Размеры матрицы

Матрица — электронное устройство со светочувствительным слоем из кристаллов кремния, предназначенное для преобразования светового потока (фотонов) в электрические заряды (электроны). Основная характеристика матрицы — разрешение — количество пикселей по горизонтали и вертикали. В цифровых фотоаппаратах применяются несколько типов матриц (более подробно см. в главе об электронно-оптических преобразователях). Самые распространенные ЭОП — ПЗС-(CCD) и КМОП-матрицы (CMOS). Более 95% цифровых фотоаппаратов выпускаются с ними. Второй по значимости характеристикой матрицы после разрешения является ее физический размер, который очень сильно влияет на чувствительность, разрешение матрицы и ее динамический диапазон. Чем больше площадь каждого элемента (пикселя), тем больше света попадает на него, тем выше чувствительность всей матрицы. Большой размер элемента подразумевает и большой размер потенциальной ямы, а следовательно, широкий динамический диапазон. Например, если 12 миллионов пикселей с размером пикселя 10 микрон разместить на полноформатной матрице, то на матрице размером в два раза меньше 12 миллионов пикселей могут уместиться, если размер каждого пикселя не превышает 5 микрон. Следовательно, фотоаппарат с маленькой матрицей не может иметь большую чувствительность и более широкий динамический диапазон, чем аппарат с матрицей большего размера при одинаковом разрешении.

В зависимости от конструкции цифрового фотоаппарата в нем устанавливаются матрицы различного размера: чем больше размер, тем выше характеристики динамического диапазона и чувствительности. Размер матрицы указывается в долях дюйма по диагонали, в некоторых случаях в миллиметрах по горизонтальной и вертикальной сторонам, при этом форма сенсора, как правило, прямоугольная при соотношении сторон 4:3, а у широкоугольных сенсоров — 16:9. Хочется отметить, что размер стандартного отпечатка А6(10х15см) или сЬоомата А4(21 х 29.7см) име-CMOS 12,3 МП, 15ч 26,5 миснов 12,1 нп, зв.а н2Э,0ми ет соотношение сторон 3:2, а у сенсора эта величина — 4:3. При печати снимка часть изображения будет обрезана. Размер сенсора оптимизирован под вывод снимка на монитор компьютера, размер экрана которого соответствует соотношению 4:3 или 16:9. В большинстве моделей цифровых фотоаппаратов, поддерживающих широкий формат, этот эффект достигается путем срезания верхних и нижних краев изображения. Однако существуют модели компактных цифровых камер с соотношением размеров матрицы 16:9.

Особо стоит поговорить о совместимости оптических систем с размером матрицы. Оптические схемы большинства объективов рассчитаны таким образом, чтобы полностью покрыть площадь 35-миллиметрового кадра. Если размеры матрицы меньше этой площади, часть изображения, формируемого объективом, остается за кадром. В этом случае фокусные расстояния объективов сдвигаются в длиннофокусную область, поэтому при выборе объективов обязательно следует учитывать коэффициент увеличения фокусного расстояния (кроп-фактор), равный 1,5. Например, если у вас установлен объектив с фокусным расстоянием 50 мм f/1,4, то его реальное фокусное расстояние будет 75 мм f/1,4, а светосила остается неизменной — f/1,4.

Большинство продвинутых фотолюбителей и профессионалов предпочитают использовать модели фотокамер с большим размером матрицы. Так ли это нужно, какие преимущества и недостатки имеют полноформатные и маленькие матрицы? Остановимся на этом подробнее. Почему компания Canon выпустила полноформатную камеру Canon D5, а ее главный конкурент компания Nikon продолжала выпускать камеры с маленькой матрицей и только в 2007 г. на рынке появилась первая полноформатная камера Nikon D3? Одновременно с этой моделью компания выпустила и другую модель Nikon D300 с матрицей вполовину меньше форматной. Основные функциональные параметры у камер одинаковы. Давайте на примере D3 и D300 рассмотрим плюсы и минусы матриц разного размера.

Самый главный аргумент в пользу полноформатной матрицы — возможность полноценно использовать линейку оптики без поправок на кроп-фактор. Но является ли возможность полноценного использования оптики достоинством?

Например, если на полноформатную камеру Nikon D3c КМОП-матрицей 12,1 МП и размером 36,0 х23,9 мм установить объектив Nikkor 28 мм f/1,4 или телеобъектив Nikkor 300мм f/2,8, эти объективы, как и все остальные, будут формировать нормальное изображение, соответствующее реальному фокусному расстоянию, без каких-либо поправок. Но эти же объективы, установленные на камеру Nikon D300 с КМОП-матрицей 12,3 МП размером 15,8x23,6мм, увеличат фокусное расстояние этих объективов с коэффициентом 1,5, а следовательно объектив Nikkor 28 мм f/1,4 из широкоугольника превратится в нормальный объектив с фокусным расстоянием 42 мм f/1,4, а объектив Nikkor 300мм f/2,8 из обычного телевика — в супертелевик с фокусным расстоянием 450 мм f/2,8 при неизменной светосиле. Найти в линейке оптики Nikkor объектив с подобными характеристиками невозможно.

Однако применение широкоугольной оптики на матрице камеры D300 не дает столь очевидных преимуществ над полноформатной матрицей. Например, вам нужен широкоугольный объектив с фокусным расстоянием 24 мм. Для получения такого угла охвата на D300 придется устанавливать объектив с фокусным расстоянием 16 мм, но даже то, что для получения 24-миллимет-рового широкоугольного объектива вам придется установить сверхширокоугольный объектив 16 мм, имеет свои плюсы. Общеизвестно, что самая резкая область любого объектива — центр, по краям резкость снижается, а у широкоугольников имеют место оптические искажения изображения. При использовании матрицы малого размера края с пониженной резкостью и оптическими искажениями останутся за кадром. Но главное достоинство матрицы малого размера — проработка мелких деталей. Иными словами, резкость матрицы D300 выше, чем у полноформатной матрицы D3.

Все вышесказанное можно подтвердить несложными расчетами. Например, размер матрицы камеры Nikon D3 — 36,0x23,Эмм, на ней расположено 12,1 миллионов пикселей. Матрица Nikon D300 в два раза меньше полноформатной матрицы D3, на площади 15,8x23,6мм размещены 12,3 миллиона пикселей. Следовательно, размер каждого пикселя у D300 в два раза меньше, чем у D3. Именно этот показатель и позволяет формировать более резкое изображение. Чем меньше пиксель, тем больше мелких деталей передается в формируемом изображении. Преимущество большой матрицы в повышенной чувствительности и более широком динамическом диапазоне. Чем больше размер пикселя, тем больше размер потенциальной ямы, тем больше света поглощает элемент, следовательно, тем шире динамический диапазон и выше чувствительность матрицы, поэтому диапазон камеры Nikon D3 — 200-6400 ISO с расширением 100-25000 ISO, а камеры Nikon D300 — 200-3200 ISO с расширением 100-6400 ISO.