i działanie matrycy typu CMOS Matryca CMOS działa na tej samej zasadzie co matryca CCD. Światło padające na kryształ krzemu tworzący piksele generuje w nich ładunki elektryczne. A więc pojedynczy piksel w matrycach CCD i CMOS jest praktycznie taki sam. Dopiero "otoczenie" piksela jest w matrycy CMOS zupełnie inne. Jak już pisaliśmy przy omawianiu obu typów matryc, w matrycach CMOS każdy piksel ma swój przetwornik ładunku na napięcie, każdy piksel ma swój "adres" i jego zawartość może być odczytana w dowolnej kolejności. Obwody elektryczne zintegrowane z każdym pikselem zajmują miejsce na matrycy i dlatego współczynnik wypełnienia, czyli stosunek sumy powierzchni wszystkich pikseli do powierzchni całej matrycy jest mniejszy dla matryc typu CMOS. Efektem tego jest nieco mniejsza czułość matryc CMOS. Część światła wpadające przez obiektyw pada na elementy elektroniki wbudowane w matrycę i nie jest zamieniana na ładunki elektryczne. Istnienie przy każdym pikselu przetwornika ładunek/napięcie powoduje, że współczynnik zamiany ładunku na napięcie jest minimalnie różny dla różnych pikseli. Daje to pewne zróżnicowanie czułości na światło poszczególnych pikseli. Ten mankament może być łatwo skompensowany poprzez wycechowanie matrycy po jej wyprodukowaniu i uwzględnienie różnic między pikselami w programie aparatu cyfrowego. Uproszczony schemat matrycy fotograficznej typu CMOS pokazany jest poniżej.

10

11 Schematyczne przedstawienie matrycy CMOS Porównując schemat matrycy CMOS ze schematem matrycy CCD widzimy, że puste powierzchnie między pikselami są w matryc CMOS znacznie większe. Wynika to z konieczności umieszczenia obok pikseli obwodów (zielone trójkąciki) przetwarzających ładunek na napięcie zintegrowanych ze wzmacniaczem tego napięcia. Istnienie szyn adresowych wyboru kolumny i wiersza pozwala programowo odczytywać zawartość dowolnych pikseli w dowolnej kolejności. Ułatwia to bardzo tzw. zblokowywanie pikseli, czy rejestrowanie zdjęcia na części powierzchni matrycy. Przewaga zalet matryc CMOS nad zaletami matryc CCD powoduje, że w aparatach wyższej klasy montuje się matryce CMOS, chociaż są wyjątki. W specjalnych kamerach używanych np. a astronomii montowane są matryce CCD, jako mające większą czułość i mniejsze szumy, czyli zakłócenia obrazu wynikające z ruchów termicznych atomów i molekuł. Tyle tylko, że matryce CCD w takich aparatach są chłodzone do bardzo niskich temperatur, np. temperatury ciekłego azotu, to jet do około -196 C, albo 77 K, jeżeli ktoś woli skalę bezwzględną temperatur. Na tym zakończymy krótki opis matryc CMOS, gdyż dla fotografa, nawet profesjonalisty, nie jest potrzebna znajomość większej liczby szczegółów technicznych. Spoglądając na dane techniczne matryc oferowanych przez producentów można dostać zawrotu głowy od ilości podawanych tam parametrów. Są jednak one potrzebne wyłącznie konstruktorom cyfrowych aparatów fotograficznych jak i programistom przygotowującym tzw. firmware, czyli programy sterujące pracą aparatu.

12 Matryca CMOS "Exmor R" W sierpniu 2009 Sony wprowadził na rynek nowy typ matrycy CMOS i nazwał ją Exmor R. Tradycyjna matryca CMOS ma w swojej górnej warstwie elementy elektroniki zamieniające zgromadzony w pikselu ładunek na napięcie. To powoduje, że powierzchnia czynna piksela jest częściowo zasłonięta tymi obwodami. Dokładniej mówiąc, to przewody naniesiona na matrycy zasłaniają powierzchnię czynną piksela. Rozwiązanie wprowadzone przez firmę Sony, pokazane na stronie portalu dpreview, polega na umieszczeniu na wierzchu matrycy elementu czułego na światło a dopiero pod nim przewodów i obwodów elektrycznych. Takie rozwiązanie poprawia czułość pojedynczego piksela, która zależy od jego powierzchni. Matrycę taką zastosowano w aparacie cyfrowym Sony Cyber-shot DSC-WX1. Matrycę i aparat z taka matrycą Sony intensywnie reklamuje i tu "wpadka". Jako przykład jakości zdjęcia wykonanego aparatem z matrycą "Exmor R" porównano je ze zdjęciem wysymulowanym, tzn. zdjęcie wykonane aparatem z nowym typem matrycy "obrobiono" tak, by symulowało zdjęcie wykonane aparatem z matrycą CMOS starego typu. Zainteresowanych odsyłamy na stronę gizmodo, na której są pokazane owe zdjęcia i jest też druzgocąca krytyka Internautów. Konkluzja Internautów jest taka: można użyć najbardziej podejrzanej reklamy, byle tylko kogoś naciągnąć na kupno Stąd też nasza rada. Na każdą reklamę patrzmy spokojnie i z niedowierzaniem. Nie dajmy się zbyt łatwo nabierać.

13 Matryca CMOS vs EXMOR CCD i CMOS to podstawowe typy matryc światłoczułych stosowanych w aparatach cyfrowych. Oba typy matryc wykorzystują ten sam efekt generowania ładunków elektrycznych w krysztale krzemu (Si) przez światło. Różnią się jedynie technologią wykonania. Mówiąc o technologii wykonania należy pamiętać o małych wymiarach pojedynczego piksela. Zależnie od modelu aparatu cyfrowego - kompaktowy, czy lustrzanka pełnowymiarowa - piksel jest kwadratem o boku od 2 do 5 mikrometrów. 1 mikrometr to 1/ część metra, czyli 1/1000 część milimetra. Matryca ma od kilku do kilkudziesięciu milionów takich pikseli, wszystkie muszą mieć połączenie elektryczne z urządzeniami sterującymi ich pracą i odczytującymi zgromadzone na nich ładunki elektryczne. Można sobie wyobrazić, że zbudowanie takiej matrycy to nadzwyczaj trudne zadanie. Z tego też powodu raz opracowana technologia wytwarzania matryc jest stosowana bardzo długo, gdyż opracowanie nowej technologii jest nadzwyczaj drogie i pozwalają sobie na to tylko potężne koncerny. Firma Sony opracowała nowy typ matrycy, nazwany CMOS Exmor R. Matryca CMOS Exmor R jest modyfikacją matrycy CMOS

14 A na czym polega modyfikacja objaśnimy prezentując schemat przekroju tych matryc. Jak widać z tego rysunku w matrycy CMOS Exmor R zamieniono miejscami warstwę w której znajdują się połączenia światłoczułych elementów z warstwą, w której znajdują się te światłoczułe elementy. Co to daje? W matrycy CMOS światło wpadające przez obiektyw, zanim dotrze do światłoczułych elementów matrycy przechodzi przez

15 o mikrosoczewki, o filtr Bayera, o warstwę matrycy z przewodami metalowymi i w tej warstwie następują największe straty natężenia światła poprzez odbicia i rozproszenie promieni na metalowych przewodnikach obecnych w tej warstwie. W matrycach CMOS Exmor światło dociera do elementów światłoczułych zaraz po przejściu przez mikrosoczewki i filtr Bayera. Nie ma więc tłumienia natężenia w warstwie z przewodnikami. Matryca CMOS Exmor R ma więc większą czułość od matrycy CMOS Ktoś powie - to takie oczywiste i proste, czemu nie produkuje się tylko takich matryc? Idea matrycy Exmor R jest prosta ale ze względu na mikroskopijne wymiary pikseli, opracowanie nowej technologii produkcji matrycy jest bardzo czasochłonne i kosztowne.

16 Matryca Super CDD EXR firmy Fujifilm Znana ze swych cyfrowych aparatów fotograficznych firma opracowała nowy rodzaj matrycy - Super CCD EXR, która ma być pod wieloma względami doskonalsza od dotychczas stosowanych w fotografii. Pierwsze matryce tego typu mają 12 MP i wielkość 1/1.6''. Matryca CCD EXR różni się od "konwencjonalnej" matrycy typu CCD innym układem filtrów kolorowych na pikselach i innym systemem odczytu danych. Matryca CCD EXR może pracować w jednym z trzech trybów dużej rozdzielczości dużej dynamiki dużej czułości i niskich szumów. W aparacie fotograficznym program może wybierać tryb pracy zależnie od okoliczności i warunków oświetleniowych. Budowę i zasadę działania tej matrycy można przedstawić w kilku zdaniach. Tryb dużej czułości i niskich szumów Filtr Bayera jest tak "przebudowany", że zawsze dwa sąsiednie piksele mają filtr tego samego koloru. To pozwala na tzw. binning, czyli odczytywanie ładunku z dwóch pikseli jako z jednego punktu obrazu. Wiadomo, że szumy matrycy są tym mniejsze im większa jest powierzchnia pojedynczego piksela, a więc odczytywanie jednoczesne dwóch pikseli zmniejsza szumy i

17 pozwala uzyskać lepsze zdjęcia w słabym świetle. W trybie zwiększonej czułości matryca ma rozdzielczość 6 MP ale nie występuje przekłamanie kolorów gdyż odczytywane są parami piksele pokryte filtrem o tym samym kolorze. Tryb dużej dynamiki odczytu W czasie trwania naświetlania matrycy, czyli gdy migawka jest otwarta, co drugi piksel jest odczytywany po czasie znacznie krótszym od czasu ekspozycji. Jest to równoważne krótszemu naświetlaniu co drugiego piksela. W ten sposób unika się prześwietlenia tych pikseli nawet w bardzo silnym świetle. Pozwala to na poprawne zarejestrowanie zarówno obszarów słabo oświetlonych jak i tych bardzo mocno oświetlonych. W konsekwencji podnosi to dynamikę odczytu. Wg FujiFilm dynamika może być większa do 8x. Tryb dużej rozdzielczości W tym trybie matryca wykorzystywana jest "normalnie". 12MP rejestruje obraz i jedynie algorytm odtwarzania kolorów (demozaikowania) jest inny niż dla matrycy z klasycznym filtrem Bayera,

18 Zastosowania FujiFilm zastosował te matryce w cyfrowych aparatach kompaktowych i nie przewiduje stosowania tej technologii do produkcji matryc większych, stosowanych w lustrzankach. Te duże matryce mają znacznie większą powierzchnię pojedynczego piksela i zabiegi technologiczne opisane tu nie są w ich przypadku potrzebna. Układ filtrów w matrycy konwencjonalnej Układ filtrów w matrycy EXR CCD

19 Matryca MOS vs CMOS i CCD Obok matryc typu CCD i CMOS w aparatach pojawił się typ zwany MOS, opracowany przez firmę Panasonic. Dokładne rozwiązanie technologiczne jest tajemnicą ale idea działania i budowy matryc MOS jest opisana dość prosto. Można, w pewnym uproszczeniu opisać matrycę MOS tak: Matryca MOS to matryca zbudowana podobnie do CCD ale odczyt danych z niej jest taki, jak w matrycach CMOS. Objaśnimy to w punktach. Piksel matrycy CCD ma także około 50% powierzchni czynnej ale odczyt ładunków wygenerowanych światłem jest dość wolny. Matryca CCD potrzebuje więcej energii elektrycznej do działania niż matryca CMOS. Piksel matryc CMOS ma jedynie około 35% powierzchni czynnej ale odczyt zawartości matrycy jest szybszy a matryca zużywa mniej energii. Pojedynczy piksel matryc MOS ma około 50% powierzchni czynnej a więc jego czułość jest taka jak matrycy CCD ale odczyt zawartości pikseli jest zbliżony do metody odczytu matrycy CMOS a więc szybki. Sama matryca zużywa mniej energii niż CCD.

20 Porównanie matryc CCD i CMOS Podstawowym elementem cyfrowego aparatu fotograficznego, rejestrującym obraz, jest matryca światłoczuła, która zastąpiła film używany w aparatach analogowych. Istnieją DWA typy matryc ale idea ich działania jest taka sama dla obu typów zamiana światła na ładunki elektryczne, przy czym ilość ładunków jest wprost proporcjonalna do natężenia i czasu padania światła na matrycę. Matryce CCD i CMOS Wspomniane dwa typy matryc to Matryca CCD - Charge-Coupled Device. Objaśnienie tego terminu nic nam nie da, więc pozostajemy przy powszechnie używanym skrócie CCD. Matryca CMOS - Complematary Metal-Oxide Semiconductor. Wyjaśnienie tej nazwy wymaga głębokiej wiedzy w dziedzinie elektroniki, więc też darujemy je sobie. Matryce, niezależnie od typu, są czułe jedynie na ilość padającego światła, nie są czułe na kolory. Sama matryca, bez dodatkowych elementów, jest "czarno-biała", tak jak film czarnobiały. Uzyskanie zdjęcia kolorowego wymaga wielu dodatków do matrycy i odpowiedniego oprogramowania w aparacie.

21 Matryce CCD jak i CMOS doczekały się dwóch rodzajów modyfikacji. Jedna z modyfikacji prowadzi do zwiększenia czułości matrycy. Druga do poprawienia jakości odtwarzania kolorów. Zasada zamiany światła na ładunek elektryczny w obu typach matryc jest taka sama. Różnią się te matryce metodą odczytywania tego ładunku i jego zamianą na liczbę, która reprezentuje natężenie światła. Zagadnienia te są opisane szczegółowo w rozdziale Fotoporadnika MATRYCE dlatego tu skupimy się na porównaniu ich własności z punktu widzenia fotografa. Który typ matryc jest lepszy? Na to pytanie nie ma jednoznacznej odpowiedzi. To tak, jak z pytaniem, który silnik samochodowy jest lepszy - diesel, czy benzynowy. Oba mają zalety i wady i oba, w miarę ich rozwoju, stają się coraz doskonalsze a różnice między nimi, istniejące 30 lat temu zanikają. Postaramy się jednak zrobić jakieś porównanie matryc CCD i CMOS oraz porównać modyfikacje tych matryc w obrębie jednego typu. Wyliczymy podstawowe modyfikacje. Fotografa nie tyle interesują własności samych matryc, co parametry aparatów fotograficznych z tymi matrycami i na tym skupiny nasze porównania.

22 Matryca CCD 1. Klasyczna 2. CCD EXR Matryca CMOS 1. Klasyczna 2. CMOS Exmor Matryce CCD i CMOS, nazwane tu klasycznymi, są opisane w rozdziale Matryca CCD a CMOS. Tam też są wyliczone istotne różnice między nimi. Przypomnijmy najważniejsze z nich. Matryce CCD są czulsze od matryc CMOS, przy złożeniu tej samej liczbie pikseli na centymetr kwadratowy, czyli gdy mają pojedyncze piksele takiej samej wielkości. A więc aparaty z matrycami CCD będą lepiej nadawać się do zdjęć przy słabym świetle. Matryce CCD są wolniejsze (dłużej trwa jej odczyt) od matryc CMOS. Dlatego aparaty z matrycami CMOS mogą robić więcej zdjęć w ciągu sekundy w trybie zdjęć seryjnych. Matryce CCD EXR wprowadzone przez firmę Fujifilm to matryce typu CCD ale w miejsce pojedynczego piksela w klasycznej matrycy CCD są umieszczone dwa piksele o różnej wielkości. Dość skomplikowany program odczytujący te piksele pozwala na rejestracje zdjęć o dużej dynamice jasności. Innymi słowy, możemy względnie prawidłowo zarejestrować kadr, w którym mamy bardzo jasne i bardzo ciemne obszary. Przykładowe zdjęcia prezentowane przez producenta aparatów z matrycami CCD EXR są zdecydowanie ładniejsze niż z aparatów z "klasyczną" matrycą CCD ale... Wiadomo jak to jest z reklamą. Trudno więc twierdzić z całą stanowczością, że matryce CCD EXR są zdecydowanie lepsze od zwykłych CCD. Pewnym mankamentem aparatów z matrycą CCD EXR jest to, że przetwarzanie ładunków w niej zgromadzonych na obraz wykonywane jest wg zupełnie innych algorytmów (przepisów) niż w aparatach z

23 matrycami "klasycznymi". Dlatego aparaty z matrycami CCD EXR nie mają możliwości zapisywania pliko RAW", gdyż nie ma zewnętrznych programów do ich obróbki. A naprawdę zaawansowany fotoamator zapisuje swe zdjęcia w plikach RAW, gdyż daje mu to ogromne możliwości ich obróbki w komputerze. Matryce CMOS Exmor są bardzo istotną modyfikacją "zwykłych" CMOS. Przypomnimy: piksel "zwykłej" matrycy CMOS ma na swej powierzchni naniesione elementy elektroniki odczytujące ładunek i zamieniające go na napięcie. Tym samym część jego powierzchni jest zasłonięta przed padającym światłem a to oznacza mniejszą czułość. W matrycy CMOS Exmor elementy elektroniki są naniesione na spodzie piksela a więc nie zasłaniają padającego światła. W ten sposób matryca CMOS Exmor może mieć czułość równą matrycy CCD przy zachowaniu wszelkich zalet matryc CMOS. Aparaty fotograficzne z matrycą CMOS Exmor mają wysoką czułość i dużą szybkość wykonywania zdjęć seryjnych. Mogą też rejestrować filmiki z bardzo dużą liczbą klatek w ciągu sekundy. Matryce CMOS z elementami elektroniki naniesionym na spodzie zwane są też jako CMOS BSI (Backside illumination), czyli oświetlanymi od dołu. Nowa generacja matryc CMOS ma już czułość porównywalną z matrycami CCD przy zachowaniu szybkości i innych parametrów matryc CMOS. Należy jednak pamiętać, że o jakości zdjęć decyduje nie typ matrycy a gęstość piksel na niej umieszczonych. I dlatego aparaty z matrycami o dużych rozmiarach pozwalają na wykonanie zdjęć wyższej jakości. Wiąże się to również z faktem, że aparaty o większej matrycy, głównie lustrzanki, mają lepszej jakości obiektywy oraz bardziej zaawansowane oprogramowania wewnętrzne, przetwarzające ładunek zgromadzony w wyniku naświetlenia matrycy na obraz, który

24 oglądamy na monitorze aparatu a następnie na ekranie komputera, no i na odbitce zrobionej w Fotolabie.

25 MATRYCA FOVEON Matryca Foveon X3 jest najdoskonalszą matrycą stosowaną obecnie w fotografii cyfrowej. Matryca tego typu rejestruje natężenie 3 podstawowych kolorów (RGB) w każdym punkcie, w odróżnieniu od zwykłych matryc CCD, czy CMOS, które w jednym punkcie rejestrują jeden kolor a dopiero program zapisany w pamięci ROM aparatu generuje kolor z kilku sąsiednich pikseli. Analogicznie jak film kolorowy w aparacie analogowym, matryca Foveon X3 posiada 3 warstwy światłoczułe, każda rejestrująca jeden kolor. Warstwy te ułożone są, licząc w kolejności od obiektywu 1. Elementy rejestrujące kolor niebieski, 2. Elementy rejestrujące kolor zielony, 3. Elementy rejestrujące kolor czerwony. Warstwy elementów światłoczułych są "zatopione" w krzemie i wykorzystane są własności zależności przenikalności krzemu od długości fali świetlnej. Zależność ta wygląda tak Światło niebieskie - najkrótsze fale, najmniejsza przenikliwość przez krzem, Światło zielone - nieco większa długość fali, nieco większa przenikliwość przez krzem, Światło czerwone - najdłuższe fale, największa przenikliwość przez krzem. A więc światło koloru niebieskiego zatrzymuje się na pierwszej warstwie pikseli i zarejestrowane w niej sygnały są proporcjonalne do natężenie koloru niebieskiego w fotografowanym obiekcie. Światło koloru zielonego dociera nieco głębiej i druga warstwa pikseli rejestruje jego natężenie.

26 Światło czerwone dociera najgłębiej i jest rejestrowane przez 3-cią, najgłębiej położoną warstwę pikseli. Warto obejrzeć bardzo ładne rysunki pokazujące budowę matrycy typu Foveon X3 Faktycznie matryca Foveon X3 ma 3 razy tyle elementów światłoczułych, co zwykła matryca o tej samej rozdzielczości. Na każdy rejestrowany przez matrycę punkt przypadają bowiem 3 piksele, każdy w innej warstwie. Obrazują to rysunki warstw pikseli na kolejnej stronie cytowanej już strony portalu FOEVON. Tak więc matryca Foveon X3 o rozdzielczości 640x480 punktów ma 3x(640x480) pikseli. Należy podkreślić, że elementy w kolejnych warstwach nie są czułe na różne kolory, tylko konstrukcja matrycy powoduje, że do kolejnych warstw docierają różne kolory.

27

28 KOLORY W APARACIE CYFROWYM Opisujemy tu nieco trudniejsze zagadnienia ale informacje te są bardzo istotne dla pełnego wykorzystania możliwości aparatu cyfrowego. Polecamy go więc tym, którzy swoim aparatem, nawet najprostszym, chcą robić zdjęcia o pięknych, naturalnych kolorach. Matryca światłoczuła jest czarno - biała Tak, matryca światłoczuła w aparacie cyfrowym rejestruje jedynie intensywność padającego na nią światła i nie rozróżnia kolorów. To pewnie wielu Czytelników zdziwiło, ale tak jest. A skąd kolory na zdjęciach zrobionych aparatem cyfrowym? Kolory tworzy układ filtrów i odpowiednio zaprogramowany procesor, który jest nieodłącznym elementem aparatu cyfrowego. Układ filtrów optycznych Cała matryca przykryta jest "szachownicą" mikroskopijnych filtrów, jeden nad każdym elementem światłoczułym. Schemat rozmieszczenia kolorów podany jest na Rys.1.

29 przykrywającego matrycę światłoczułą. Rys.1. Fragment filtru

30 Trzy podstawowe kolory, czerwony, zielony i niebieski ułożone są tak, że jeden kolor przykrywa jeden piksel. A więc poszczególne piksele rejestrują natężenie światła tego koloru, co kolor filtra, którym są "przykryte". Dla przypomnienia - filtr (dobrej jakości) przepuszcza tylko światło "swojego" koloru. Mieszanie kolorów przez procesor Z optyki ( a i z życia codziennego) wiadomo, że z tych trzech kolorów można "zbudować" dowolny inny, poprzez ich "pomieszanie" w odpowiedniej proporcji. Wiedzą to również dzieci bawiące się farbkami wodnymi. W oparciu o tę zasadę procesor aparatu fotograficznego, odpowiednio zaprogramowany, "odtwarza" barwy fotografowanego obiektu. Filtr kolorowy Bayer'a Z Rys. 1 wynika, że liczba elementów zielonych jest 2x większa od liczby elementów czerwonych a także 2x większa od liczby elementów niebieskich. To jest konsekwencją faktu, że matryca ma "naśladować" własności oka ludzkiego a nasze oko jest bardziej czułe na kolor zielony a więc i matryca powinna być bardziej czuła na ten kolor. Prześledzimy teraz jak powstaje kolorowy obraz dowolnego punktu odwzorowującego fotografowany obiekt.

31 Procesor tworzy kolory Procesor wczytuje natężenie światła padające na 9 punktów w układzie 3 x 3 piksele i wiedząc, jaki kolor odpowiada każdemu z natężeń, "miesza" te kolory w takiej proporcji, tworząc kolor wypadkowy. Kolor ten zapisuje w pamięci aparatu wraz ze współrzędnymi punktu dla którego ten kolor został wyznaczony. W pamięci aparatu, tak jak w pamięci komputera, każdemu kolorowi może być przypisany numer a nie jego nazwa. Te 9 pikseli, z których procesor wyznacza wypadkowy kolor, zaznaczone są na Rys.1 przerywaną linią koloru jasno niebieskiego. Obliczony kolor wypadkowy jest po prostu średnim kolorem światła padającego na powierzchnię tych 9 pikseli i przypisany jest do położenia środkowego piksela w tym kwadracie, oznaczonego nr 1. Następnie procesor wczytuje natężenie światła kolejnych 9 pikseli, "przesuwając" ramkę o jeden piksel w prawo. Obliczony kolor wypadkowy przypisuje do położenia odpowiadającego pikselowi oznaczonemu nr 2. Przesuwając odczytywanie kolorów o jeden piksel w prawo dochodzimy do punktu odpowiadającemu przedostatniemu pikselowi w linii (u nas to piksel nr 10). Wtedy zaczyna się odczytywanie o jedną linię niżej ( na Rys.1 dla piksela nr 11) i tak aż do końca matrycy.

32 Stopień wykorzystania pikseli matrycy Łatwo zauważyć, że procesor nie określi średniego koloru dla punktów odpowiadających pikselom leżącym na brzegu matrycy. Matryca 5,0 MP ma około 10 tyś pikseli "brzegowych", ale to stanowi zaledwie 0,2% liczby wszystkich pikseli i nie ma praktycznie żadnego wpływu na ostateczną rozdzielczość wyliczoną dla 5,0MP. W tym momencie przypomnimy, że dokładne dane techniczne dla aparatów cyfrowych podają liczbę pikseli i liczbę efektywnych pikseli a więc uwzględniają opisaną tu "utratę" rozdzielczości oraz "ubytki" liczby pikseli przeznaczonych na inne, pomocnicze, cele. Rozdzielczość kolorów odbitki Jak pisaliśmy wyżej, procesor uśrednia kolory dla grup 9 pikseli i z każdej z nich powstaje jeden kolorowy punkt. Wywołane zdjęcie składa się z ogromnej liczby takich kolorowych punktów. Obliczymy, jak dużą powierzchnię przyszłego zdjęcia ma jeden taki punkt. Typowa matryca 5,0 MP pozwala na uzyskanie zdjęcia o rozdzielczości 2592x1944. Rozmiary zdjęcia bardzo dobrej jakości z takiego aparatu to 15x10 cm. Tak więc, wzdłuż dłuższego brzegu zdjęcia, na jeden odwzorowywany punkt przypada 150mm/2592 = 0,0579mm. Analogiczne przeliczenie dla krótszego wymiaru zdjęcia daje 0,051mm. Czyli prostokąt o powierzchni 0,00295mm 2 jest tym najmniejszym elementem odbitki, w obrębie którego nie ma już zróżnicowania kolorów. Mówimy o tysięcznych częściach milimetra kwadratowego, a więc dopiero dobry mikroskop mógłby wykryć "ziarnistość" takiego zdjęcia.

33 Kompensacja bieli Taki system tworzenia kolorów wymaga czegoś w rodzaju cechowania. Procesor musi "wiedzieć", który kolor fotografowanego obiektu jest "naprawdę" biały. Ten proces cechowania, który decyduje o prawdziwości odwzorowania kolorów, będzie opisany osobno w paragrafie o kompensacji bieli. Każdy użytkownik aparatu cyfrowego wie, jak łatwo otrzymać na zdjęciu absolutnie nienaturalne kolory, szczególnie przy sztucznym oświetleniu ale nawet w słoneczny dzień, np. w górach. Aby takich efektów uniknąć trzeba znać nieco "kuchni" powstawania i "cechowania" kolorów. DYNAMIKA MATRYCY Sygnał elektryczny generowany w pikselu matrycy jest wprost proporcjonalny do natężenie padającego na niego światła. Bardziej obrazowo opiszemy to tak. Piksel może wygenerować sygnał elektryczny od około 0 do pewnej maksymalnie wartości, powiedzmy do 100 umownych jednostek. To "około 0" to sygnał generowany przez piksel w ciemności, czyli samoistnie. To inaczej prąd ciemny piksela. Sygnał o wartości 100 jest generowany przy jakimś tam oświetleniu, już bardzo jasnym. Jeżeli ów piksel oświetlimy jeszcze jaśniejszym światłem, to sygnał generowany już nie wzrośnie, bo 100 jednostek to najwyższy możliwy sygnał.

34 Dynamikę piksela i całej matrycy wyrażamy jako stosunek największego możliwego do otrzymania sygnału elektrycznego do najmniejszego, który generuje piksel nie oświetlony. Im większa jest dynamika matrycy, tym lepiej oddane są na jednym zdjęciu obszary ciemne i jasne. Mała dynamika (w starych aparatach) powoduje, że zdjęcie jest "płaskie". Obszary jasne, bardzo jasne i wyjątkowo jasne będą na zdjęciu jednakowo jasne a do tego nie wiele jaśniejsze od obszarów ciemnych. Dla potrzeb zdjęć amatorskich każdy, nawet tani kompakt, ma dynamikę wystarczającą. Ale dla zdjęć artystycznych, czy naukowych, dynamika taniego kompaktu może być zbyt mała. W najnowszych modelach aparatów cyfrowych (produkowanych od roku 2007) niedostatki zdjęcia wynikające z małej dynamiki matrycy są rekompensowane programowym rozjaśnianiem obszarów zbyt ciemnych i przyciemnianiem zbyt jasnych. Nie jest to jednak zwiększaniem dynamiki matrycy a jedynie takie poprawianie wyglądu zdjęcia, by nie było na nim miejsc zupełnie ciemnych i całkowicie białych, bez widocznych w tych obszarach szczegółów fotografowanych obiektów. Istnieją specjalne techniki obróbki komputerowej zdjęć, które pozwalają z kilku zdjęć naświetlonych w różnym stopniu uzyskać jedno, na którym widoczne są szczegóły zarówno w obszarach jasnych, jak i ciemnych. Metoda taka jest opisana w opracowaniu HDR

35 LINIOWOŚĆ MATRYCY To paragraf dla zawansowanych i pragnących dogłębnie poznać zasady działania aparatu cyfrowego. Parę zdań objaśnień. Liniowy czyli wprost proporcjonalny. Np. droga przebyta prze samolot lecący ze stałą prędkością jest liniową funkcją czasu lotu. Liniowość matrycy światłoczułej oznacza, że ładunek elektryczny generowany na pikselu pod wpływem padającego światła jest wprost proporcjonalny do natężenia tego światła. 2x większa ilość światła daje 2x więcej ładunków wytworzonych na pikselu. Tak jest do momentu, kiedy natężenie światła jest tak duże, że generuje maksymalną dla danej matrycy ilość ładunków na pikselu. Dalsze zwiększanie natężenia światła już nie może zwiększyć ilości generowanych ładunków. Mówimy o stanie nasycenia. Matryca powinna nam odwzorowywać fotografowane obiekty w sposób możliwie najbardziej zbliżony do sposobu, w jaki oko ludzkie odbiera widziane sceny. Problem w tym, że oko ludzkie nie jest liniowym detektorem światła. Oko "wzmacnia" słabe oświetlenie a "tłumi" bardzo jasne. Jest detektorem logarytmicznym. Cała elektronika i oprogramowanie aparatu jest nakierowane na taką modyfikację rejestracji natężenia światła przez matryce, by odwzorowywało ono działanie oka ludzkiego.

36 BLOOMING - PRZELEWANIE, ROZJAŚNIANIE Termin anglojęzyczny "blooming", nie doczekał się, wg naszej wiedzy, oficjalnie zatwierdzonego odpowiednika w języku polskim. Termin blooming jest powszechnie używany w opisach aparatów w języku polskim, więc my także będziemy się nim posługiwać. Ważniejsze od samego słowa jest jego znaczenie w dziedzinie fotografii cyfrowej. Spróbujemy objaśnić co to jest blooming opisując co się dzieje w matrycy w trakcie jej zbyt silnego naświetlania, gdyż wtedy pojawia się ów efekt. Pojedynczy piksel matrycy pod wpływem naświetlania gromadzi elektrony, które następnie są "zamieniane" na napięcie proporcjonalne do ich ilości. Im więcej elektronów wyzwoli padające światło, tym jaśniejszy będzie na zdjęciu punkt odpowiadający temu pikselowi. Pojemność piksela jest jednak ograniczona. Silne naświetlanie po pewnym czasie (mówimy o czasie krótszym od czasu otwarcia migawki) może "zapełnić" piksel elektronami. Dalsze naświetlanie nie wpłynie już na jasność tego punktu na zdjęciu. Dalsze naświetlanie powoduje natomiast generowanie elektronów, które już nie mieszczą się w pikselu, powodują "przepełnienie" się pojemności piksela i "przelanie" elektronów do sąsiednich pikseli. To tak jak dolewanie wody do pełnej szklanki. Te elektrony "przelane" z przepełnionego piksela rozjaśnią punkt, do którego się "przelały". I to jest właśnie zjawisko zwane po angielsku blooming. Dodatkowym efektem bloomingu może, ale nie musi, być pewne przebarwienia w miejscach pikseli "zasilonych" tymi zbędnymi elektronami.

37 Warto zauważyć, że w wielu informacjach o aparatach cyfrowych blooming jest MYLNIE identyfikowany z aberracją chromatyczną, której to źródłem jest niedoskonałość obiektywu a nie przepełnienie piksela. W aparatach cyfrowych obecnie (2007 rok) produkowanych, efekt bloomingu jest praktycznie wyeliminowany poprzez stworzenie specjalnych "kanałów" odprowadzających nadmiar elektronów z pełnego, czyli maksymalnie naświetlonego, piksela

38 ZMIENNA LICZBA PIKSELI W MATRYCY FOVEON Matryca FOVEON X3 pozwala na kilka operacji programowych, niemożliwych w zasadzie, dla zwykłych zwykłych matryc mozaikowych, czyli tych, gdzie jednemu punktowi geometrycznemu odpowiada jeden piksel a kolory są interpolowane dla danego punktu z kilku sąsiednich. Zmiana wielkości piksela Bardzo łatwo jest programowo odczytywać kilka pikseli jako jeden punkt geometryczny. Po angielsku ta opcja nazywa się variable size pixel (VPS) i tym skrótem będziemy, dla wygody posługiwać się w dalszej części tego artykułu. Przykładowo, matryca FOVEON X3 o rozdzielczości 2300 x 1500 składa się z 3,45 punktów rejestrujących natężenie światła, w każdym z nich 3 podstawowych kolorów - RGB. Opcja VPS pozwala na odczytywanie dowolnie wybranego bloku punktów (np. 4 x 4) jako jednego punktu. Tak "zmodyfikowana" matryca będzie miała rozdzielczość 575 x 357 punktów ale sygnał elektryczny generowany w każdym z takich zblokowanych układów piksel będzie w przybliżeniu 16x silniejszy niż od pojedynczego punktu. Oznacza to poprawę stosunku sygnału do szumu, bo jak wiemy, jest on proporcjonalny do fizycznych rozmiarów piksela. A lepszy stosunek sygnału do szumu to możliwość fotografowania przy słabszym oświetleniu bez pogorszenia jakości zdjęcia. Oczywiście kosztem rozdzielczości ale przy wielomegapikselowych matrycach FOVEON X3 nie

39 stanowi to zagrożenia dla jakości odbitek formatu 10 x 15 cm, czyli tych najpopularniejszych wśród amatorów. Ponieważ każdy punkt matrycy FOVEON X3 rejestruje 3 kolory, punkty można blokować w dowolny sposób, byle by wszystkie bloki były tej samej wielkości - np. 2 x 2, 3 x 3, 1 x 2 itp. co daje dużą elastyczność poprawiania czułości matrycy kosztem rozdzielczości, Taka procedura wymaga bardzo zaawansowanego oprogramowania procesora aparatu ale to nie stanowi problemu. Natomiast dla zwykłych matryc z filtrem Bayera takie blokowanie pikseli jest absolutnie niemożliwe. Nie można bowiem łączyć w jeden blok pikseli sąsiednich, gdyż rejestrują one natężenie światła od różnych kolorów. Łatwo to prześledzić na rysunku w rozdziale Kolory cyfrowe Na podstawie portalu fotoporadnik.pl oprac. RS