Описание датчиков изображения

Фотография обладает магической способностью останавливать время. Ключевую роль в этом играет датчик изображения, лежащий в основе каждой цифровой камеры. Подобно тому, как сетчатка глаза человека улавливает свет и преобразует его в нервные импульсы, которые может интерпретировать мозг, датчик улавливает свет и преобразует его в электрический сигнал, который затем обрабатывается для формирования цифрового изображения.

В этой статье мы рассмотрим принцип работы датчиков изображения и различные типы датчиков изображения, используемых в камерах Canon.

• Основы формирования цифрового изображения
• Датчики изображения CCD
• Датчики изображения CMOS
• Разработки в области датчиков изображения CMOS
• Датчики изображения DGO
• Датчик изображения SPAD
• Описание датчиков разных размеров

При использовании датчика любого типа процесс формирования изображения начинается, когда свет проходит через объектив камеры и попадает на датчик. Датчик содержит миллионы приемников светового излучения или фотоэлементов, преобразующих энергию света в электрический заряд. Величина заряда пропорциональна интенсивности света — чем больше света попадает на определенный фотоэлемент, тем сильнее электрический заряд, который он производит. (Датчики изображения SPAD работают по-другому — подробнее об этом далее.)

Для получения информации о цвете и яркости фотоэлементы оснащены красным, зеленым и синим цветовыми фильтрами. Это означает, что одни фотоэлементы регистрируют интенсивность красного света, другие — интенсивность зеленого, а третьи — интенсивность синего.

Электрические сигналы от всех фотоэлементов датчика передаются в процессор обработки изображений камеры, который интерпретирует всю эту информацию и определяет значения цвета и яркости всех отдельных пикселей (элементов изображения), составляющих цифровое изображение.

При съемке в формате RAW эти данные вместе с информацией о настройках камеры сохраняются в файле RAW. Если камера настроена на сохранение изображений в любом другом формате — JPEG, HEIF или RAW + JPEG, — то дальнейшая обработка происходит в камере и обычно включает в себя настройку баланса белого, повышение резкости и шумоподавление, а также другие процессы, в зависимости от настроек камеры. Она также включает в себя демозаику или дебайеризацию, что позволяет вычислить правильное значение цвета RGB для каждого пикселя (каждый отдельный фотоэлемент, напомним, записывает только один цвет: красный, зеленый или синий). В итоге получается полноценное цветное цифровое изображение — хотя на самом деле, если речь идет о формате JPEG, то большая часть исходной информации, полученной датчиком, удаляется, а не сохраняется.

Обычно, когда говорят о датчиках изображений, упоминают количество мегапикселей (миллионов пикселей), но, строго говоря, в датчике нет пикселей, а есть отдельные светочувствительные элементы (фотоэлементы). Более того, по целому ряду технических причин нет однозначного соответствия между светочувствительными элементами в датчике и пикселями в получаемом цифровом изображении. Правильнее говорить о том, что датчик имеет определенное количество «эффективных пикселей», что значит, что камера создает изображения или видео с указанным количеством мегапикселей. Например, камера Canon PowerShot V10 оснащена датчиком изображения с разрешением около 20,9 МП — это «общее число пикселей». При этом часть данных датчика используется для таких технических процессов, как коррекция искажений и цифровая стабилизация изображения, в результате чего PowerShot V10 обеспечивает видеосъемку (с функцией цифровой стабилизации) с разрешением около 13,1 МП, а фотосъемку (при выполнении которой выполняются другие процессы) — с разрешением около 15,2 МП.

Существует несколько типов датчиков изображения. Широкое распространение цифровая фотография получила в середине 1980-х годов с появлением датчиков изображения CCD (с зарядовой связью). Именно эти датчики впервые позволили получать изображения без использования пленки, что произвело революцию в фотографии.

Датчики CCD состоят из интегрированной сетки полупроводниковых конденсаторов, способных удерживать электрический заряд. Когда свет достигает датчика, эти конденсаторы, действующие как отдельные фотоэлементы, поглощают свет и преобразуют его в электрический заряд. Уровень заряда на каждом фотоэлементе прямо пропорционален интенсивности попадающего на него света.

В датчике CCD заряд с каждого фотоэлемента передается через решетку датчика (отсюда термин «зарядовая связь») и считывается в одном из углов массива по принципу «пожарной цепочки» (цепочки людей, передающих друг другу ведра с водой на пожаре). Этот метод обеспечивает высокое качество и однородность изображения, поскольку каждый пиксель использует один и тот же путь для вывода своего сигнала. По этой причине первая профессиональная цифровая камера Canon EOS-1D, выпущенная в 2001 году, была оснащена датчиком изображения CCD 4,15 МП. Однако этот процесс также является более энергоемким, чем процессы в датчиках CMOS.

В 2000 году компания Canon представила EOS D30 3,1 МП — первую камеру с датчиком изображения CMOS (с комплементарной структурой металл-оксид-полупроводник). В отличие от датчика CCD, в котором заряд через весь датчик передается на один выходной узел, датчик CMOS содержит несколько транзисторов на каждом фотоэлементе, что позволяет обрабатывать заряд непосредственно на фотоэлементе. Это влечет за собой ряд последствий.

Во-первых, датчикам CMOS требуется меньше питания, что делает их более энергоэффективными. Они также могут считывать электрические заряды гораздо быстрее, что очень важно для высокоскоростной серийной съемки. Более того, датчики CMOS имеют ту же базовую структуру, что и компьютерные микропроцессоры, что позволяет производить их массово и по более низкой цене, а также внедрять дополнительные функции, такие как шумоподавление и обработку изображений непосредственно на датчике.

Все современные линейки камер Canon — PowerShot, EOS, Cinema EOS и беззеркальные камеры системы EOS R — оснащены датчиками CMOS.

Технологии датчиков изображения CMOS продолжают развиваться. Инновационная разработка компании Canon — технология Dual Pixel CMOS AF, которая позволяет использовать каждый пиксель на датчике как для формирования изображения, так и для автофокусировки, что способствует более быстрому и эффективному ее применению.

Еще одной разработкой Canon в области технологий датчиков CMOS является многослойный датчик изображения с задней подсветкой, используемый в камере EOS R3. Такая конструкция позволяет поместить фотодиоды над слоем транзисторов для повышения эффективности сбора света, что приводит к снижению уровня шума и повышению качества изображения. Кроме того, многослойная структура обеспечивает более быстрое считывание данных, что повышает скорость работы камеры. Эта технология позволяет EOS R3 отвечать требованиям как высококлассного видеопроизводства, так и фотосъемки с высоким разрешением.

Исследования и разработки в области датчиков изображения CMOS в компании Canon продолжаются. Одним из недавних достижений в этой области стало создание полнокадрового 35-мм датчика CMOS ультравысокой чувствительности с гораздо более крупными фотоприемниками (примерно в 7,5 раз больше, чем в предыдущих моделях датчиков). Более крупные фотоприемники способны улавливать больше света, достигая уровня чувствительности, эквивалентного ISO 4 млн, что позволяет камере получать яркие цветные изображения в условиях нехватки света. Эта технология используется в видеокамере Canon ME20F-SH для съемки в условиях очень слабого освещения.

Компания Canon также разработала датчик с очень большим количеством пикселей, используя передовые технологии обеспечения компактности для уменьшения размера фотоэлементов. Это позволяет получать изображения с очень высоким разрешением и количеством пикселей — до 250 МП. На изображении, полученном с помощью этой технологии, можно различить надпись на самолете, находящемся в полете на расстоянии 18 км, и получить разрешение, примерно в 30 раз превышающее разрешение видео 4K. Эта технология имеет большой потенциал для применения в таких областях, как видеонаблюдение, астрономические наблюдения и обработка медицинских изображений.

Недостатком современных датчиков CMOS является то, что по техническим причинам, в том числе из-за пропускной способности, данные с них считываются последовательно, а не одновременно. Это приводит к проблемам, таким как искажения «роллинг-шаттер» при съемке быстро движущихся объектов, изменивших свое положение за время считывания кадра. Усовершенствованный датчик CMOS в камере EOS R3 позволяет значительно увеличить скорость считывания, что существенно облегчает эту проблему. Canon активно изучает и другие решения, например технологию «глобального затвора», которая позволяет считывать информацию со всего датчика одновременно, но эта технология очень сложна, вызывает дополнительные шумы на изображении, требует больших затрат и пока не может обеспечить высокое качество.

Датчик DGO (с двойным усилением) — это усовершенствованный датчик изображения, используемый в профессиональных видеокамерах Canon EOS C300 Mark III и EOS C70.

Датчик Canon DGO работает следующим образом: каждый пиксель считывается с двумя уровнями усиления — высоким и низким — после чего оба файла совмещаются в одно изображение. При считывании с верхним усилением сохраняются мельчайшие детали в темных областях и снижается уровень шума. Считывание с нижним усилением предназначено для сохранения уровня детализации в светлых областях. Их сочетание позволяет получить изображение с более широким динамическим диапазоном, более высокой детализацией и меньшим уровнем шума по сравнению с изображениями, полученными с помощью традиционных датчиков.

Датчики DGO не потребляют больше энергии, чем обычные датчики изображения, а также совместимы с системой Canon Dual Pixel CMOS AF и технологией электронной стабилизации изображения, что обеспечивает быструю и надежную автофокусировку и максимальную четкость изображений.

Датчик DGO от Canon работает, считывая каждый пиксель с двумя разными уровнями усиления: высоким и низким, а затем объединяя эти два показания в одно изображение. Показания с высоким усилением оптимизированы для улавливания мелких деталей в теневых областях при одновременном снижении шума. Считывание с низким усилением предназначено для сохранения и точного воспроизведения информации в светлых участках. Их объединение позволяет получить изображение с более широким динамическим диапазоном, сохранить больше деталей и меньше шума по сравнению с изображениями, полученными с помощью традиционных сенсорных технологий.

Технология DGO потребляет не больше энергии, чем обычный датчик, а также совместима с системой Canon Dual Pixel CMOS AF и электронной стабилизацией изображения, обеспечивая быструю и надежную автофокусировку и сверхстабильное изображение.

Датчики изображения CCD и CMOS измеряют интенсивность света — другими словами, регистрируют количество фотонов, попадающих на датчик за определенное время. Датчики SPAD (на основе однофотонных лавинных диодов) работают по-другому, используя «лавинный» эффект в полупроводниках. Когда фотон попадает на датчик изображения, генерируется электрон, запускающий цепную реакцию или процесс «лавинного» создания электронов. В результате такого каскадного эффекта мгновенно протекает ток большой силы, который считывается как сигнал напряжения в виде последовательности импульсов, соответствующих отдельным фотонам.

Эта уникальная технология светочувствительности позволяет датчикам SPAD добиваться невероятного качества изображения при слабом освещении. Используя выдающуюся технологию датчика изображения SPAD, компания Canon разработала MS-500 — революционную камеру со сменными объективами, обеспечивающую съемку цветных материалов высокой четкости в условиях минимальной освещенности — практически в полной темноте.

Кроме того, байонетное крепление MS-500 для вещательного объектива 2/3 дюйма позволяет использовать широкий ассортимент вещательных объективов Canon с их превосходными оптическими характеристиками супертелеобъективов. Благодаря этому камера способна распознавать объекты, находящиеся на расстоянии нескольких километров, даже если они не освещены, что делает ее уникальным решением для систем безопасности, видеонаблюдения и широкого круга научных задач.

Очевидно, что дело не только в количестве мегапикселей на датчике (как общем количестве пикселей, так и количестве эффективных пикселей). Важным фактором является физический размер датчика. Датчики изображения APS-C физически меньше полнокадровых, поэтому даже при одинаковом количестве пикселей камера с полнокадровым датчиком должна обеспечивать более широкий динамический диапазон и лучшую производительность при слабом освещении — при том же количестве мегапикселей, но на большей площади, она имеет более крупные фотоэлементы, которые способны улавливать больше света. Это делает полнокадровые камеры, такие как EOS R3 и EOS R5, излюбленным выбором профессионалов, особенно тех, кто снимает пейзажи, архитектурные объекты или портреты.

И наоборот, поскольку датчики APS-C меньше, объект съемки заполнит большую часть кадра, чем если бы вы использовали тот же объектив с теми же настройками на полнокадровой камере — таким образом, фактически датчик APS-C увеличивает фокусное расстояние объектива. В камерах Canon «кроп-фактор» составляет приблизительно 1,6x, что обеспечивает эффективное фокусное расстояние в 1,6 раза больше, чем у такого же объектива на полнокадровой камере. Таким образом, например, объектив 50 мм имеет поле зрения объектива 80 мм (50 x 1,6 = 80). Это означает, что камеры формата APS-C хорошо подходят для широкого круга задач, включая съемку дикой природы и уличную фотографию. Кроме того, благодаря меньшему размеру датчика камеры формата APS-C, такие как EOS R50 и EOS R10, меньше и легче своих полнокадровых аналогов, что делает их отличным вариантом для съемок в путешествиях или на природе.

В некоторых видеокамерах используются датчики формата Super-35 (активная область приблизительно 24,6 x 13,8 мм, в зависимости от настройки разрешения), которые по площади несколько больше, чем датчики APS-C (22,2 x 14,8 мм), но все же меньше половины площади полнокадрового датчика (36 x 24 мм). Они широко используются в киноиндустрии благодаря оптимальному соотношению стоимости, качества изображения и кинематографического эффекта (достигаемого за счет малой глубины резкости). В видеокамерах и камерах других типов используются датчики других размеров, например многослойный 20,1-мегапиксельный датчик CMOS типа 1.0 в компактной камере PowerShot G7 X Mark III и 11,7-мегапиксельный датчик CMOS типа 1/2.3 в камере PowerShot PX.

Выбор размера датчика изображения в значительной степени зависит от ваших требований к съемке и бюджета. Любой размер датчика имеет свои преимущества, представление о которых поможет выбрать камеру, соответствующую конкретным потребностям. Тем не менее, теперь понятно, почему использование стандарта «эффективных пикселей» позволяет упростить сравнение различных камер и технологий!

Выбор размера сенсора во многом зависит от ваших требований к съемке и бюджета. Каждый размер сенсора имеет свои преимущества, и понимание этих преимуществ поможет вам выбрать камеру, соответствующую вашим конкретным потребностям. Однако вы можете понять, почему стандартизация «эффективных пикселей» обеспечивает более простой способ сравнения разных камер и разных технологий!