Matryca światłoczuła

Łukasz Kacperczyk

Poznaj tajniki budowy i działania serca aparatu cyfrowego

Dodaj do schowka Komentarze: 7

Wstęp

Matryca światłoczuła to serce aparatu cyfrowego. To ona zastąpiła błonę filmową, która jest nośnikiem obrazu w fotografii analogowej. Składający się z siatki elementów światłoczułych (stąd nazwa „matryca”) przetwornik obrazowy jest odpowiedzialny za rejestrację zdjęć i, w przypadku kompaktów (ale nie tylko - o tym za chwilę), również sekwencji wideo. W przeciwieństwie do filmu małoobrazkowego sensor cyfrówki to element niewymienny, ale to niejedyna różnica. Matryca ma konkretną, skończoną rozdzielczość i to właśnie ten parametr jest podawany najczęściej. Początkowo rozdzielczości osiągały wartości, które wystarczały na wyświetlenie zdjęcia na ekranie komputera - o druku o jakości fotograficznej nikt nie marzył. Tymczasem dziś nawet aparaty kompaktowe są wyposażane w kilkunastomegowe przetworniki obrazowe, a sensory wykorzystywane w lustrzankach powoli osiągają pułap powyżej dwudziestu megapikseli. Jednak rozdzielczość to nie wszystko.

Znajomość podstawowych zagadnień dotyczących matryc światłoczułych nie tylko ułatwi zrozumienie wielu zjawisk związanych z fotografią cyfrową, ale też pozwoli na w pełni świadomy wybór parametrów sprzętu, na który zdecydujemy się wydać ciężko zarobione pieniądze.

Podstawy

Piksel - w zależności od kontekstu - może mieć dwa znaczenia. Piksel rozumiany jako najmniejszy punkt obrazowy jest tworem abstrakcyjnym i jako taki nie ma wielkości (tak jak punkt). z kolei piksel matrycy, czyli „punkt” światłoczuły, zwany też fotodiodą, jest już jak najbardziej realny i ma określoną wielkość, która wpływa na jego właściwości (o czym w dalszej części artykułu).

Rozdzielczość - określenie liczby punktów światłoczułych matrycy, podawanej w megapikselach (milionach pikseli). Terminu „rozdzielczość” używa się tu nieprawidłowo, ponieważ tradycyjnie oznacza on liczbę punktów mieszczących się na odcinku danej długości (zazwyczaj na cal) - określa więc zagęszczenie punktów, a nie ich ogólną liczbę (np. na zdjęciu czy matrycy światłoczułej). w tym wypadku wygrywa jednak nie poprawność, a uzus - przyjęło się bowiem używać określenia „rozdzielczość” w stosunku do liczby punktów światłoczułych przetwornika obrazowego. I niech tak już zostanie.

Rozmiar - drugim istotnym parametrem matrycy światłoczułej (poza liczbą punktów światłoczułych) jest jej wielkość. W przypadku aparatów kompaktowych jest ona określana za pomocą symboli liczbowych, np. 1/2,3" lub 1/1,7". Mówiąc o sensorach wykorzystywanych w lustrzankach cyfrowych, używamy określeń: pełnoklatkowy (o wielkości odpowiadającej klatce filmu małoobrazkowego, czyli 36 × 24 mm), APS-C (o wielkości zbliżonej do formatu APS-C, czyli dającej mnożnik ogniskowych 1,5x, 1,6x lub 1,7x) i 4/3 (o wielkości dającej mnożnik ogniskowych 2x). Rozmiar matrycy ma ogromny wpływ na jakość zdjęć, zwłaszcza przy wysokich czułościach, oraz na ogniskową obiektywu niezbędną do uzyskania określonego pola widzenia.

Rodzaj - podstawowe typy przetworników obrazowych to CCD (Charge Coupled Device) i CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Różnią się one m.in. budową i miejscem przetwarzania danych. Z zasady matryce CCD są używane w aparatach kompaktowych i lustrzankach, podczas gdy sensory CMOS (najpopularniejszy rodzaj matrycy aktywnej) wykorzystuje się w lustrzankach z górnej półki (choć i to powoli zaczyna się zmieniać). Sensory CCD zbierają fotony (cząsteczki światła), których wartość napięciowa jest następnie wzmacniana na wyjściu z matrycy, zamieniana na natężenie i digitalizowana. Matryce CMOS zachowują się inaczej. Składają się m.in. ze struktury tranzystorowej, dzięki czemu nie dokonują odczytu sygnału sekwencyjnie, lecz dla wszystkich pikseli jednocześnie. CMOS-y wykonują więc znacznie więcej zadań na poziomie pojedynczego punktu światłoczułego. Przetworniki typu CCD nie są tak zintegrowane i w dużej mierze są zależne od dodatkowych elementów zewnętrznych (np. przetwornika analogowo-cyfrowego).

Dużą zaletą matryc CCD zawsze była wysoka jakość obrazu, z kolei CMOS-y były tańsze i łatwiejsze w produkcji oraz znacznie mniej energochłonne. Dzięki znacznemu podniesieniu jakości obrazów uzyskiwanych z sensorów typu CMOS stają się one coraz powszechniejsze - również dzięki temu, że umożliwiają wprowadzenie funkcji podglądu na żywo w lustrzankach o dużych matrycach, co byłoby niemożliwe przy wykorzystaniu czujnika CCD (patrz ramka).

Mozaika filtrów barwnych sprawia, że matryca „widzi” w kolorze. Poszczególne filtry przepuszczają jedynie światło swojej barwy, a reszta informacji o kolorze jest interpolowana przez procesor aparatu na podstawie danych z sąsiednich pikseli.

Układ wykorzystanej w lustrzance Nikon D90 matrycy CMOS, która umożliwiła podgląd na żywo i rejestrację sekwencji wideo.

Podgląd na żywo

Do niedawna jedną z podstawowych funkcji odróżniających lustrzanki od kompaktów był brak funkcji podglądu na żywo. Było to związane nie tylko z budową lustrzanki (na drodze do matrycy stoją jeszcze kolejno lustro i migawka szczelinowa), ale też z możliwościami sensorów światłoczułych. Dzięki coraz powszechniejszemu zastosowaniu technologii CMOS, umożliwiającej m.in. stały odczyt danych z matrycy, również w lustrzankach możemy kadrować na ekranie LCD (np. w profesjonalnym Nikonie D3), a Nikon D90 pozwala nawet na rejestrację sekwencji wideo.

Nikon D3 Nikon D90 Nikon P6000 Nikon P80 Nikon L18 Wpływ podstawowych ustawień predefiniowanych na wygląd zdjęcia. Zdjęcie w słońcu.

W szczegółach

Z zagadnieniem rozdzielczości rozumianej jako liczba punktów światłoczułych matrycy wiąże się fakt podawania dwóch wartości związanych z liczbą pikseli (rozumianych jako punkt światłoczuły sensora, a nie najmniejsza składowa obrazu): ich liczby całkowitej oraz liczby pikseli efektywnych.

Te drugie to wszystkie punkty światłoczułe przetwornika obrazowego, które przekładają się na piksele obrazowe. Jest ich mniej niż wynosi całkowita liczba pikseli matrycy, ponieważ część pikseli jest wykorzystywana przez aparat do celów innych niż budowanie obrazu, np. jako wzór czerni.

Liczba pikseli matrycy jest często kojarzona z jakością zdjęć - im więcej megapikseli, tym lepiej. Tymczasem nic bardziej mylnego. Równie istotnym, jak liczba punktów światłoczułych, czynnikiem jest ich wielkość. Im są większe, tym więcej światła mogą przyjąć (co zapewnia szczegóły w światłach) i tym czulsze są na jego brak (dzięki czemu unikamy szumów w cieniach). Wysokie zagęszczenie pikseli na małej matrycy kompaktu wiąże się z wysokimi szumami (po więcej informacji na ten temat odsyłam do wcześniejszego artykułu).

Dlatego nie warto przesadzać z liczbą pikseli na matrycy. Na szczęście niektórzy producenci to rozumieją - na przykład Nikon wykazał się dużą wstrzemięźliwością i nawet w profesjonalnej lustrzance D3 zdecydował się pozostać przy 12 Mp. Postawił tym samym na duże fizycznie rozmiary punktów światłoczułych, co zaowocowało znakomitym zachowaniem przy wysokich czułościach (nawet rzędu ISO 6400).

Higiena osobista

Zmorą użytkowników lustrzanek cyfrowych z wymienną optyką są zanieczyszczenia matrycy objawiające się plamami na zdjęciach. Nawet najmniejsza drobinka kurzu przyczajona na powierzchni sensora będzie widoczna na fotografii. Problem ten dotyczy głównie aparatów z wymienną optyką, ponieważ to właśnie podczas zmiany obiektywu kurz dostaje się do wnętrza aparatu. Dlatego coraz częściej stosowane są systemy, dzięki którym matryca sama się oczyszcza, zazwyczaj podczas włączania i wyłączania aparatu. Wykorzystuje się do tego układy odpowiedzialne za stabilizację matrycy lub, u innych producentów, specjalne filtry ultradźwiękowe strząsające kurz z sensora. Pomaga to uniknąć konieczności manualnego czyszczenia matrycy, co zawsze grozi niebezpieczeństwem uszkodzenia lub jeszcze większego zabrudzenia sensora.

Matryca i jednostka czyszcząca lustrzanki Nikon D700.

Wiemy już, że wielkość przetwornika obrazowego ma bezpośrednie przełożenie na jakość uzyskiwanych z niego zdjęć, zwłaszcza przy wysokich czułościach. Ale jak duże są różnice między poszczególnymi grupami produktów? Kolosalne. Wspomniałem już o tzw. pełnej klatce, która oznacza matrycę wielkości kadru małego obrazka, czyli ok. 36 × 24 mm (Nikon stosuje format FX o dokładnych wymiarach 36 × 23,9 mm). Matryce o wielkości określanej jako APS-C są dość różne: Nikon stosuje format DX, czyli 23,6 × 15,8 mm (mnożnik ogniskowych 1,5x - na temat mnożnika ogniskowych pisaliśmy we wcześniejszym artykule), Canon 22,2 × 14,8 mm (mnożnik ogniskowych 1,6x), Sigma 20,7 × 13,8 (mnożnik ogniskowych 1,7x). z kolei w otwartym Systemie 4/3 matryce mają wielkość 17,3 × 13 mm, dając mnożnik ogniskowych 2x w stosunku do małego obrazka (i porzucając znane z innych lustrzanek proporcje boków 3 : 2 na rzecz spotykanego w kompaktach bardziej „kwadratowego” prostokąta 4 : 3). Ale dopiero wśród cyfrowych kompaktów z niewymienną optyką możemy spotkać prawdziwą różnorodność. w tej chwili na rynku znajdziemy m.in. aparaty o matrycach w rozmiarach:

• 1/1,72" (7,4 × 5,55 mm, np. Nikon Coolpix P6000),

• 1/2,3" (6,16 × 4,62 mm, np. Nikon Coolpix S60),

• 1/2,33" (6,13 × 4,60 mm, np. Nikon Coolpix P80),

• 1/2,5" (5,75 × 4,31 mm, np. Nikon Coolpix L18).

Jak widać, różnice w rozmiarach fizycznych są ogromne i wciąż rosną, ponieważ wielkość matryc lustrzanek nie ulega zmianie, a sensory kompaktów systematycznie maleją. Właśnie dlatego nie warto porównywać aparatów wyłącznie pod kątem liczby pikseli matrycy. Parametr ten, oderwany od fizycznej wielkości sensora, jest bardzo zwodniczy. Warto zwrócić uwagę na pewną cenną inicjatywę. W celu ułatwienia użytkownikom wyboru aparatu jeden z największych anglojęzycznych portali testujących sprzęt fotograficzny, DPReview.com, obok liczby megapikseli zaczął podawać ich zagęszczenie w megapikselach na centymetr kwadratowy. Dzięki temu możemy bez trudu zestawić ze sobą kompakt i lustrzankę, nie musząc samodzielnie dokonywać żmudnych obliczeń.

Matryca stworzona przez firmę Foveon jest skonstruowana na podobnej zasadzie, co film kolorowy. Filtry barwne są tu ułożone jeden na drugim (warstwami), dzięki czemu każdy punkt światłoczuły rejestruje natężenie wszystkich kolorów podstawowych jednocześnie.

Wspomniałem o filtrach barwnych umożliwiających robienie zdjęć kolorowych. Punkty światłoczułe matrycy reagują na luminancję, czyli natężenie światła. Dlatego potrzebny jest jakiś sposób, żeby „nauczyć” je rozróżniać kolory. w budowie matryc światłoczułych najczęstszym, dominującym rozwiązaniem jest tzw. mozaika Bayera. Bezpośrednio nad fotodiodami umieszczona jest mozaika filtrów RGB. Ich stosunek wobec całkowitej liczby pikseli kształtuje się odpowiednio: 25%, 50% i 25% dla czerwonego, zielonego i niebieskiego. Każdy piksel rejestruje więc poziom natężenia światła w jednym z kolorów podstawowych. Pozostałe dane są obliczane (inaczej - interpolowane) na podstawie informacji z sąsiednich pikseli.

W przeciwieństwie do filmu, który zastąpiła, matryca światłoczuła ma skończoną (wyraźnie określoną) rozdzielczość i jest niewymienna. W zamian za to oferuje m.in. możliwość swobodnego wyboru czułości. Dzięki poznaniu podstawowych zagadnień związanych z sensorami światłoczułymi nie tylko łatwiej wybrać aparat odpowiadający naszym wymaganiom, ale też efektywniej z niego potem korzystać. Do czego gorąco zachęcam.

Warto wiedzieć

Najpopularniejszym schematem budowy matryc światłoczułych stosowanych w aparatach cyfrowych jest mozaika Bayera. Nie jest to jednak jedyne rozwiązanie. Firma Foveon produkuje matryce oparte na warstwach, podobnie do budowy filmu kolorowego. Filtry barwne nie są ułożone na tej samej płaszczyźnie jeden obok drugiego (jak w mozaice Bayera), ale w warstwach, kolejno: niebieskiej, zielonej, czerwonej. Dzięki temu na poziomie pojedynczego punktu światłoczułego rejestrowana jest pełna informacja o kolorze, co wiąże się z brakiem konieczności interpolacji informacji o kolorach na podstawie danych z sąsiednich pikseli i, w teorii, wierniejszym oddaniem barw. Minusem jest niższa czułość dolnych warstw (stąd problemy z reprodukcją pewnych kolorów) i relatywnie niska liczba punktów światłoczułych (wysoką wartość podawaną przez producenta należy podzielić przez 3, czyli liczbę warstw z filtrami barwnymi). Jedyną firmą, która konsekwentnie stosuje matryce Foveon w swoich aparatach, jest Sigma.

Warto wiedzieć

Duże matryce światłoczułe (pełnoklatkowe, APS-C lub Systemu 4/3) powoli przestają być zarezerwowane dla cyfrowych lustrzanek. Wysoka jakość kojarzona z wykorzystaniem dużego przetwornika obrazowego zaczyna się wkradać również w świat kompaktów. Na razie są to co prawda modele z górnej półki, przeznaczone dla zaawansowanych fotoamatorów, ale niewykluczone, że to dopiero początek. Na razie można kupić jeden taki aparat (wyposażoną w stałoogniskowy odpowiednik małoobrazkowej dwudziestkiósemki Sigmę DP1), ale drugi (Panasonic Lumix G1 rozpoczynający system mikro 4/3), będący jednocześnie pierwszym systemowym, już został zapowiedziany i trafi na rynek w najbliższym czasie.

Tekst: Łukasz Kacperczyk

Oznacz jako przeczytane

Masz propozycję na temat poradnika?: Napisz do nas

Oceń :

Podziel się :

Zobacz podobne poradniki

RAW - większe możliwości

Co to jest lustrzanka

Cyfra kontra analog, czyli o tym, dlaczego jedno nie wyklucza drugiego

Tryby P, S, A, M: co to jest oraz kiedy i jak ich używać?

rozwiń

Komentarze

admin 2008-10-02 16:55:24

Zarchiwizowana dyskusja: "Tutaj wpisz temat rozpoczynanej dyskusji."

2008.10.02 16:55   Czatyrek

2008.10.19 14:17   mmaxik

Jestem ciekaw, i może ktoś mi odpowie. Jaki wpływ ma matrycę w D90 ma możliwość filmowania? Jak to wpływa na jej żywotność?

2008.10.20 23:43   Robert_Jedliński

napewno jakiś wpływ ma na żywotność, bo nie wierze ze nie. Skoro zużywa się podczas robienia zdjęć, to z filmem pewnie jest podobnie.

2008.11.27 23:52   DarekPhotography

Myślę że o żywotności matrycy dowiemy się dopiero za jakieś 2 lata. Ale myślę że filmowanie bardzo jasnych scen albo też bardzo ciemnych niszczy matrycę.

2008.12.14 22:21   robmar

Moim zdaniem jest pewne , że matryca odczuje ciężką pracę przy nagrywaniu filmów w tak dużej ilości klatek jaką oferuje D90 i tak wysokiej jakości ustawień filmu i dlatego nie jestem zwolennikiem łączenia kamery z aparatem , ale mimo wszystko chylę czoła przed Nikonem za D90 i nadal z dumą będę używał D80.

admin 2008-12-11 14:30:59

Zarchiwizowana dyskusja: "Tutaj wpisz temat rozpoczynanej dyskusji."

2008.12.11 14:30   Tom_H

Tutaj wpisz treść posta.

admin 2010-02-02 13:09:37

Zarchiwizowana dyskusja: "Czyszczenie matrycy - sensora "

2010.02.02 13:09   SKOTIA

Warto odsłonić tajemnice czyszczenia matrycy aby przestać się bać tej w sumie prostej czynności. Często spotykamy się z teorią, że w żadnym wypadku nie wolno próbować samemu czyścić sensora aparatu, że muszą to robić tylko autoryzowane serwisy. I owszem, jeżeli ktoś całe życie wbijał gwoździe lub rąbał w drzewo, to raczej nie powinien się brać za czyszczenie sensora, gdyż może go "przeczyścić". Natomisat jezeli przygotujemy się do tego pod względem teoretycznym i sprzętowym, to moim zdaniem nic nie stoi na przeszkodzie, aby skutecznie wykonać tę czynność we własnym zakresie. Tutaj jest instrukcja jak to zrobić: http://www.youtube.com/watch?v=67vLGotCFd0

FOTOJA 2011-01-01 14:56:33

Bardzo fajny artykuł ale brakuje tu informacji o matrycach większych od małego obrazka, np. takich jak średnioformatowe o rozmiarach 32,9 × 43,8 stosowane przez firmę Hasselblad. No ale z drugiej strony są to aparaty o parametrach przekraczających potrzeby większości fotografów i cenie będącej barierą dla większości z nas.

andrzej550D 2012-02-06 23:41:25

Witajcie. Mam EOS 550D i chyba padła matryca bo po 25 minutowym nagrywaniu ze screena z TV 32 cale pojawiły się pionowe pasy na zdjeciach i video. Niezaświeciła się ikona przegrzanai aparatu więc jeszcze mam nadzieje że to nie matryca, jutro serwis zobaczymy ....

romkur 2012-10-24 00:08:50

Jaka jest (lub bywa) geometria ustawienia subpikseli w pikselach  matryc CCD, CMOS. 

gwteefithget 2013-07-09 09:54:04

Tomek pisze:Cytuję: Tego z pewnością nie oferuje prczeiętny smarfton lub nawet aparat kompaktowy . Ktf3ż by tam śmiał nazwać Canona z serii G prczeiętnym Tak samo ten filtr mają zaawansowane kompakty Nikona i jeszcze parę innych modeli, ale to wyjątki potwierdzające regułę. Słowo prczeiętny jest tu kluczowe

Początek formularza

Dodaj komentarz

Dół formularza

---