Budowa aparatu cyfrowego - MATRYCA.pdf - PC - yntylygent

Budowa aparatu cyfrowego - MATRYCA

Karol Żebruń, styczeń 2007

Wstęp

Gdy trzymamy w ręce aparat cyfrowy, zwykle nie zdajemy sobie sprawy, że w jego

sercu znajduje się niepozorny układ elektroniczny, którego wynalezienie

zrewolucjonizowało cały nasz świat. Cyfrowa rewolucja wydaje się nam czymś

oczywistym, zwłaszcza dla młodszego pokolenia, które nie wyobraża sobie świata bez

komputera czy odtwarzacza DVD. Słowo "cyfrowy" jest dla nas synonimem

stwierdzenia "wysoka jakość" w przeciwieństwie do słowa "analogowy", jakim często

określa się tradycyjne aparaty na klisze. Najważniejsze dla wielu osób w cyfrówce jest

to, aby "miała jak najwięcej megapikseli". To słowo ma magiczne znaczenie. W

rzeczywistości nie jest to jednak najistotniejszy wyznacznik jakości cyfrowych zdjęć.

Aby docenić rewolucję, jaka dokonała się w świecie fotografii, musimy poznać sekrety detektorów cyfrowych,

zwanych popularnie matrycami światłoczułymi. Przy omawianiu budowy aparatu cyfrowego nie sposób o nich

zapomnieć. Nie będziemy się oczywiście zagłębiać dokładnie w fizyczne szczegóły ich działania. Choć jest to

fascynujący kawałek nauki, to jednak bardziej interesowałby miłośnika fizyki, a nie fotografii. Skupimy się na

tych aspektach konstrukcji i działania detektorów cyfrowych, które mają znaczenie dla fotografa. Dowiemy się

również, na jakie korzyści możemy liczyć biorąc do ręki cyfrówkę, ale także z jakimi niedociągnięciami

musimy się liczyć - gdyż fotografia cyfrowa ma swoje wady i ograniczenia, które choć powoli eliminowane

dzięki postępowi nauki, to nadal istnieją.

Matryca CCD stosowana w aparacie Nikon D70. Wygląda "prawie" jak zwykły układ scalony.

Być może ten artykuł pomoże przełamać niechęć do technologii cyfrowej tym, którzy uważają, że "cyfrowość"

zabija ducha fotografii.

1. Dlaczego detektor cyfrowy

Odpowiedź wydaje na pozór się prosta. Klisza ma tę przewagę nad ludzkim okiem, że potrafi integrować

padające światło. Innymi słowy im dłużej "patrzy" się na źródło światła, tym jaśniejsze się ono wydaje.

Ludzkie oko potrafi się na przykład, przyzwyczaić do ciemności, ale to nadal będzie ciemność. Z kolei

naświetlając odpowiednio długo zdjęcie otoczenie na nim stanie się tak jasne, jak za dnia.

Matryca w cyfrówce ma z kolei tę przewagę nad kliszą fotograficzną, że tworzy obraz, który jest od razu w

postaci cyfrowej, można zapisać go jako plik graficzny na karcie pamięci. Kliszę niestety trzeba dopiero

skanować za pomocą skanera. Aby uzyskać odpowiedni rezultat powinno się stosować dobre, a co za tym idzie,

drogie urządzenia.

Wiele osób myśli, że cyfrowe zdjęcie to już nie to, co zdjęcie na kliszy. Choć nie da się zaprzeczyć, że

fotografia analogowa ma swoją "duszę", to nie oznacza to, że cyfrowe zdjęcie będzie gorsze. W większości

przypadków nawet nie zdajemy sobie sprawy, że i w świat analogowej fotografii wkradła się technika cyfrowa.

Fotografowie korzystający z analogowych lustrzanek zwykle skanują swoje zdjęcia, aby "dopracować" ich

wygląd na komputerze, lub dokonać niezbędnego retuszu. A i nasze amatorskie zdjęcia na kliszach podlegają

skanowaniu w "cyfrowych labach", zanim zostaną naświetlone na papierze fotograficznym.

O wyjątkowości elementu, zwanego detektorem cyfrowym, świadczy jeszcze to, że jest on wykorzystywany nie

tylko w cyfrówkach, a również w każdej dziedzinie, w której obraz ma najważniejsze znaczenie, czyli nauce,

medycynie czy w wojsku.

Spójrzmy się na obrazek poniżej. Przedstawia on wydajność kwantową (QE) dla danej długości fali świetlnej

oraz różnych detektorów światła. Widzimy, że oko ludzkie nie wypada tutaj najlepiej. Mimo ogromnej

rozdzielczości i zdolności do adaptowania się do różnych warunków oświetleniowych, reaguje dość słabo na

padające światło. Dlatego możemy spoglądać na zachodzące słońce (oczywiście z umiarem) bez obawy o

prześwietlenie obrazu. Przez oko postrzegamy również świat w ograniczonej liczbie kolorów, ale to chyba nie

jest zbytnim ograniczeniem J. Jak widać klisza fotograficzna prezentuje się sporo lepiej niż oko ludzkie, a

profesjonalne klisze o wysokiej czułości mogą mieć jeszcze lepsze parametry. Jeszcze wydajniejszy jest

fotopowielacz, urządzenie stosowane, do wzmacniania padającego światła. Spójrzmy się jednak na linie

wykresu dla detektorów CCD (jeden z rodzajów matryc światłoczułych). Ich wydajność jest ogromna, w

większości zakresu przekracza 20%, a sięga nawet 90% (zastosowania naukowe). Co to oznacza? Tyle, że aż

90% sygnału świetlnego docierającego do nas od źródła światła może być zamienione w sygnał elektryczny, co

oznacza, że są to urządzenia bardzo czułe.

QE - ang. Quantum Eficiency (wydajność kwantowa) mówi nam o zdolności danego detektora światła do

reagowania na padające światło. 100% oznaczałoby, że nie ma prawie żadnych strat przy rejestracji sygnału,

gdyż zawsze istnieją zakłócenia wprowadzane samorzutnie podczas rejestracji sygnału

DŁUGOŚĆ FALI - to długość fali padającego światła. Po lewej stronie znajdują się kolory z zakresu

ultrafioletu, a po prawej dalekiej podczerwieni, oko ludzkie najlepiej reaguje na długość fali około 500-550 nm

odpowiadającą barwie zielonej (co ma odzwierciedlenie w konstrukcji matryc).

Na wykresie zauważymy także, że CCD reaguje doskonale nie tylko na światło widzialne (oznaczone

pionowymi liniami), ale również na promieniowanie z zakresu podczerwieni. Zdolność rejestracji światła

podczerwonego jest ogromną zaletą detektorów cyfrowych, ale niesie to ze sobą niestety problem. Choć

możemy nie zdawać sobie z tego sprawy, jest on bardzo istotny w fotografii cyfrowej, o czym napisano dalej.

UWAGA: Matryce wykorzystywane w fotografii nie posiadają, aż takiej wydajności QE, jak te

stosowane w nauce. W tym przypadku jest ona rzędu 25-50%. Dodatkowym problemem są szumy, które

niestety obniżają znacznie czułość stosowanych w fotografii detektorów.

Podsumowując można powiedzieć, że matryca światłoczuła to wymarzony detektor światła dla fotografa.

Mamy od razu cyfrowy obraz, doskonałą wydajność. Możemy wykonywać setki zdjęć bez obawy o

nadszarpnięcie naszego budżetu, a potem łatwo przegrać je do komputera i wydrukować tylko te najlepsze.

Nauka fotografii nigdy nie była tak prosta i wygodna, a więc czego chcieć więcej. Dla większości

użytkowników to wystarczający powód, aby wyrzucić stary aparat i kupić cyfrówkę.

Jednak w pewnym momencie mogą się nam w głowie zrodzić różne pytania dotyczące pstrykniętych fotek.

Zechcemy wiedzieć na przykład dlaczego akurat "to" ujęcie nie wyszło tak, jak to było planowane, albo

dlaczego tak dziwnie widać deseń na swetrze. No i skąd te paskudne kolory?

To wszystko stanie się oczywiste, gdy poznamy sekrety działania matryc światłoczułych w aparatach.

2. Trochę historii

Jak to zwykle bywa w historii różnych urządzeń i tutaj narodzinom cyfrowego detektora przyświecał zupełnie

inny cel, niż by się mogło wydawać.

Od początku, czyli od połowy XIX wieku, do wytworzenia obrazu na materiale światłoczułym

wykorzystywano procesy chemiczne. Początkowo były to szklane płyty fotograficzne powlekane substancją

światłoczułą, a potem produkowane do dziś klisze fotograficzne.

W drugiej połowie XX wieku na scenie pojawiły się układy cyfrowe. Powstały jednak nie w wyniku badań

prowadzących do stworzenia doskonalszego detektora światła. W roku 1969 pracownicy laboratorium Bella

(zadziwiające ile powszechnych dziś wynalazków powstało w tym miejscu) Willard Boyle i George Smith

poszukując technologii pozwalającej na przechowywanie dużej ilości danych, czyli w pewnym sensie pamięci,

wynaleźli coś, co nazwano CCD.

Szybko zorientowano się w potencjale tkwiącym w tych urządzeniach (jak zwykle najszybsze były media) i już

w 1974 pierwsze detektory CCD trafiły do kamer telewizyjnych. Od lat 80 stosuje się je powszechnie w nauce.

W tym samym okresie powstawała także bliźniacza technologia CMOS, która stała się podstawą dzisiejszej

mikroelektroniki, a do świata fotografii wkroczyła niejako kuchennymi drzwiami. Mimo wielu różnic

pomiędzy tymi technologiami, a zarazem problemów ,jakie sprawiają użytkownikom, podstawa działania obu

rodzajów urządzeń jest taka sama.

PODSTAWOWA ZASADA:

Na początku XX wieku Einstein opisał istotę zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego. Polega ono na

przekazaniu energii fotonów padającego światła elektronom metalu (w matrycach stosuje się krzemowe

półprzewodniki), które zostają uwolnione (odseparowane od atomu, nazywa się je fotoelektronami). Jest to

podstawa działania każdej matrycy cyfrowej w aparacie.

Nazwy obu technologii to skróty:

CCD - układ o sprzężeniu ładunkowym (ang. charge coupled device)

CMOS - komplementarny półprzewodnik tlenkowy (ang. complementary metal-oxide

semiconductor),

W dalszej części artykułu, jeśli nie będzie to jednoznacznie określone, terminy "matryca światłoczuła",

"detektor" będą odnosiły się zarówno do układów wykonanych w technologii CCD jak i CMOS.

Wśród niektórych użytkowników aparatów cyfrowych popularne są spory na temat "który detektor jest lepszy".

Przypomina to często "wojny systemowe", gdzie zwolennicy jednej marki aparatu udowadniają jej wyższość

nad inną. Nie jest to jednak dobre podejście. Obie technologie są intensywnie rozwijane, miewają także okresy

zastoju, i choć każda ma swoje zalety i wady, to obie doskonale sprawdzają się w fotografii cyfrowej.

Historia rozwoju aparatów cyfrowych to wiele wydarzeń i związanych z nimi dat. Niektóre z nich były

przełomowe, niektóre nie doprowadziły do żadnych osiągnięć. Ciężko podać jednoznacznie, kto stworzył

pierwszą cyfrówkę lub który model można traktować jako pierwszy powszechnie dostępny.

Jak zwykle dużą rolę odegrała tutaj m.in. firma Kodak. W 1986 roku stworzono w ich laboratoriach pierwszy

układ o 1 milionie pikseli (1MPix, o megapikselach mowa będzie dalej). Początek lat 90-tych możemy

potraktować jako początek ery cyfrówek. Wtedy to pojawiły się na rynku pierwsze aparaty cyfrowe, m.in.

Kodak DCS-100 SLR z matrycą 1.3Mpix. Nowa technologia słono kosztowała - 30000$. Musiało jednak

upłynąć jeszcze kilka lat zanim cyfrówki zaczęły podbijać nasze serca i "kieszenie". W połowie lat 90-tych

zaczęły się pojawiać cyfrowe kompakty o swojsko dziś brzmiących nazwach Canon Powershot, Sony

Cybershot, Casio QV, Nikon Coolpix, które mogliśmy już podłączyć do komputera.

Jedna z pierwszych cyfrówek - Canon Powershot 600 i najnowszy model Canon Powershot G7.

Jak widać wyglądać zewnętrzny nie uległ znaczącej zmianie.

Matryce stosowane w pierwszych szeroko dostępnych aparatach miały niewielką rozdzielczość. Była ona rzędu

640x480pix (0.3Mpix).Dziś taką rozdzielczością może pochwalić się prawie każdy telefon komórkowy, a

raczej wbudowany weń aparat. Szybko nastąpiły zmiany i już w 1997 roku aparaty mogły się poszczycić

przetwornikami 1Mpix. Na przełomie stuleci aparaty miały już zwykle montowane matryce 2Mpix. W roku

2003 większość nowych cyfrówek miała detektory 3 lub 4Mpix, a na horyzoncie widać było już modele z

matrycą 5Mpix. Każdy kolejny rok przynosił nam zwiększanie ilości Mpix w aparatach. Dzisiaj jesteśmy w

stanie wykonać zdjęcie mające 10Mpix za pomocą niezbyt drogiego (oczywiście w porównaniu z dawnymi

konstrukcjami) kompaktu. Lustrzanki mają matryce 6,10,12 aż do kilkudziesięciu (w profesjonalnych

modelach) Mpix.

MATRYCE CYFROWE W NAUCE: Jednym z bardzo ważnych pól zastosowań CCD, a ostatnio także i CMOS

jest nauka. Zastosowanie CCD w połowie lat 70-tych do obserwacji astronomicznych stanowiło ogromny

przełom w rozwoju tej dziedziny nauki. Od tej pory astronom nie jest skazany na żmudne i długotrwałe

naświetlanie szklanych płyt fotograficznych (w profesjonalnej astronomii nie stosuje się klisz), a może uzyskać

znacznie szybciej bardziej dokładny obraz za pomocą detektora cyfrowego. Co ciekawe, nie analizuje już

danych za pomocą własnego wzroku (a tak dawniej bywało), ale może pozwolić wykonać to zadanie szybciej i

precyzyjniej komputerom. I w ten oto sposób dzisiejszy astronom to często także zdolny programista, znający

się doskonale na cyfrowej obróbce obrazu. To dzięki tym urządzeniom otrzymujemy obecnie wspaniałe obrazy

nieba i planet z sond kosmicznych. Astronomowie uwolnili się od ograniczeń jakie niosły ze sobą klisze -

głównie konieczności wywołania, a także ograniczenia w ilości wykonanych obrazów.

Układy stosowane w nauce w pełni wykorzystują potencjał, jaki niesie ze sobą czułość matryc, okupione jest to

jednak koniecznością bardzo precyzyjnej kalibracji urządzeń, a często także utrzymywania w temperaturze

poniżej -90'C. Wymaga to chłodzenia za pomocą ciekłego azotu, a nawet helu, co jest nie do pomyślenia w

przypadku aparatu cyfrowego.

Kolejne Mpix w aparatach pozwoliły nam wykonywać coraz lepsze powiększenia i przyczyniły się do

zwycięstwa techniki cyfrowej nad analogową. Czy jednak można tak w nieskończoność? Czy za parę lat

pójdziemy do sklepu po Canona G10 z 20Mpix matrycą? Możliwe, choć nie takie pewne. Aby stało się to

rzeczywistością producenci będą musieli pokonać kolejną barierę - jakości obrazu. Dlaczego? O tym

przekonamy się z dalszej lektury tego artykułu.

3. Wewnątrz cyfrówki - czyli jak to wygląda?

Wiemy już, że matryca światłoczuła to doskonały kompan każdego fotografa. Poznaliśmy też kilka szczegółów

z historii. Zobaczmy teraz jak wygląda budowa matrycy stosowanej w aparacie cyfrowym.

Światło zogniskowane przez obiektyw pada ma matrycę. Na rysunku widzimy jednak, że matryca światłoczuła

stosowana w aparacie cyfrowym to nie tylko detektor światła CCD/CMOS (5). Przed pikselami umieszczone są

na stałe filtry barwne (4) i mikrosoczewki (3) i zestaw filtrów. Dodatkowo przed matrycą umieszczony jest

także filtr IR (1) oraz AA (2), które nie są zainstalowane na stałe (można je usunąć). Zanim zdjęcie zostanie

zapisane na karcie pamięci przetwarzane jest przez układ DSP (6, ang. Digital Signal Processor, cyfrowy

procesor sygnału).

LCD TO NIE MATRYCA:

Prawie każdy aparat cyfrowy ma na tylnej ściance wyświetlacz LCD. Służy on do wyświetlania podglądu już

zrobionego zdjęcia i pozwala na nawigację po zakamarkach często bardzo rozbudowanego menu. Jednak nie

należy mylić go z matrycą. Ta jest umieszczona całkowicie wewnątrz aparatu, zwykle tuż przed wyświetlaczem

LCD, w jego tylnej części. Czasem aparaty mają umieszczony specjalny znaczek określający płaszczyznę

matrycy czyli miejsce, gdzie powstaje nasze zdjęcie.

Możemy więc zaryzykować stwierdzenie, że mianem matrycy w aparacie możemy określać te wszystkie

podzespoły razem. Teraz zapoznamy się bardziej szczegółowo z wymienionymi elementami. Zaczniemy od

detektora światła.

4. Od światła do bitów - czyli jak to działa

Jak już wspomnieliśmy, najpopularniejsze technologie wytwarzania matryc stosowanych w fotografii cyfrowej

to CCD i CMOS. Zarówno sensory CCD jak i CMOS składają się z pikseli. Światło padające na pojedynczy

piksel powoduje wygenerowanie w nim ładunku, w postaci elektronów wybitych z półprzewodnika tworzącego

piksel (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne). Ładunek odpowiada intensywności padającego światła.

Następnie zablokowany zostaje dostęp światła, mechanicznie za pomocą migawki (zwykle tak jest w

lustrzankach cyfrowych) lub elektronicznie (technika powszechna w kompaktach), i sygnał zawarty w

pikselach zostaje odczytany. Czasem stosowana jest migawka hybrydowa (mechaniczno-elektroniczna).

Budowa aparatu cyfrowego - MATRYCA.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: