Światłoczułe punkciki

Bardziej doświadczeni użytkownicy aparatów cyfrowych z pewnością zetknęli się z dwoma rodzajami matryc: CCD i CMOS. Różnica między nimi sprowadza się do innego rozmieszczenia elementów elektronicznych. W przypadku CCD przetworniki analogowo-cyfrowe znajdują się poza samą matrycą. Informacje z poszczególnych pikseli matrycy spływają do układów elektronicznych i dopiero tam zamieniane są na postać cyfrową. W czujnikach CMOS każdy piksel ma własną elektronikę osadzoną w obrębie matrycy. Zaletą takiego rozwiązania jest wierniejszy odczyt sygnału z piksela. Sygnał nie jest transmitowany do odległego przetwornika, jak to ma miejsce w przypadku CCD, lecz jest zamieniany na postać cyfrową w obrębie piksela. To znacznie obniża ilość szumów widocznych na zdjęciu. Wadą CMOS jest zwiększenie matrycy, która oprócz punktów światłoczułych musi pomieścić elementy elektroniczne. Z tego powodu tego typu matryce stosowane są w większych aparatach – głównie lustrzankach cyfrowych.

Najważniejsza zasada, jaką powinien sobie przyswoić nabywca aparatu cyfrowego, brzmi: większa rozdzielczość matrycy wcale nie oznacza zdjęć lepszej jakości. Dotyczy to w szczególności niewielkich aparatów kompaktowych. Ich matryca (podobnie jak wszystkie elementy aparatu) ma bardzo małe rozmiary – zazwyczaj o powierzchni od 25 do 38 milimetrów kwadratowych. Muszą się na niej zmieścić miliony punktów światłoczułych (pikseli) – coraz częściej aparaty mają matryce o rozdzielczości przekraczającej 10 megapikseli. Powstaje problem, jak rosnącą liczbę pikseli upakować na małej przestrzeni, biorąc pod uwagę, że wymiary pojedynczego piksela nie mogą być zmniejszane w nieskończoność. I czy jest w ogóle sens to robić? Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy poznać zasadę działania matrycy

Matryca składa się z milionów punktów. Każdy zawiera czuły na światło element półprzewodnikowy. Gdy jest wykonywane zdjęcie, do półprzewodnika dociera światło w postaci fotonów, odpowiednio ukierunkowanych przez umieszczoną nad półprzewodnikiem mikrosoczewkę. Fotony, po przejściu przez mikrosoczewki oraz warstwy metalu, oddziałują na półprzewodnik, wyzwalając elektrony, które gromadzą się w kondensatorach. Mierząc zgromadzony w nich ładunek, elektronika aparatu określa, ile światła padło na każdy z pikseli, a przetwornik zamienia tę informację na postać cyfrową, która trafia do procesora aparatu (więcej o tym procesie w ramce „CCD i CMOS”).

Zmniejszanie matrycy oraz zwiększanie liczby pikseli wiąże się z koniecznością zmniejszenia wielkości pojedynczego piksela. Do matrycy dociera mniej światła, więc sygnał z każdego piksela musi być elektronicznie wzmocniony, aby zniwelować tę wadę. Mniejsze i gęściej upakowane na matrycy piksele mocniej się nagrzewają podczas pracy. Dla użytkownika aparatu objawia się to szumami na zdjęciach – szczególnie wykonanych w kiepskich warunkach oświetleniowych (np. we wnętrzach pomieszczeń). Szumy te mają postać różnokolorowych kropek widocznych przede wszystkim na elementach szarych i czarnych.

W matrycach wykorzystujących filtr Bayera pojedynczy piksel rejestruje tylko jeden kolor światła, a barwa każdego punktu widoczna na zdjęciu jest określana na podstawie interpolacji kolorów z sąsiednich pikseli. W matrycach Foveon X3 piksele są ułożone w trzech warstwach – każda rejestruje światło jednego koloru, a końcowy kolor pikseli, widoczny na fotografii, jest skutkiem złożenia danych z trzech warstw - brak tu interpolacji kolorów.

Innym negatywnym skutkiem niewielkich rozmiarów matrycy jest mała skala odwzorowania (stosunek rzeczywistej wielkości obiektu do jego wielkości na zdjęciu), co utrudnia wykonanie zdjęć w trybie makro. Fotografowane obiekty są na zdjęciu mniejsze niż w rzeczywistości. Minusem są też kłopoty z uzyskaniem za pomocą kompaktu małej głębi ostrości, np. nieostrego tła za portretowaną osobą.

Nie chcąc obniżać jakości zdjęć, producenci powinni zaprzestać megapikselowego wyścigu. Zwiastuny zatrzymania tej rywalizacji już się pojawiły. Na początku marca Olympus ogłosił, że 12 megapiskeli uważa za wystarczające dla swych lustrzanek systemu E – wielkość matrycy 225 milimetrów kwadratowych. Podobna deklaracja padła ze strony Pentaksa w nawiązaniu do matryc formatu APS-C – powierzchnia 329 milimetrów kwadratowych. Skoro producenci stwierdzili, że nie ma sensu zwiększać liczby pikseli w dużych matrycach, z jakich korzystają lustrzanki, tym bardziej powinni zaprzestać zwiększania rozdzielczości małych matryc w kompaktach. Niestety, liczba megapikseli jest nadal głównym parametrem, na który zwracają uwagę klienci, więc choćby z powodów marketingowych producentom może zależeć na jego zwiększaniu.

Nad problemem pochyliła się także firma, która jako jeden z głównych producentów matryc prowadzi zaawansowane prace nad czujnikami o nazwie Super HAD CCD II. Głównym założeniem przy jego projektowaniu było dostarczenie jak największej ilości światła do warstwy światłoczułej. W tym celu inżynierowie zmniejszyli odległość między mikrosoczewką a półprzewodnikiem, zwiększyli powierzchnię samego piksela oraz szerokość otworu, przez który fotony wpadają do komory półprzewodnika. Na razie zastosowanie dla nowych matryc znaleziono głównie w profesjonalnych kamerach rejestrujących obraz przy słabym oświetleniu.

W matrycy OmniBSI warstwę półprzewodnika rejestrującego światło przesunięto bliżej mikrosoczewki – tuż pod filtr koloru, dzięki czemu trafia do niego więcej światła. W tradycyjnej matrycy warstwa światłoczuła znajduje się pod warstwą metalu – na dnie piksela – przez co rejestruje mniej światła.

Inne rozwiązania mające na celu zwiększenie ilości światła docierającego do półprzewodnika zakładają zmianę kolejności warstw, z których zbudowany jest piksel matrycy. Autorami takiej koncepcji są inżynierowie z firmy OmniVision. Matryca OmniBIS to czujnik typu CMOS, w którym półprzewodnik umieszczono nad warstwami metalu znacznie bliżej mikrosoczewki. Niestety, ostatnie doniesienia na temat tej technologii pochodzą z końca maja 2008 roku, kiedy zaprezentowano działający prototyp 8-megapikselowego czujnika.

Fizyczny rozmiar matrycy oraz jej rozdzielczość nie są jedynymi zagadnieniami, z którymi zmagają się inżynierowie. Szeroko zakrojone prace idą w kierunku polepszenia kolorystyki fotografii. Obecnie za kolory na zdjęciach odpowiada umieszczony nad matrycą kolorowy filtr Bayera, składający się z kwadratowych pół niebieskich, czerwonych i zielonych – tych ostatnich jest dwa razy więcej niż pozostałych. Ułożenie filtru jest takie, że nad pojedynczym pikselem znajduje się pole w tylko jednym kolorze. Piksel rejestruje więc światło jednej barwy. Aby fotografia nie składała się wyłącznie z punktów w trzech podstawowych kolorach, elektronika aparatu wylicza średni kolor dla każdego z pikseli, opierając się na informacjach o kolorze z punktów z nim sąsiadujących (to tzw. interpolacja).

Filtr Bayera jest obecnie stosowany w większości cyfrowych aparatów fotograficznych. Ma jednak swoje wady. Interpolacja kolorów czasami generuje błędy, które powodują pogorszenie ostrości wykonywanych fotografii. Tymczasem trwają badania nad konkurencyjnymi rozwiązaniami.

Dzięki zwiększeniu rozmiaru materiału światłoczułego , poszerzeniu otworu, przez który fotony trafiają do półprzewodnika oraz zmniejszeniu odległości między mikrosoczewką a materiałem światłoczułym trafia do niego więcej światła niż w klasycznych matrycach. Takie zmiany docelowo mają pozwolić na zniwelowanie szumów na zdjęciach. Niestety ten typ matryc nie trafił jeszcze do seryjnie produkowanych aparatów.

Jednym z najbardziej zaawansowanych jest matryca Super CCD SR firmy Fuji. W tym rozwiązaniu zarówno piksele, jak i pola filtru barwnego mają kształt ośmiokątów, a cała matryca jest rombem. Pozwala to ciaśniej niż przy czujnikach kwadratowych upakować piksele na matrycy. Dodatkowo każdy piksel ma dwa punkty światłoczułe: mniejszy, rejestrujący dobrze oświetlone fragmenty kadru, oraz większy, który może zarejestrować szczegóły ukryte w cieniach. Dzięki temu matryca Fuji poprawnie rejestruje sceny o dużej rozpiętości tonalnej. Kolejne wersje matryc, Super CCD SR II i EXR, wprowadziły zmiany w ułożeniu dużych i małych pól piksela. W najnowszym prototypie ich wielkości zrównano, umieszczając warstwę rejestrującą jasne punkty pod warstwą rejestrującą ciemne sekcje kadru.

Rozwiązanie Fuji zwiększa liczbę punktów światłoczułych bez zwiększania rozdzielczości matrycy. Na podobnych zasadach opierają się pomysły innych producentów. Przykładowo w matrycy CMOS Foveon X3 piksele są ułożone w trzech warstwach. Każda rejestruje światło w innym z trzech kolorów. Zaletą tej metody jest brak interpolacji kolorów – fotografie mają bardzo dobrą ostrość i naturalną kolorystykę.