В большинстве современных цифровых камер для улавливания света используется технология CMOS, но не все они одинаково хороши. Мы разберем различные типы CMOS-сенсоров и отличим их от чипов CCD и Foveon.
Сердцем цифровой камеры является ее датчик изображения, и в эпоху цифровых технологий мы наблюдали развитие нескольких различных типов датчиков. В большинстве современных вариантов используется версия технологии комплементарных металл-оксид-полупроводников (CMOS). Эти CMOS-чипы имеют ряд реальных преимуществ по сравнению с датчиками с зарядовой связью (CCD), распространенными на заре цифровой фотографии, включая повышенную энергоэффективность и контроль тепла. Эти улучшения проложили путь к видео в формате 4K (и выше) в камерах со сменными объективами.
Но существует не один тип CMOS-сенсора. И если вы покупаете новую беззеркальную камеру, вы можете быть ошеломлены различными архитектурами и не знать, почему камеры с КМОП-матрицей со стеком и глобальным затвором стоят намного дороже базовых моделей. Читайте далее, чтобы узнать, чем отличаются друг от друга различные типы CMOS.
Архитектурные различия
По большей части цифровые датчики построены по схожей концепции, даже если есть различия в конструкции микросхем. В устройстве формирования изображения используются светочувствительные фотоэлементы и фильтр с повторяющимися узорами из красных, зеленых и синих квадратов, добавляющих цвет. В большинстве сенсоров используется массив цветных фильтров (CFA) 4 на 4, называемый Bayer CFA (по имени его создателя), но в некоторых моделях Fujifilm используется более сложный X-Trans CFA 6 на 6.
Вы также можете встретить сенсоры Quad Bayer - тип, распространенный в смартфонах с огромным количеством пикселей, а также в экшн-камерах и дронах. Такие сенсоры имеют большое количество пикселей - 48 Мп, но при этом выдают изображения с более низким разрешением благодаря технике, называемой pixel binning. Эта технология в несколько ином виде используется и в сенсорах камер со сменными объективами (ILC). Например, дорогая камера Leica M11 использует биннинг пикселей для получения снимков с разрешением 60, 36 или 18 Мп.
КМОП-чипы отличаются от ПЗС-матриц предыдущего поколения несколькими важными особенностями. Например, CMOS-чипы считывают данные пиксель за пикселем в так называемом "скользящем электронном затворе", а не все сразу, как CCD. Но есть и технические преимущества, которые заставили фотоиндустрию отказаться от ПЗС. Например, в микросхемах CMOS аналого-цифровой преобразователь (АЦП) размещается на борту, а не в отдельном блоке. Благодаря этому чипы потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла, чем ПЗС-матрицы, что положительно сказывается на качестве изображения при низкой освещенности и времени автономной работы.
CMOS, BSI CMOS, стекированная CMOS и глобальный затвор
Существует четыре основных типа CMOS-сенсоров. Базовая конструкция CMOS сегодня используется в камерах начального и среднего уровня - моделях, которые получают новейшие функции через пару поколений после их появления в моделях высокого класса.
Усовершенствованная конструкция - КМОП с подсветкой со стороны спины (BSI) - по своей концепции похожа на обычную КМОП, но в этих чипах компоненты расположены по-другому. В частности, фотоэлементы вынесены дальше вперед на матрице, а скорость построчного считывания выше. Это изменение дает практические преимущества: В целом, BSI CMOS примерно на f-стоп лучше, когда речь идет о шумах изображения. Это означает, что BSI CMOS показывает столько же шума при ISO 12800, сколько аналогичный CMOS-чип при ISO 6400. Это также означает, что камеры APS-C и Micro Four Thirds с BSI-чипами играют на равных с полнокадровыми CMOS-камерами. Это не жесткие правила, но это хорошие рекомендации, которым стоит следовать.
Более быстрая скорость считывания данных делает возможным использование полностью электронного затвора в моделях с BSI CMOS, а также обеспечивает более быстрый отклик автофокуса для более высокой скорости серийной съемки с автофокусом. Fujifilm X-T3 стала первой потребительской камерой, которая действительно воспользовалась этими возможностями. Она дебютировала в 2018 году со скоростью фокусировки 20 кадров в секунду и полностью электронным затвором. Для надежной заморозки движущихся объектов в большинстве камер с BSI CMOS по-прежнему необходимо использовать механический затвор, но бесшумный электронный затвор пригодится при съемке портретов и других неподвижных объектов.
Чипы Stacked CMOS совершенствуют концепцию BSI CMOS. В них компоненты расположены аналогичным образом, но процессор сигналов изображения и сверхбыстрая память DRAM размещены в одном кремнии. Благодаря этому скорость считывания данных становится еще выше. Первая мейнстримовая камера с технологией Stacked CMOS, Sony a9 2019 года, произвела фурор, предложив фотографировать без перерывов - с ее помощью можно делать снимки со скоростью 20 кадров в секунду, не теряя при этом обзор сцены.
Поскольку технология делает возможным такой тип съемки, чипы Stacked CMOS стали стандартом де-факто для высококлассных ILC, которые используют профессионалы для фотографирования из кулуаров или ложи прессы. Мы видели, как некоторые камеры снимали со скоростью 30 кадров в секунду (Sony a1 и Canon EOS R3), а Nikon Z 9 делает 11-мегапиксельные снимки со скоростью 120 кадров в секунду благодаря стекированному чипу и двум процессорам. Сверхбыстрое считывание и обработка данных также способствуют лучшей автофокусировке. Теперь стековые чипы превосходят КМОП-сенсоры BSI по скорости фокусировки, точности и распознаванию объектов. Все это позволяет камерам со стеком не просто делать несколько фотографий подряд, а делать несколько сфокусированных фотографий подряд.
CMOS-сенсор с глобальным затвором делает еще один шаг вперед. Он не просто быстро сканирует по матрице, он делает это мгновенно. На сегодняшний день мы протестировали одну потребительскую камеру с этой технологией - Sony a9 III. Ее реализация позволяет вести съемку со скоростью 120 кадров в секунду при полном разрешении, синхронизировать вспышки с неслыханной ранее скоростью 1/80 000 секунд и застывать в неподвижности на отрезке времени. Однако за скорость приходится платить. Шумы и динамический диапазон находятся на уровне классических КМОП-чипов, но фотографы, снимающие экшн, могут счесть целесообразным пожертвовать качеством изображения ради скорости.
В целом, CMOS-матрицы являются основными базовыми вариантами для современных цифровых камер. Переход к модели с КМОП-сенсором BSI повышает скорость считывания и улучшает качество снимков при низкой освещенности. CMOS-матрицы со стеком еще больше увеличивают скорость работы и позволяют держать объект в идеальном поле зрения, пока камера делает снимок. И наконец, если вы хотите идеально застыть во времени и не возражаете против небольшого ухудшения качества изображения, вам следует обратиться к глобальному затвору.
CCD, Foveon, монохромные и полноспектральные камеры
Ранее мы уже говорили о матрицах CCD. Эти чипы были стандартом для потребительских камер в начале прошлого века, но в последние годы уступили место CMOS. У первого варианта по-прежнему есть сторонники, но, за исключением бюджетных компактов, в современных потребительских моделях вы не встретите этот сенсор.
Foveon - еще один тип сенсора, который используется исключительно в камерах Sigma X3, Merrill и Quattro. Чипы Foveon записывают цвет по-другому - через трио светочувствительных слоев вместо массива цветовых фильтров. Плюс в том, что этим камерам не требуется интерполяция для заполнения недостающего цвета, а значит, они могут захватывать гораздо больше деталей, чем аналогичные по количеству пикселей датчики Байера. Но есть и недостатки: Приложения для обработки сырых файлов не поддерживают файлы многих камер Foveon, и фотографии сильно шумят при умеренных значениях ISO. Сегодня на рынке представлена только одна модель Foveon - Sigma dp Quattro. Мы не успели сделать обзор этой камеры, но посмотрели на снятую с производства Quattro H, которая обладает многими теми же функциями и матрицей Foveon, которая немного больше APS-C.
Монохромные камеры - еще одна разновидность. Leica выпускает несколько специальных вариантов, в которых нет цветных фильтров, и они снимают исключительно черно-белые изображения. Модели M10 Monochrom и Q2 Monochrom мучительно дороги, но специалисты по монохромной съемке могут счесть их стоящими. Эти камеры демонстрируют преимущество в детализации, как и чипы Foveon, но превосходят цветные варианты при высоких ISO - отказ от фильтра Байера увеличивает количество света, попадающего на матрицу, почти вдвое.
Вряд ли вы найдете в продаже инфракрасные камеры полного спектра в местном магазине, но они существуют. Потребительские камеры имеют фильтр над матрицей, чтобы отсечь невидимый свет. Но такие компании, как KolariVision и MaxMax, могут удалить этот фильтр или продать вам предварительно преобразованную камеру, которая может видеть инфракрасные и ультрафиолетовые волны. Специалисты по ландшафтному дизайну любят использовать эти датчики, чтобы снимать сюрреалистические, инопланетные сцены прямо здесь, на Земле.
Выбор подходящей камеры
Теперь, когда вы знаете больше о сенсорах, пришло время выбрать камеру. Если вы хотите приобрести модель со сменным объективом, ознакомьтесь с нашими подборками лучших беззеркальных и лучших полнокадровых камер или прочитайте наше более общее руководство по покупке, если вы не уверены, какую камеру вам следует приобрести.
Если тебе понравилась статья - подпишись на канал, чтобы не пропустить ещё много полезных статей!
Также ты можешь читать меня здесь:
- Телеграм: https://t.me/gergenshin
- Яндекс Дзен: https://dzen.ru/gergen
- Официальный сайт: https://www-genshin.ru