Nikon FX-формат CMOS Sensor - Fotoatelier Олександр Горбатов
У цифровій камері, світло від об'єкта зйомки, проходить через об'єктив, потрапляє на матрицю і перетворюється на електронні сигнали, які записуються на карту пам'яті. Нікон вперше розробив велику матрицю, CMOS FX-формату, яка використовується у цифрових камерах D3 і дає небачений раніше рівень якості у вигляді багатих градацій та високої чіткості зображення. Фахівець, відповідальний за її розробку представляє цю нову технологію та невідомі факти, що стоять за її створенням.
розробник першого відділу розвитку, розвитку установ, Imaging Company ПРОФІЛЬ: Після приходу в компанію в 1988 році, перед тим як перейти до розробки цифрових камер, Такесі займається промисловими камерами високої чіткості, що використовують зображення формуються CCD, для використання у мікроскопах. З 2003 року він керує підрозділом цифрових дзеркальних камер. Він брав участь у розробці матриці CMOS FX формату. Його хобі мотоцикл, але останнім часом він їх частіше майструє, ніж їздить на них.
Розкажіть, будь ласка, про основні особливості матриці CMOS FX-формату.
Такесі: З погляду зовнішнього вигляду, така сама, як кадр на 35 мм фотоплівці. З погляду можливостей, вона може похвалитися таким самим високим рівнем чутливості ISO 6400 (найчутливіша плівка загального користування), і має високу продуктивність - 9 кадрів на секунду. Вона також має широкий динамічний діапазон, що дозволяє опрацьовувати гладкі переходи від темних областей у світлі та навпаки. Це її основні чотири риси.
Які обставини призвели до її створення? Будь ласка, опишіть тло для її розвитку.
Такесі: З моменту виходу D1 цифрові дзеркальні камери Nikon були обладнані матрицями DX-формату. При цьому, ми отримували запити від клієнтів, які хотіли б використовувати ті ж об'єктиви, з таким же кутом зору, як об'єктиви 35 мм плівкових камер і тих хто хотів знімати фотографії, які викликали "почуття плівки", так ми почали розробляти так званий повний розмір (FX-формат) матриці.
Наскільки товар комерційний?
Такесі: Ми перші поставили питання про доцільність виробництва камери з повнорозмірною матрицею 35 мм і зрозуміли, що він матиме практичний характер, якщо ми зможемо зробити таку матрицю. Плівка це тонкий лист, а матриця має значну в порівнянні з плівкою товщину. Товщина, ширина та висота цього пакета робить розміри камери дещо більшими, ніж плівкова камера. Крім того, приплюсуйте і оптичні компоненти, такі як оптичний фільтр із мікролінзами та інфрачервоний (Байєрівський) фільтр між матрицею та затвором. Все це має бути точно розміщено у корпусі камери. Після детального обговорення з дизайнерами корпусу та оптиками таких питань, як: чи досягне світло від об'єктиву всіх областей матриці, ми дійшли висновку, що цілком можливо зробити таку камеру. У той же час робота з вироблення можливих характеристик матриці тривала. Насамперед необхідно вирішити, чи можна зробити весь "повний розмір" світлочутливою поверхнею. Було вирішено, що розмір площі одного пікселя запису буде практично такий самий, як уявної на 35-мм плівці. Далі, був проведений повний розрахунок можливості візуалізації, і, віддавши перевагу високої чутливості, як основною перевагою повнорозмірної матриці, вона була приведена у відповідність до концепції D3.
Що це за поняття?
Такесі: Після розгляду, яке обладнання ми маємо запропонувати нашим користувачамЦільовою групою стали професійні фотографи та аматори високого рівня ми вважали, що важливо для створення єдиної камери, яка може бути використана для зйомки практично в будь-якому місці та будь-яких умовах. З 12 мільйонами пікселів камера зможе працювати практично з будь-якою сценою. Крім того, ми поставили акцент на областях, фотографії, що вимагають високої чутливості та високої швидкості безперервної зйомки, таких як спорт, новини, дикі тварини. Зважаючи на всі ці фактори, ми прийняли рішення про формат FX розміром 12 млн. пікселів та ISO 6400.
Ви мали на увазі від початку кількість пікселів 12 мільйонів?
Такесі: Для однооб'єктивних SLR цифрових та компактних цифрових камер, питання про те, скільки потрібно пікселів є досить загальним, з цим згодні і люди всередині компанії та користувачі. Чим вище кількість пікселів, тим більше розмір файлів зображень, і відповідно більше навантаження на комп'ютер камери під час обробки. Часто ставлять питання про те, скільки потрібно пікселів. Відповідь Nikon – 12 млн. пікселів. Це достатньо для друку подвійного розвороту A4.
Чим відрізняються формати DX та FX?
Такесі: Не існує різниці між матрицею DX-формату та FX-формату з точки зору структури та основних методів зчитування, які вони використовують. Однак через відповідні розміри датчиків, є різниця у ступені свободи при розробці дизайну камери. Якщо матриці DX та FX мають однакову кількість пікселів, розмір пікселя FX звичайно більший. Великий розмір пікселя це збільшення чутливості матриці та розширення її динамічного діапазону, оскільки великий піксел захоплює і накопичує більше світла, як електронних сигналів. Але якщо матриці DX та FX мають однаковий розмір пікселя, матриця FXбуде мати вищу кількість пікселів і відповідно має вищу роздільну здатність. Все це дозволяє припустити, що FX матриця є найбільш універсальною. Тим не менш, формат DX також має свої переваги з точки зору економічної ефективності та розміру камери.
Ви кажете, що формат FX дозволяє більшу свободу дизайну та надає широкий спектр можливостей. Здавалося б, там мають виникнути й реальні технічні проблеми.
Такесі: Чим більший розмір матриці, тим важче ефективно зібрати світло від фотографічного об'єктива пікселями розташованими по периметру (периферії) площини зображення. У порівнянні з невеликими матрицями DX, світло падає на краї матриці FX під більшим кутом. Для того, щоб зібрати це світло без будь-яких втрат, ми зазнали багато конструкцій і робили численні моделі та експерименти.
Які конкретні технології ви використовували для вирішення цієї проблеми?
Такесі: Ми розробили конфігурацію, в якій мікро-лінза та фотодіод матриці оптимально зроблено на кожен піксель, так що навіть світло косих променів від фотографічного об'єктива може бути сконцентроване в елемент матриці. Функція елемента матриці полягає у зберіганні світла у вигляді електронних сигналів, конденсування світла мікролінзовим фільтром дуже ефективно, і робить елементи матриці на периферії не менш чутливими ніж у центрі. За допомогою цієї технології ми змогли позбутися впливу великого кута падіння світла, навіть на периферії датчика.
Однією з головних рис цієї матриці, здається, була розробка її власними силами Nikon. Чи є якісь особливі переваги конструкції чи труднощі, пов'язані з цим?
Такесі: Nikon вже розробляв власну LBCAST матрицю.Однак, розробка CMOS матриці являє собою новий виклик, і він супроводжувався тривалим процесом проб і помилок, необхідних для досягнення хороших результатів. Тим не менш, ми скористалися тим, що датчик в даний час розроблений власними дослідницькими силами, як найкращий для відповідності CMOS сенсора з можливостями NIKKOR об'єктивів, і таким чином змогли виявити всі можливості фотографічного об'єктива. Таким чином, нам удалося отримати високий рівень якості зображення. Крім того, з цим датчиком встановленим на нашу флагманську камеру, ми змогли включити функції та технології, які є ефективними для отримання високого рівня якості зображення без будь-яких компромісів. Оскільки головним пріоритетом була реалізація високої продуктивності та високої чутливості, ми вжили всіх можливих заходів для поліпшення продуктивності без урахування витрат.
Чи були якісь заходи, від яких ви відмовилися, чи ті, що були введені у процесі розробки?
Такесі: Ніщо не було виключено. Більш того, було вжито додаткових заходів, які були додані на стадії виробництва дослідних зразків. Зокрема, багато вдосконалень було зроблено з метою поліпшення можливостей високої чутливості датчика. Електронні сигнали повинні значно посилюватися для підвищення чутливості, але це також призводить до посилення небажаних шумів, тому ми зробили численні прототипи для підвищення продуктивності та придушення шуму.
Які конкретні технології дали змогу отримати високу чутливість?
Такесі: Три основні типи технологій. Це конденсування світла прецизійним мікролінзовим оптичним фільтром. Збільшення розміру пікселя тамодифікації мікролінз. Світло тепер збирається майже без втрат. Друга з них полягала в розширенні можливостей фотодіода та зберігання більших обсягів світла у вигляді електронних сигналів. Вона довела свою ефективність у збільшенні динамічного діапазону та забезпечення передачі тонших градацій. Третя технологія – зниження рівня шуму. Вона має вирішальне значення, оскільки шумовий компонент має великий вплив на якість зображення. Найкращий спосіб покращити співвідношення сигнал / шум є посилення джерела сигналу. Ми зробили це, інтегрувавши підсилювачі всередину датчика.
Говорять, що було розроблено власний метод зчитування електронних сигналів.
Такесі: Так, це правильно. Ми прийняли 12-канальний метод зчитування з метою досягнення вищої швидкості та зменшення шуму. Це схоже на 12 осіб, які працюють одночасно та паралельно. І навіть якби вони працювали індивідуально, загалом ця робота була б зроблена швидше. Електронні схеми, що працюють на високій продуктивності мають тенденцію генерувати багато шуму, а одна людина діє дуже повільно, щоб знизити рівень шуму буде ефективним. Для того, щоб знизити шум, який підмішується в процесі передачі, ми поділяємо сигнал на дві частини та передаємо їх окремо. Крім того, ми використовували коаксіальний кабель передачі сигналів, незважаючи на його високу вартість. Коаксіальний кабель складається з лінії, яка передає сигнал, по дроту в оточенні заземленого екрану, і це служить для запобігання забрудненню сигналу зовнішніми шумами.
Як підвищилася ефективність сенсора порівняно з попередніми версіями?
Такесі: Щодо чутливості ISO, досягнуті результати в 2 рази краще, ніж на попередніх версіях Nikon, що ніколираніше не вдавалося. Загальне підвищення ефективності самого CMOS сенсора було досягнуто за допомогою нової технології обробки матеріалу, з якого виготовлений сенсор, а також покращення мікролінзового фільтра та зменшення шуму.
Як же реагують на ринку формату FX на вихід першого D3?
У чому переваги високої чутливості для користувача та як відреагували реальні користувачі?
Такесі: З телеоб'єктивами, що часто використовуються в спорті та фотографії новин, ми отримали багато запитів від користувачів, які хочуть використовувати більш короткі витримки. Багато хто говорив нам, що тепер вони можуть набути більш природного вигляду знімків, оскільки суттєво розширився діапазон можливих зйомок без використання штатива або спалаху (у тому числі фотографування міських та нічних сцен) збільшився.
Чи ідентичні CMOS матриці на D3 та D700? Я вважаю, що у користувачів можуть бути сумніви з цього приводу?
Такесі: Матрики, що використовуються, повністю ідентичні. На D700 матриця виділяє менші тепла, ніж на D3, існують відмінності в конструкції за рахунок того, що периферична схема повинна бути меншою, проте обидві камери можуть похвалитися однаковою якістю зображення.
Чи були якісь несподівані пропозиції?
Такесі: HI2 установка виключно для збільшення чутливості, і не викликала особливого обговорення у минулому щодо якості зображення. Однак, деякі журнальні фотографи відзначили, що якість зображення при цій установці так само добре, як ISO 25600. Ця похвала була несподіваною.
В якому напрямку Ви хотіли б удосконалювати матрицю у майбутньому?
Такесі: Я вважаю, що ми зробили все, що могли у цьому проекті. Тим не менш, технічний прогресне зупинимо. Відповідно, я ставлю завдання відповісти на потреби наших клієнтів та розробляти продукти, які йдуть на крок уперед. Я хочу, щоб впроваджувалися більш високопродуктивні технології.