W tym artykule powrócimy do klasycznych technologii matryc aparatów, koncentrując się na kamieniach milowych osiągniętych w ciągu ostatnich 25 lat.
Matryce CCD
Matryce CCD (Charge-Coupled Device) były pierwszymi, które zapewniły imponujące wyniki w przystępnej cenie dla produktów konsumenckich. CCD odczytuje jeden piksel na raz, przenosząc ładunek z jednego piksela do następnego. Szybkość odczytu zależy od prądu doprowadzonego do układu, co wymaga znacznego zużycia energii dla szybszego odczytu. Jednak powolna prędkość odczytu CCD, spowodowana ograniczeniami mocy w aparatach konsumenckich, sprawiła, że podgląd w czasie rzeczywistym był opóźniony. Od połowy lat 90. do wczesnych lat 2010. matryce CCD stanowiły podstawę wczesnego rynku aparatów cyfrowych. W tym czasie technologia CCD ewoluowała, poprawiając swoją wydajność.
Matryce CCD wspierały rozwój wczesnych aparatów cyfrowych, przedstawionych tutaj na przykładzie aparatu Nikon COOLPIX 995.
Super CCD
Jako „gałąź” technologii CCD, warto również wspomnieć o technologii Super CCD firmy Fuji. Wykorzystuje ona głównie dużą fotodiodę i częściowo osłoniętą fotodiodę dla każdego piksela. Matryca Fuji S3 Pro była wyposażona w technologię Super CCD, oferując zakres dynamiczny znacznie przewyższający współczesne rozwiązania. Jednakże w warunkach wysokiej czułości ISO obecność częściowo osłoniętych fotodiod mogła potencjalnie wpływać na jakość obrazu.
Aparat Fujifilm FinePix S3 Pro, wyposażony w matrycę Super CCD, jest również bardzo ikonicznym aparatem.
Super CCD EXR
Fuji dalej rozwijało Super CCD w Super CCD EXR. Nieznacznie przesunięto rzędy pikseli, powtarzając wzór filtra Bayera w sparowanych rzędach. Pozwoliło to na uzyskanie pełnej rozdzielczości w jednym trybie oraz trybów niskiego oświetlenia lub wysokiego zakresu dynamicznego w innym. Chociaż nie jest już używana, technologia ta ma podobieństwa do dzisiejszych matryc Quad Bayer lub Tetracell.
Technologia CMOS
Tymczasem technologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) również rozwijała się. Matryce CMOS przesyłają informacje z każdego piksela za pośrednictwem obwodu. Oznacza to, że informacje o ładunku poszczególnych pikseli nie muszą przechodzić przez inne piksele, co skutkuje szybszym transferem ładunku i mniejszym zużyciem energii. Matryce CMOS są bardziej opłacalne w porównaniu z matrycami CCD. Premiera Canona D30 APS-C DSLR w 2000 roku zapoczątkowała erę matryc CMOS. W kolejnych latach wydajność matryc CMOS poprawiała się, zdobywając uznanie za imponującą wydajność przy wysokim ISO.
Canon EOS 300D, wydany w 2003 roku, był pierwszą lustrzanką cyfrową z matrycą CMOS w cenie poniżej 1000 dolarów.
Na początku kompaktowe aparaty cyfrowe z małymi matrycami nie odniosły szczególnego sukcesu, co sprawiło, że wiele z nich nadal korzystało z matryc CCD. Aparat cyfrowy Olympus XZ-1, jak pokazano, jest tego przykładem.
Matryca Foveon X3
Matryca Foveon X3 wyróżnia się jako jedna z najbardziej znanych matryc innych niż Bayer. Jest to zasadniczo matryca CMOS, ale bez filtrów kolorów. Zamiast tego, rejestruje trzy głębokości elektronów światła na piksel i łączy informacje o kolorze na podstawie długości fali. Projektowanie tego okazało się wyzwaniem, zwłaszcza dla głębokich czerwonych warstw, co prowadziło do problemów z szumem. Oferowała lepszą rozdzielczość, ale wykazywała więcej szumu przy wysokich czułościach ISO.
Pierwszym aparatem wyposażonym w matrycę Foveon X3 był Sigma SD9.
Matryce z tylnym podświetleniem (BSI)
Wraz z pojawieniem się funkcji nagrywania wideo w wysokiej rozdzielczości, wprowadzonej przez Canon EOS 5D Mark II, i późniejszą erą bezlusterkowców, szybkość odczytu matryc CMOS zyskuje coraz większe znaczenie. Szczególnie w aparatach wykorzystujących większe matryce, szybsza prędkość odczytu jest kluczowa dla kadrowania w czasie rzeczywistym. W 2009 roku przemysł wprowadził matrycę z tylnym podświetleniem (BSI), początkowo opracowaną dla mniejszych matryc używanych w smartfonach i aparatach kompaktowych. Metoda produkcji matryc BSI jest podobna do istniejącej konstrukcji, głównie wykorzystując „tył” matrycy do odbierania światła. Oznacza to, że przednia część każdego piksela, odpowiedzialna za okablowanie elektryczne i obwody, jest usuwana, zwiększając zdolność absorpcji światła przez każdy piksel. Jednakże zalety tej technologii nie są szczególnie znaczące dla większych matryc. W rezultacie jej zastosowanie w matrycach aparatów było początkowo ograniczone.
Technologia CMOS nadal ewoluuje. Na przykład, nowe projekty pozwalają na więcej przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) w matrycach, a te przetworniki mogą być umieszczone bliżej pikseli. Minimalizuje to szum elektroniczny podczas odczytu, ponieważ szum generowany przez ADC jest częściowo określany przez ich prędkość działania. Dlatego posiadanie dużej liczby ADC nie wymaga, aby każdy ADC działał z ekstremalnie wysokimi prędkościami, co pozwala na szybki odczyt danych bez zwiększania poziomu szumu.
Technologia matryc z tylnym podświetleniem (BSI) zaczęła być stosowana w większych matrycach aparatów od 2014 roku. Ponieważ poszczególne piksele w większych matrycach zajmują więcej miejsca, proporcja piksela przeznaczona na ulepszenie części „okablowania” w technologii BSI jest mniejsza. Dlatego wpływ BSI na poprawę jakości obrazu w większych matrycach jest stosunkowo ograniczony. Jednak nastąpiły ulepszenia. Po pierwsze, wprowadzono ulepszenia w kątach odbioru światła przez piksele, aby poprawić jakość krawędzi matrycy. Po drugie, przeniesienie okablowania na tył piksela pozwala na bardziej złożone obwody. Umożliwia to dalsze zwiększenie liczby ADC, co skutkuje szybszym odczytem bez dodatkowego szumu.
Nawet prawie dekadę później, użycie matryc z tylnym podświetleniem nie jest szczególnie rozpowszechnione. Wynika to z faktu, że nie przyniosło to znaczących postępów w jakości obrazu.
Nawet w aparatach cyfrowych, takich jak seria Sony RX100, poprawa jakości obrazu uzyskana dzięki matrycom z tylnym podświetleniem jest nadal ograniczona.
Historia rozwoju czujników to nie tylko Sony i Canon. Samsung był właściwie pierwszym producentem, który zastosował technologię czujników z podświetleniem tylnym w aparatach formatu APS-C. Samsung NX1, wydany w 2014 roku, był takim aparatem wyposażonym w czujnik z podświetleniem tylnym w formacie APS-C.
Technologia podwójnego wzmocnienia (Dual Gain Technology)
Matryce z podwójnym wzmocnieniem zwiększają zakres dynamiczny. Początkowo widziane w serii Nikon 1, oferują wiele trybów odczytu na piksel, maksymalizując zakres dynamiczny przy niskich czułościach ISO i lepszą wydajność w cieniach przy wyższych czułościach ISO. Sony zintegrowało to w celu zwiększenia zakresu dynamicznego, jednocześnie poprawiając wydajność przy wysokich czułościach ISO.
Sony α7S charakteryzuje się wyjątkową wydajnością przy wysokiej czułości ISO.
Matryce warstwowe (Stacked Sensors)
Stacked CMOS, najnowsza technologia, bazuje na BSI. Oddzielne warstwy półprzewodników są połączone obwodami, co umożliwia skomplikowane układy. Chociaż jest to wyzwanie i kosztowne, zwiększa przetwarzanie danych. Producenci aparatów wykorzystują to do buforowania w aparacie, poprawiając równoległe przechwytywanie obrazów i szybsze odczyty.
Szybkość matrycy Nikon Z9 jest wystarczająco duża, aby umożliwić użycie w pełni elektronicznej migawki. Dodatkowo, oferuje oddzielne bufory dla obrazów w pełnej rozdzielczości, a także dla autofokusa i podglądu w czasie rzeczywistym. Jednakże, to może być tylko początek możliwości technologii matryc warstwowych.
Podsumowanie i analiza
Dziś w większości aparatów konsumenckich wydajność matryc jest ogólnie imponująca. Matryce te zapewniają doskonałą wydajność zakresu dynamicznego przy podstawowych ustawieniach ISO, a nawet przy wysokich poziomach ISO ich szum elektroniczny jest znacznie zredukowany, poza wrodzonym szumem fotonowym. Jednak nadal istnieje znaczna luka od głównych przełomów technologicznych. Być może w przyszłości więcej osiągnięć pozwoli na rozszerzenie zakresów niskiego ISO w celu dalszego zwiększenia jakości obrazu lub przełomów w dokładności odwzorowania kolorów.
Ulanzi jest zaangażowany w projektowanie i produkcję akcesoriów do aparatów, aby rozwiązywać niedogodności użytkowników podczas korzystania z aparatów, oferując najlepszą cenę i jakość dla naszych klientów.
Jeśli spodobał Ci się ten artykuł, udostępnij go! Dołącz do naszej grupy na FB: https://www.facebook.com/groups/ulanzi i grupy Discord: https://discord.com/invite/aPftfX5AdT , aby podzielić się swoimi pomysłami! Możesz również otrzymywać od nas darmowe artykuły, aktualizacje i informacje o zniżkach.
