Из серии материалов об устройстве цифрового фотоаппарата продолжаем рассматривать такой важный элемент фотоаппарата, как матрица.
В предыдущих статьях было рассмотрено устройство матрицы и принцип действия, матрицы с буферизацией кадра и столбцов, применение микролинз в матрицах.
Далее рассмотрим характеристики матрицы и, в частности, ее чувствительность.
Матрица цифрового фотоаппарата и ее чувствительность.
В общем можно сказать, что чувствительность матрицы — это ее способность реагировать на падающий на нее свет. Для ПЗС-матрицы – это ее способность генерировать заряд, пропорциональный величине светового потока. Матрица состоит из отдельных ПЗС-элементов (пикселей), поэтому общая ее чувствительность складывается из чувствительностей всех составляющих ее элементов.
Чувствительность матрицы выражается двумя параметрами — интегральной чувствительностью и спектральной.
Интегральная чувствительность — это коэффициент пропорциональности между величиной общего падающего светового потока (в люменах) и возникающего в матрице фототока (в миллиамперах). Определяется при освещении лампой накаливания с вольфрамовым светящимся элементом.
Спектральная чувствительность — это зависимость чувствительности от длины волны падающего света (т. е. от цвета). Эта величина определяет правильность передачи матрицей оттенков цветов. Спектральная чувствительность состоит из совокупности значений монохроматических чувствительностей, т. е. чувствительностей к свету определенной длины волны (цвета).
Для потребителей важно значение эквивалентной чувствительности, выраженное в единицах ISO, которую обычно указывают в паспортах на фотоаппараты. Эта чувствительность более понятна фотолюбителям, т.к. она соспоставима с чувствительностью фотопленок.
Поскольку чувствительность матрицы определяется совокупной чувствительностью всех ПЗС-элементов (пикселей), то она зависит от величины чувствительной к свету части элемента (ранее говорилось, что не весь ПЗС-элемент является чувствительным к свету) — fill factor. Кроме того есть еще такой физический параметр, как квантовая эффективность (quantum efficiency).
Последний параметр характеризует величину заряда, попавшего в потенциальную яму при поглощении определенного количества фотонов, упавших на элемент. При этом следует учесть, что не все фотоны создают заряд в потенциальной яме, часть фотонов отражается от поверхности элемента, не проникая вглубь, часть длинноволновых фотонов проходит зону поглощения, определенную потенциальной ямой и уходит вглубь, не создавая заряда в потенциальной яме.
Важный параметр, характеризующий матрицу — это порог чувствительности, который определяется минимальной величиной светового потока, который способен создать соответствующий заряд в ПЗС-элементе.
Ограничителем порога чувствительности является т. н. темновой ток, который возникает в неосвещенном элементе и является следствие теплового движения электронов, наличия космического излучения и др. шумовых факторов, т.е. этот ток не связан с освещенностью пикселей. При малых освещенностях снимаемого объекта величина основного фототока может быть соизмеримой с величиной темнового тока, который вносит существенные искажения в получаемое изображение.
Для снижения влияния темнового тока на порог чувствительности матрицы применяют различные методы, иногда просто в конструкцию фотокамеры вводятся охлаждающие элементы, но это утяжеляет и удорожает камеру.
В любительских камерах используют другой конструктивный прием — создание черных пикселей по краям матрицы (пикселей с непрозрачным покрытием на поверхности). Эти пиксели не участвуют в создании изображения. Среднее значение заряда этих черных пикселей принимается за нулевой уровень фототока и относительно него измеряется фототок остальных пикселей, т.е. величина тока черных пикселей вычитается из общего фототока всех пикселей.
Вследствие теплового шума на матрице появляются пикселы, в которых больше, чем в других накапливаются паразитные заряды. Эти заряды проявляются на снимке в виде точек постороннего цвета. Яркость этих точек тем выше, чем длиннее выдержка при съемке.
Для борьбы с этим явлением применяют метод «темного кадра», т. е. съемку кадра с закрытым затвором при той же выдержке, что и рабочий снимок. Затем этот кадр можно использовать в качестве маски для вычитания появившихся точек из рабочего изображения. Этот метод используется в отдельных камерах для реализации функции шумоподавления и является незаменимым при съемках со слабой освещенностью.
Чувствительность цифровой матрицы, в отличие от чувствительности фотопленки, может меняться от кадра к кадру или настраиваться индивидуально для отдельного кадра. Это осуществляется благодаря регулировке усиления сигнала, получаемого с матрицы. Таким образом можно повысить эквивалентную чувствительность матрицы, что выгодно расширяет возможности фотографа при съемке в различных условиях, например при слабых освещенностях.
Однако усиление сигнала, получаемого с матрицы, имеет и свои негативные последствия. При этом усиливаются и шумы, возникающие в матрице, в результате заметнее становятся точки постороннего цвета — артефакты на изображении.
Таким образом шумы на изображении проявляются сильнее в двух случаях:
- при более длительных выдержках
- при повышении эквивалентной чувствительности матрицы.
Ранее уже отмечалось, что минимальный уровень шума можно получить при минимальном значении эквивалентной чувствительности.
Правда применение в камере шумоподавления методом темного кадра этот эффект значительно снижается.
Друзья! Если вас заинтересовала данная статья, не забудьте поделиться ею в социальных сетях, а также поставить ретвит и Google+. Буду признателен.
А на закуску Вам для расслабления ролик с музыкой в исполнении Ванессы Мэй и Дживана Гаспаряна:
Поделиться в соц. сетях
[…] относительно низкий уровень шумов; […]
[…] теперь это понятие исходя из знания работы матрицы […]