Броят пикаели, които е способен да заснеме фотоапаратът, е в пряка зависимост от броя на активните елементи на матрицата. Матрицата е сложен полупроводников елемент, съставен от множество светлочувствителни елементи, изградени от фотодиоди. Тези елементи са групирани и разположени по определен начин, така че да образуват матрица с възможност за адресируем достъп до всеки активен елемент от нея.
Обикновено количеството на елементите върху матрицата е по-голямо от необходимото за заснемане на максимално голямото възможно за даден апарат изображение, тъй като не всички елементи от матрицата се използват. Например, цифровият фотоапарат “Canon Powershot A5 Zoom” позволява да се снимат изображения с разделителна способност 1024×768 рх, което дава общ брой от 768 432 пиксела. Производителят оповестява бройката на елементи на матрицата за дадения модел, равна на 810 000. Обикновено разликата между “работния” и общия брой пиксели за един апарат е в рамките на 5%.
Тъй като технологията, по която в момента се произвеждат матриците, е все още далече от съвършенството, практически невъзможно е да се произведе елемент със 100% работещи клетки, така че всяка матрица има известно количество “мъртви” клетки. Освен това, обикновено изображението предназначено за заснемане, се фокусира по такъв начин върху матрицата, че да попадне в средата ѝ, оставяйки разстояние до нейните граници. Разбира се, когато снимате изображение, използвайки по-ниска разделителна способност от максимално възможната, това води до намаляване на размера на проектирания върху матрицата участък. Отделно от всичко това, известно количество пиксели се използва в някои модели и за калибриране на чувстителността на сензора.
В голяма част от матриците се използват микроскопични лещи, разположени над всеки пиксел от матрицата и служещи за фокусиране и насочване на фотоните , точно към определен участък от пикселния елемент, поради разлика в чувствителността на различните зони. Фотоните след това се поглъщат и генерират свободни токоносители във фотодиодите , който се разполага непосредствено под микролупата в светлочувствителната област, а самата област запазва електрическия заряд , на принципа на кондензатора. За да може матрицата да съхрани следващата снимка, тя периодично се инициализира (изчиства) с честота, няколко десетки пъти в секунда.
Производителите на матрици използват и различни конструкции от филтри, пропускащи светлина с определена дължина на вълната (т.е. определен цвят). Най-често използваната при това технология е Bayer Pattern, която се характеризира с това, че зелените филтри са двойно повече от червените и сините. Освен това, червените, зелени и сини филтри са шахматно разположени, така че няма два едноцветни филтъра един до друг, което намалява вероятността от появата на цветови дефекти и взаимното влияние на съседни пиксели.
Тъй като човешкото око е по-чувствително към светлина с дължина на вълната, съответстваща на на зеления цвят, двойно по-големия брой зелени пиксели подобрява възприеманата от човешкото око цветна картина. Съотношението на цветовите съставки на видеосигнала е подобно и яркостта “Y” е равна на 0.59G+0.30R+0.11B, при което субективно възприеманото от човешкото око изображение е с по-висока яркост, контрасти и естествен цвят. Отделно от всичко казано дотук, производителите на цифрови апарати вграждат в изделията си микропрограми , изпълняващи различни алгоритми за подобряване и допълнителна обработка на изображенията с цел подобряване на проектираното върху матрицата.
CCD матрица
CCD (Charge-Coupled Device) матрицата се състои от фотодетектори, чиито брой е определящ за разделителната способност на изображението. Тя се определя пряко от броя на чувствителните елементи, изграждащи CCD матрицата и следователно е от първостепенно значение за качеството на изображението. Оптическата система фокусира изображението, така то се проектира върху CCD сензора и след това се записва върху съответния носител на информация.
Пикселът е най-малкия елемент от едно изображение и е най-удобно да се използва за описване на възможностите на матрицата и за пресмятания, т.е. ако фотоапаратът може да заснеме изображение с разделителна способност 1280×960 пиксела, това дава общ брой на пиксели от матрицата равен на 1 228 800. Повечето цифрови апарати от нисък и среден клас съдържат една CCD матрица. Съвременните цифрови фотоапарати от по-висок клас използват по три отделни сензора за RGB-съставките на входящия сигнал.
Най-разпространените CCD матрици, използвани в компактните фотоапарати от любителския клас са с размер на диагонала съответно 1/2.7″, 1/2.5″, 1/1.8″ и 2/3″. Потребителят трябва да се интересува какъв е размерът на матрицата при покупка на цифров фотоапарат. При съвременните CCD чипове 1/2.5″ е добър размер за 3-4 Mpx, 1/1.8″ за 5-6 Mpx, а 2/3″ за 7-8 Mpx.
Charge-Coupled Device (англ. елемент със зарядна връзка или зарядо-свързани прибори) е чувствителен сензор, специализирана аналогова интегрална схема , състояща се от светочувствителни фотодиод , изработени от силиций . В частност, тя се използва като светочувствителна матрица на цифров фото/видео апарат.
Разработен е първоначално през 1969 от Уилард Бойл и Джордж Смит от лабораториите на Бел за съхранение на данни. През 1970 е усъвършенстван, като е използвана пропорционалността на произвеждания сигнал на количеството светлина върху чипа. От 1983 г. се използва в астрономия.
След осветяването зарядите (charge) се преместват свързано (coupled), електрод по електрод, докато не достигнат до изчитащия усилвател. Стойностите на зарядите на отделните точки (пиксели – от англ. picture elements) се записват последователно, въпреки че са възникнали едновременно.
Стойността на всяка точка (пиксел) означава заряда пропорционален на интензитета на светлината.
Повечето чипове за видео камери записват само с половин картина (англ. interlaced), т.е. първо нечетните редове на картината, след това четните и т.н. За снимачните камери се използва така наречения последователен преход (англ. progressive scan), при който редовете на картината се записват в естествената им последователност.
За предотвратяване на допълните заряди от осветяване има четири метода, които се опитват да решат тази задача: Пълен кадър (на английски: Full-Frame – (FF)), Предаване на кадъра (на английски: Frame-Transfer – (FT)), Междуредово предаване
(на английски: Interline-Transfer – (IT)) и кадрово-междуредово предаване (на английски: Frame-Interline-Transfer-CCDs (FIT) ).
За изобретяването на CCD устройството Бойл и Смит са удостоени съвместно с Медала Стюарт Балантин на Института Франклин през 1973, наградата Н. Либман на IЕЕЕ за 1974, Наградата Чарлз Старк за 2006 и с Нобелова награда по физика за 2009 г.
CMOS матрица
CMOS (Complementary Metal-Oxide Semi-conductor) матрица – някои модели все още използват CMOS сензори. CMOS матриците притежават по-високи нива на шума и по-ниска чувствителност, в резултат от което се получават снимки с по-ниско качество. За сметка на това CMOS сензорите са по-евтини и използват значително по-малко енергия при работата си, което увеличава живота на батерите. Има и изключения, при които производителите, чрез специален хардуер и софтуер компенсират недостатъците на CMOS матриците, но това е рядкост.
Разделителна способност на матрицата
Разделителната способност на цифровото изображение се определя като броя на пикселите, от които то се състои. Схематично можем да опишем сензора като милиони елементи, които при досег със светлина генерират електрически заряд. Този импулс впоследствие се превръща в картина и след преминаване през система от филтри се записва като снимка. Съвременните фотоапарати използват CCD или CMOS матрица. CMOS сензорите са въведени наскоро в цифровата фотография. Те са по-евтини за производство и по принцип се предполага, че осигуряват по-ниско качество на изображението от CCD. Последното твърдение може да се оспорва, защото професионалните огледално-рефлексни модели на Canon например са оборудвани със сензор CMOS, а качеството на снимките не отстъпва на еквивалентните модели на Nikon, използващи CCD матрица. При избор на удобен фотоапарат обаче рядко някой се интересува от технологията на матрицата, защото нещо друго привлича веднага погледа – стойността за мегапикселите. Един от най-ефикасните начини за съблазняване на купувача е предлагането на все по-големи резолюции (разделителни способности). Стандартът при компактните апарати в това отношение се повишава изключително бързо. Доскоро той беше 4-6 Mpx, но на пазара излязоха модели с 8, 10 дори 12 Mpx.
CMOS – е технология за създаване на електронни схеми. В нея се използват полеви транзистори с изолиран гейт (затвор) и с канали с различна проводимост. Отличителна черта на CMOS схемите в сравнение с биполярнитехнологии e ниското потребление на енергия в статичен режим (в болшинството случаи може да се счита, че енергия се консумира само по време на превключване на състоянията). Отличителна черта на CMOS схемите в сравнение с други MOS-структури (N-MOS, P-MOS) е наличието както на n-, така и на p-канални полеви транзистори; вследствие на това CMOS схемите притежават по-високо бързодеиствие и по-ниско потребление. За сметка на това обаче технологическият процес на изготвянето им е по-сложен, а плътността на опаковка – по-ниска.
Повечето съвременни логически интегрални схеми, в това число процесори, използват технологията CMOS. При сензорите за фотоапарати също често се използва CMOS матриза. CMOS матриците притежават по-високи нива на шума и по-ниска чувствителност , в резултат от което се получават снимки с по-ниско качество. За сметка на това CMOS сензорите са по-евтини и използват значително по-малко енергия при работата си, което увеличава живота на батериите. Има и изключения, при които производителите, чрез специален хардуер и софтуер компенсират недостатъците на CMOS матриците, но това е рядкост.
Разсеяната мощност на CMOS е ниска, защото няма верига от Vdd към маса в състояние 1 или 0. Допълнителният метално-оксиден полупроводник или CMOS обикновено представлява чип с памет, който се захранва с батерия и съдържа информация за стартирането. Основната входно-изходна система на (BIOS) използва тази информация при стартиране на компютъра.
Съобщенията за грешки за CMOS може да са вследствие на повредена или разредена батерия. Батерията може да се разреди, ако компютърът е бил изключен за дълго време. За да разрешите грешките, свързани с CMOS, проверете информацията към компютъра или се свържете с производителя на компютъра. Тъй като настройките на CMOS са специфични за хардуера на компютъра, Microsoft не може да предоставя инструкции за тяхната промяна.
Каква е разликата между сензорите CCD и CMOS
Сензорите CCD (charge coupled device) и CMOS (complementary metal oxide semiconductor) представят две различни технологии за цифрово заснемане на картини. Всяка от тях има своите силни и слаби страни, в зависимост от приложенията. Нито една от двете не превъзхожда категорично другата, въпреки твърденията на привържениците от двата лагера.
В последните пет години и двете технологии се промениха доста, а прогнозите за възхода на едната или падението на другата не се оправдаха. Положителното в тази борба за надмощие е подобряването на качествата на фотоапаратите, които използват такива сензори, и понижението на цените.
И двата типа сензори изпълняват една и съща функция – превръщат светлина в електрически заряд. Един опростен начин на представяне на сензора, използван в цифровия фотоапарат, е като двумерен масив от милиони миниатюрни соларни клетки, всяка от които преобразува светлината от малък участък от картината в електрони. CCD и CMOS устройствата използват различни технологии за изпълнение на тази задача.
Следващата стъпка е да се прочете стойността (натрупания заряд) на всяка клетка от изображението. В CCD сензора зарядът се транспортира през целия чип и се чете в края на масива. Аналогово-цифров преобразувател превръща стойността на всеки пиксел в цифров сигнал. Тук се използва специален производствен процес за пренос на заряда през чипа без изкривяване. Това води до високо качество по отношение на прецизност и чувствителност на светлина.
За производството на CMOS чипове се използва традиционният процес, по който се правят повечето микропроцесори. В тези сензори за всеки пиксел има няколко транзистора, които усилват сигнала. Много от фотоните попадат върху транзисторите, вместо върху фотодиода, което намалява чувствителността към светлината. Стандартният производствен процес за създаване на CMOS чипове обаче ги прави значително по-евтини от CCD сензорите.
Обобщено, сравнението между двете технологии изглежда така:
· CCD сензорите създават висококачествени изображения с ниско ниво на шум. CMOS сензорите по принцип са по-чувствителни към шум.
· CMOS сензорите консумират 100 пъти по-малко мощност в сравнение със CCD сензорите, които използват един процес, изискващ много енергия.
· CCD сензорите са в масово производство от по-отдавна, така че тяхната технология е по-зряла. Те дават по-високо качество и повече пиксели. CMOS технологията е по-млада, но бележи успехи в развитието си. Дизайнерите на CMOS устройства полагат огромни усилия за подобряване на качеството на изображението.
При това положение трудно може да се постави ясна линия, която да раздели приложенията, за които едната или другата технология са най-подходящи.CCD сензорите обикновено се използват в камери и фотоапарати, от които се изисква високо качество на изображението с много пиксели и изключителна чувствителност към светлина.
CMOS сензорите традиционно имат по-ниско качество, по-ниска резолюция и по-малка чувствителност. Те са по-евтини и имат по-дълъг живот на батерията. Технологията им обаче непрекъснато се подобрява и върви към доближаване до възможностите на CCD устройствата за определени приложения.