Matryce: Techniczne podstawy fotografii cyfrowej
W aparatach kompaktowych stosuje się zwykle sensory typu CCD (Charge Coupled Device), w których odczyt danych z poszczególnych komórek (pikseli) przebiega sekwencyjnie. Lustrzanki Nikona i Canona mają natomiast matryce typu CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), w których odczytywane są jednocześnie całe rzędy komórek, dzięki czemu odtwarzanie obrazu trwa krócej, a więc możliwe jest szybsze wykonanie kolejnego zdjęcia. W przeciwieństwie do komórek sensorów CCD, każdy piksel matrycy CMOS zawiera osobny tranzystor, odpowiedzialny za przekształcanie na postać cyfrową danych o natężeniu światła padającego na ten piksel. Dawniej była to poważna wada, gdyż tranzystory zajmowały relatywnie dużą część powierzchni matrycy, przez co liczba możliwych do umieszczenia na niej elementów światłoczułych musiała być mniejsza. Z tego powodu technologia CMOS przez długi czas była kojarzona z tanimi aparatami i kamerami internetowymi. Z czasem jednak tranzystory stawały się coraz mniejsze, więc powyższa niedogodność przestawała się liczyć. Dzięki temu w ciągle toczącej się walce technologii nowoczesne matryce CMOS mają przewagę nad sensorami CCD.
Większość stosowanych matryc należy do jednego z wyżej opisanych typów. Istnieje jednak również system Super CCD stosowany przez Fujifilm, pod względem technicznym bardzo przypominający sensory CCD, a także wykorzystywana jedynie w aparatach Sigma technologia wielowarstwowych matryc Foveon X3. Niezależnie od rodzaju zastosowanego elementu światłoczułego wielkie znaczenie w praktyce ma jego rozmiar, a więc to, na jak dużej powierzchni są rozmieszczone pojedyncze piksele. Od niego zależy wielkość komórek sensora, a także odległości pomiędzy nimi. W uproszczeniu owa zależność wygląda następująco: im mniejszy jest piksel, tym mniej światła może on wychwycić. Z kolei prawa fizyki powodują, że ilość szumów zwiększa się wraz ze zmniejszaniem się odległości pomiędzy poszczególnymi punktami matrycy. Ziarnistości pozbędziemy się, umieszczając w procesorze aparatu element odpowiadający za redukcję szumów, ale im bardziej ingeruje on w zdjęcia, tym bardziej pogarsza się ich jakość – szczególnie ostrość.
Wymiary matrycy: Więcej miejsca na piksele
Największymi stosowanymi obecnie sensorami są nowe przetworniki średnioobrazkowe (45×30 mm), które będą montowane we wprowadzanym na rynek aparacie Leica S2 (cena – nawet 100 tys. zł). W wielu nieco tańszych profesjonalnych lustrzankach wykorzystuje się teraz tzw. matryce pełnoformatowe, których wymiary odpowiadają klatce filmu małoobrazkowego (36×24 mm) – umieszczenie na nich kilkunastu milionów pikseli nie stanowi żadnego problemu. Nieco mniejsze są sensory o wielkości klatki APS-C stosowane w lustrzankach średniej klasy. Wymiary ok. 24×16 mm pozwalają jeszcze na upchnięcie wielu megapikseli – standardem są rozdzielczości od 6 do 14 Mpix. Jakość zdjęć jest przy tym bardzo wysoka, a nad szumami zwykle udaje się zapanować.
Szczególnym przypadkiem jest promowany przez firmy Olympus i Panasonic system 4/3. Stosowane w lustrzankach tych firm sensory mają wymiary 17,3×13 mm i mieszczą 10 milionów pikseli. Przy tej wielkości matrycy szumy nadal nie stanowią większego problemu. Od niedawna funkcjonuje też standard Micro 4/3.
Znacznie trudniejsza jest walka z szumami w wypadku aparatów kompaktowych. Stosowane w nich sensory są zwykle bardzo małe. Ta sama liczba pikseli co w lustrzankach musi się tu zmieścić na powierzchni czterdziestokrotnie mniejszej od powierzchni matrycy małoobrazkowej i osiemnastokrotnie – sensora APS-C! Gdy fotografowaliśmy przy ładnej pogodzie, zdjęcia wykonane różnymi aparatami będą się nieznacznie różnić pod względem szumów. W takich warunkach aparaty wykorzystują jednak niską czułość – ISO 100. Im mniej światła, tym gorzej spisują się kompakty:
w większości przypadków czułość ISO 400 lub większa powoduje nieakceptowalny wzrost zakłóceń ziarnistych. W wypadku lustrzanek podobne problemy pojawiają się natomiast zazwyczaj dopiero od ISO 800.
Kompakty nadrabiają: Większe sensory
Nowoczesne kompakty są wyposażane w większe matryce, formatu 1/1,7″, o rozdzielczościach rzędu 12–14 Mpix. Przykładowo szumy na zdjęciach zrobionych aparatem Sony CyberShot DSC-W300 (ok. 820 zł) z przetwornikiem 13,4 Mpix są na akceptowalnym poziomie. Mimo to wciąż widoczna jest różnica w ziarnistości zdjęć wykonanych lustrzankami i kompaktami. Poza wielkością matryc odpowiada za nią również ich typ: podczas gdy w kompaktach są to sensory CCD, w lustrzankach wykorzystuje się najczęściej lepszą technologię CMOS.
Rodzaje matryc światłoczułych
CCD/CMOS: stosowane prawie wszędzie
Wykorzystywane w większości aparatów sensory są pokryte tzw. siatką Bayera, przypominającą szachownicę o czerwonych, zielonych i niebieskich polach. Przetworniki CCD i CMOS są coraz większe, co przy podobnej liczbie pikseli pozwala na zminimalizowanie szumów.
Super CCD EXR: teraz jeszcze lepsze
Modyfikując technologię CCD, firma Fujifilm stworzyła matryce Super CCD EXR, których struktura przypomina plaster miodu. Ponieważ umieszczenie pikseli o tej samej barwie obok siebie zmniejsza liczbę szumów, niebieskie i czerwone punkty zostały połączone w pary. Pierwsze aparaty wykorzystujące sensory Super CCD EXR pojawią się na rynku już na początku 2009 roku.
Foveon X3: genialny outsider
Stosowane obecnie jedynie w aparatach marki Sigma (modele DP1 i SD14) matryce Foveon X3 składają się z pikseli umieszczonych w 3 równoległych warstwach: niebieskiej, zielonej i czerwonej. Poziomy te odpowiadają określonym barwom światła. Technologia opiera się na zjawisku fizycznym polegającym na tym, że fale świetlne o różnej długości wnikają w matrycę na różną głębokość.
Jeszcze większe przetworniki
Większe sensory to więcej miejsca na pojedyncze komórki, czyli piksele. Jak widać na rysunku, nie da się jednak automatycznie przełożyć liczby punktów na rozmiar matrycy. Generalnie znacznie wyższą jakość obrazu uda się osiągnąć tylko wtedy, gdy wzrostowi rozdzielczości towarzyszy zwiększenie wymiarów sensora.
Podsumowanie
Nareszcie producenci aparatów zauważyli, że dalsze zwiększanie rozdzielczości matryc niczego nie zmieni. To tylko kwestia czasu, a również kieszonkowe kompakty przestaną odstraszać wysokim poziomem szumów. Nie będziemy wtedy potrzebowali ciężkich lustrzanek, żeby robić dobre zdjęcia także przy gorszym świetle.