Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица (часть первая)

Общеизвестно, что качество работы любого оптического прибора зависит от его объектива. Однако при использовании какого бы то ни было регистратора изображения, будь то плёнка кинокамеры, электронно-оптический преобразователь прибора ночного видения либо ПЗС-матрица цифрового фотоаппарата, не менее важную роль играют параметры этого устройства. При всех различиях между принципами действия регистраторов существует ряд характеристик, совершенно одинаковым образом влияющих на процесс съёмки. Среди них можно выделить габариты регистратора изображения, его чувствительность и динамический диапазон, точность цветопередачи, минимальный возможный интервал между экспозициями и многое другое. По общепринятому мнению, наибольшее значение для процесса съёмки имеют первые три параметра, причём в ПЗС-матрице все они неразрывно связаны друг с другом.

Size Does Matter

Название этой главы – «Размер имеет значение» – совершенно справедливо для регистратора изображения любого типа. В середине прошлого века любой из фотографов был вынужден искать компромиссное решение, выбирая между разными форматами фотоматериалов. Среднеформатные плёнки (размер кадра 6x4,5; 6x6; 6x7 и 6x9 см) и крупноформатные пластинки (9x12; 13x18 и 18x24 см) считались «выбором профессионала», так как обеспечивали широкий динамический диапазон (интервал между точно воспроизводимыми самым тёмным и самым светлым тоном формируемого объективом изображения) и высокую чёткость снимка. При этом малоформатная, то есть привычная всем 35-миллиметровая пленка, долгое время считалась пригодной только для любительской фотографии, а её профессиональное применение ограничивалось репортажной съёмкой. Однако со временем зернистость малоформатной плёнки становилась все меньше и меньше, обеспечивая постепенный рост разрешения снимка, одновременно расширялся динамический диапазон 35-миллиметрового кадра.

После того как разрешение 35-миллиметровой плёнки перешло определённый порог, малоформатная фототехника стала стремительно вытеснять среднеформатные камеры. Причиной тому стали не только заметно меньшие габариты 35-миллиметровых фотоаппаратов и сравнительная простота их эксплуатации, но и сопутствующая выгода от перехода на меньший размер кадра. Преимущества заключались, во-первых, в возможности сократить фокусное расстояние оптической системы (и уменьшить размеры и вес объектива), при этом величина объекта в кадре не изменялась. Во-вторых, при уменьшении габаритов кадра возрастает глубина резкости объектива (отрезок пространства перед объективом – все объекты, попавшие в этот отрезок, будут отображены на плоскости регистратора изображения с достаточной резкостью). Возросшая глубина резкости, в свою очередь, позволяет компенсировать ошибки фокусировки либо «приоткрыть» при съёмке диафрагму, в результате можно использовать более «короткую» выдержку и заметно снизить шанс «сдергивания» снимка. В-третьих, размер кадра прямо пропорционален минимальной дистанции съёмки, таким образом, малоформатные камеры имеют преимущество при макросъёмке (фотографировании мелких объектов со сверхмалой дистанции, от 50 см и менее).

Примерно так же обстоят дела с цифровой фототехникой, только вот габариты основных типов регистраторов изображения значительно меньше. В частности, ПЗС-матрицы, по размеру соответствующие кадру среднеформатной плёнки, тоже используются в цифровой технике, однако высокая стоимость обусловила слабую распространённость данного типа сенсоров. Фактически сегмент рынка цифровой техники «среднего формата» составляет лишь несколько процентов от той доли, которая приходилась в своё время на плёночные среднеформатные камеры, а основной парк цифровых фотоаппаратов состоит из профессиональных и любительских моделей.

Первые образцы профессиональных камер представляли собой 35-миллиметровые «зеркалки», у которых столик для плёнки был заменён ПЗС-матрицей. Профессиональные модели последних лет заметно отличаются от своих плёночных «собратьев», однако в целом их конструкция содержит ряд объединяющих черт:

• байонетный разъём для сменных объективов;
• подъёмное зеркало, направляющее в окуляр видоискателя изображение, сформированное объективом;
• ПЗС-матрица размером от 36x24 до 18x13,5 мм.

Любительские модели появились одновременно с профессиональными камерами, и их основные отличительные особенности тоже сохранились неизменными:

• постоянный объектив;
• ПЗС-матрица размером от 8,6x6,5 до 5,2x3,9 мм.

Оттенками синего отмечены ПЗС-матрицы профессиональных камер, оттенками красного – сенсоры любительской техники

На иллюстрации со сравнительными габаритами ПЗС-матриц использован термин «формфактор», требующий дополнительного объяснения. Матрицы любительских фотоаппаратов с момента их появления принято характеризовать числом, указывающим на диагональ сенсора в долях дюйма (1/2,5, 1/1,8, 2/3 и так далее). Данное число, именуемое формфактором, не соответствует реальной диагонали матрицы, составляющей примерно 2/3 от формфактора. Например, ПЗС-матрица с формфактором 1/1,8 имеет диагональ 9 мм. Несовпадение это вызвано тем, что термин формфактор, описывающий размер регистрирующего элемента, перекочевал в цифровую фотографию из телетехники. В телекамерах для регистрации изображения использовались электронно-лучевые трубки, у которых из всей фронтальной площади колбы использовалась прямоугольная область с соотношением сторон 4:3, диагональ которой составляла примерно 2/3 от диаметра колбы. Именно этот виртуальный «диаметр колбы» и используется в качестве параметра, описывающего физический размер ПЗС-матрицы любительских фотоаппаратов.

Как видно из приведённых данных, пропорция между габаритами сенсоров, используемых в профессиональной и любительской технике, примерно соответствует соотношению кадров среднеформатной и 35-миллиметровой плёнки. В свою очередь, процентное отношение рынков профессиональных и любительских цифровых камер практически такое же, какое было у сегментов среднеформатной и 35-миллиметровой техники, ну а плюсы малогабаритных регистраторов изображения в цифровой фототехнике выражены даже более наглядно, чем в классической фотографии:

• были разработаны сверхкомпактные любительские модели с объективом «перископной» схемы, полностью спрятанным внутри корпуса. Благодаря такому решению удалось создать пылевлагозащищённые камеры, выдерживающие получасовое пребывание под водой на глубине полтора метра;
• у «дальнобойных» любительских камер вариообъективы с фантастическим диапазоном фокусного расстояния (с кратностью 14х) и системой оптической стабилизации по своим габаритам не превышают 35-миллиметровую оптику стандартного диапазона (с кратностью 3х). В результате любознательный турист вместо крупногабаритного кофра обходится компактным чехлом;
• при макросъёмке минимальная дистанция фотографирования большинства любительских моделей не превышает нескольких сантиметров. В сочетании с высоким разрешением ПЗС-матриц это обеспечивает высочайшую детализацию самых миниатюрных объектов съёмки.

Однако плата за все эти «удовольствия» чрезвычайно высока.