Сенсор (матрица) цифровых фотокамер
В цифровых камерах для получения изображения используются сенсорные матрицы, состоящие из большого числа миниатюрных ячеек-пикселей. Во время фотосъемки, пока затвор камеры открыт, эти ячейки накапливают фотоны света, попадающего на них через объектив. По завершении экспозиции аналоговое значение заряда ячеек преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровой вид, а процессор камеры считывает состояние каждой из ячеек и строит на основе этого фотоизображение.
Сенсор цифрового фотоаппарата
Каждый из пикселов не содержит цветовой информации и таким образом может быть получено только черно-белое изображение. Чтобы получить цветное изображение над каждым из чувствительных элементов помещают световой фильтр, пропускающий только определенный свет. На основе данных, полученных из близлежащих ячеек, процессор камеры определяет цвет света, попадающего на этот участок сенсора.
Наиболее часто используемый тип матричного цветофильтра -"фильтр Байера". Он состоит из чередующихся рядов зелено-синих и красно-зеленых сенсоров. В фильтре Байера вдвое больше зеленых сенсоров, чем синих или красных. Это обусловлено тем, что чувствительность человеческого глаза выше к зеленому цвету. Такое количество зеленых пикселов позволяет получить изображение, имеющее меньшее количество видимых шумов.
Поскольку мозаичный фильтр для каждого пикселя выдаёт только ⅓ цветовой информации, «потерянные» данные приходится восстанавливать, этот процесс называется дебайеризация. Простая билинейная интерполяция для этого не подходит, так как яркие объекты при этом приобретают цветную кайму. Производители цифровых фотоаппаратов и RAW-конвертеров используют собственные адаптивные алгоритмы.
Существуют также другие типы светофильтров, применяемые для получения цветного изображения:
- RGBE Один из зелёных фильтров заменён на изумрудный (англ. emerald). Применялся фирмой Sony.
- CYYM Голубой, 2 жёлтых, пурпурный. Kodak.
- CYGM Голубой, жёлтый, зелёный, пурпурный. Применяется в некоторых камерах Kodak.
- RGBW Один из зелёных фильтров заменён на белый, в остальном аналогичен стандартному фильтру Байера.
- XTrans Благодаря большей области повторения структуры X-Trans (6×6) уменьшается муар.
Фильтр Байера —наиболее простой в обработке вариант фильтра. Даже быстрая билинейная интерполяция даёт «конечный результат» в виде полноцветной RGB картинки. В отличие от традиционного RGGB фильтра Байера, при иных цветах светофильтров получение RGB компонентов каждого пиксела требует более сложных алгоритмов, учитывающих в определённых пропорциях значения всех окружающих пикселов.
Для увеличения количества информации об изображении обычно используется информация из перекрывающихся массивов 2x2.
Кроме одноматричной системы с цветовыми фильтрами существуют другие способы получения цветного изображения.
3CCD — технология цветоделения, использующая три светочувствительные матрицы , отдельные для каждого из трёх цветоделённых изображений: красного, зелёного и синего. Технология основана на оптическом цветоделении при помощи дихроичной призмы, разделяющей свет от объектива на три изображения по длине волны за счет интерференции.
Foveon X3 — серия фотоматриц компании Foveon, в которой цветоделение на аддитивные цвета RGB проводится послойно, по толщине полупроводникового материала, с использованием физических свойств кремния.
К сожалению, в многослойных матрицах разделение цветов оказывается далеко не полным. Часть фотонов поглощается в «чужой» области. В результате, цветовая информация оказывается неполной, насыщенность цвета при прямом использовании R G B сигналов с сенсора как значений пиксела изображения даёт малоконтрастную ненасыщенную картинку.
В матрицах сенсоры технологически не могут быть расположены вплотную друг к другу, они обычно занимают не более половины площади поверхности. Для уменьшения потерь света над ними располагаются микролинзы, направляющей свет непосредственно на сенсоры.
Существует множество разных сенсоров, изготавливаемых в соответствии с требованиями к их размеру, количеству шумов и ценовой категории.
Размер сенсора обуславливает так называемый кроп-фактор. Кроп-фактором называют отношение диагонали полного кадра (35 мм) к диагонали сенсора. Называют его так, поскольку при использовании 35 мм объектива сенсор по сути обрезает края изображения (в связи со своим уменьшенным размером).
Множитель фокусного расстояния относит фокусное расстояние объектива, используемого с сенсором меньшего формата, к фокусному расстоянию объектива с таким же углом зрения на 35 мм, и он равен кроп-фактору. Это означает, что объектив 35 мм, используемый с сенсором, кроп-фактор которого равен 1.6, обеспечит тот же угол зрения, что и объектив 1.6 x 35 = 56 мм для полно кадрового сенсора 35 мм. Штатный 50 мм объектив пленочного фотоаппарата при установке на цифровую камеру с обрезанной матрицей переходит в разряд "портретных" с эквивалентным фокусным расстоянием 80 мм.