Матрицы фотоаппаратов: в чем разница между CMOS, BSI CMOS и Stacked CMOS?
Разобраться в ситуации предлагает Джим Фишер, корреспондент журнала PC Magazine, в котором приводится сравнение КМОП-датчиков, а также указаны отличия от ПЗС-матриц и чипов Foveon.
Сердцем цифровой камеры является сенсор изображения. Сейчас мы наблюдаем развитие нескольких различных технологий, но в большинстве современных аппаратов используется та или иная версия Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, сокращенно CMOS (или КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). КМОП-чипы имеют некоторые преимущества по сравнению с датчиками с зарядовой связью (ПЗС), распространенными на заре цифровой фотографии. К плюсам CMOS относятся улучшенная энергоэффективность и контроль нагрева, которые проложили путь для видео 4K (и выше) в камерах со сменными объективами.
Однако существует более одного типа CMOS-датчиков и если вы покупаете новую беззеркальную камеру, можете быть удивлены наличием различных архитектур и возможно не сразу поймете, почему камеры Stacked CMOS стоят намного дороже, чем базовые модели. Разберем, чем отличаются разные варианты CMOS.
Архитектурные различия
По большей части цифровые датчики построены на похожей концепции, даже если есть и различия в конструкции чипа. В имидж-сканере используются светочувствительные фотоэлементы и фильтр с повторяющимися узорами из красных, зеленых и синих квадратов, образующих цвет. В большинстве датчиков используется массив цветных фильтров (CFA) четыре-на-четыре, называемый Bayer CFA (в честь его создателя), но в некоторых моделях Fujifilm используется более сложный X-Trans CFA шесть-на-шесть. Вы также можете столкнуться с датчиками Quad Bayer, типичными для смартфонов (а также экшн-камер и дронов) с огромным количеством пикселей. Эти сенсоры содержат большое количество пикселей (обычно 48 МП), но выдают изображения с более низким разрешением при помощи метода, называемого объединением пикселей. Эта функция пусть немного по-другому, но также внедряется в датчики камер со сменными объективами (ILC). Например, Leica M11 опирается на объединение пикселей для создания фотографий с разрешением 60MP, 36MP или 18MP. КМОП-чипы отличаются от ПЗС-матриц предыдущего поколения несколькими важными параметрами. Например, КМОП-чипы считывают данные попиксельно в так называемом вращающемся электронном затворе, а не все сразу, как в ПЗС-матрицах. Но есть технические преимущества, которые заставили фотоиндустрию отказаться от ПЗС: CMOS-чипы поместили свой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на плату вместо того, чтобы выполнять его отдельным блоком. Единые чипы потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла, чем ПЗС-матрицы, что хорошо как для улучшения качества изображения при слабом освещении, так и для времени автономной работы. Существует три основных типа КМОП-сенсоров. Базовый CMOS сегодня используется в камерах начального и среднего уровня, т.е. в моделях, которые получают новейшие функции через пару поколений после того, как они появились в моделях высокого класса. Усовершенствованная конструкция с задней подсветкой — BSI CMOS, аналогична концепции обычных CMOS, но эти микросхемы располагают компоненты иначе. Фотоэлементы находятся дальше на кристалле, и скорость построчного считывания выше. Это изменение дает практические преимущества — BSI CMOS примерно на диафрагму лучше, если речь идет о шуме изображения. Это означает, что BSI CMOS дает столько же шума при ISO 12800, сколько аналогичный CMOS-чип при ISO 6400. Это также означает, что камеры APS-C и Micro Four Thirds с чипами BSI работают на равных с полнокадровыми CMOS-камерами. Это не жесткие правила, но хорошие ориентиры, которым нужно следовать. Более высокая скорость считывания делает возможным применить полностью электронный затвор для моделей BSI CMOS, а также обеспечивает быструю реакцию автофокуса для наибольшей скорости серийной съемки с автофокусом. Fujifilm X-T3 была первой потребительской камерой, которая действительно использовала эти функции. Аппарат дебютировал с фокусировкой 20 кадров в секунду с полностью электронным затвором в 2018 году. Хотя вам по-прежнему нужно использовать механический затвор, чтобы надежно «заморозить» движущиеся объекты с большинством CMOS-камер BSI, но бесшумный электронный затвор пригодится для портретной съемки и других неподвижных объектов. Стекированные (stacked) микросхемы CMOS продвигают концепцию BSI CMOS на шаг вперед. Они размещают компоненты в аналогичном расположении, но конструкция также объединяет процессор сигналов изображения и его сверхбыструю память DRAM в один и тот же кремний. Это делает скорость считывания еще выше. Первая массовая многослойная CMOS-камера, Sony A9 2019 года, произвела фурор, дав возможность фотографировать без перерыва — вы можете использовать ее для съемки фотографий со скоростью 20 кадров в секунду, не теряя из виду свою сцену. Поскольку технология делает этот тип фотографии возможным, чипы Stacked CMOS стали стандартом де-факто для высококлассных ILC, которые профессионалы используют для фотографирования со стороны или пресс-ложи. Мы видели, как некоторые камеры достигают 30 кадров в секунду (Sony A1), а Nikon Z9 справляется с 11-мегапиксельными фотографиями со скоростью 120 кадров в секунду из-за многоярусного чипа и двух процессоров. Сверхбыстрое считывание и вычислительная мощность также улучшают автофокус. Стекированные чипы теперь превосходят датчики BSI CMOS по скорости фокусировки, точности и распознаванию объектов. Все это работает для того, чтобы гарантировать, что стекированные камеры не просто делают кучу фотографий подряд, а делают кучу фотографий в фокусе подряд. Подводя итоги, можно сказать, что чипы CMOS являются основными для современных цифровых камер. Переход на модель с датчиком BSI CMOS повышает скорость считывания и улучшает качество изображения при слабом освещении. А многослойные, т.е. стекированные CMOS-чипы еще больше расширяют диапазон скоростей и сохраняют идеальный обзор объекта, пока камера формирует изображение. Ранее мы говорили о ПЗС-сенсорах. Эти чипы были стандартом для потребительских камер в нулевые, но в последующие годы уступили место CMOS. Правда у ПЗС всё еще есть сторонники, но, за исключением очень недорогих компактов, вы не видите этот сенсор в современных потребительских моделях. Foveon — это еще один тип сенсора, который используется исключительно в камерах Sigma X3, Merrill и Quattro. Чипы Foveon по-разному записывают цвет с помощью трех светочувствительных слоев, а не массива цветовых фильтров. Положительным моментом является то, что этим камерам не нужно выполнять интерполяцию для заполнения отсутствующих цветов, что означает, что они могут захватывать гораздо больше деталей, чем датчик Байера с аналогичным количеством пикселей. Но есть и недостатки: приложения для обработки Raw не поддерживают файлы от многих камер Foveon, а фотографии показывают очень сильный шум при средних значениях ISO. Сегодня на рынке представлена только одна модель Foveon — Sigma dp Quattro. В специальных камерах, таких как Leica M10 Monochrom, отсутствует массив цветных фильтров с тем, чтобы запечатлеть мир только в черно-белом цвете. Монохромные камеры — еще один вариант. Leica предлагает несколько специальных опций, которые отказываются от массива цветных фильтров и снимают исключительно черно-белые изображения. M10 Monochrom и Q2 Monochrom мучительно дороги, но специалисты по монохромной печати могут счесть, что они того стоят. Эти камеры демонстрируют преимущество в деталях, как и чипы Foveon, но превосходят параметры цветных снимков при высоких значениях ISO — отключение фильтра Байера почти удваивает количество света, попадающего на матрицу. Инфракрасные камеры полного спектра вы не найдете на полке местного магазина, но они существуют. Бытовые камеры имеют фильтр над сенсором, который отсекает невидимый свет. Но такие компании, как KolariVision и MaxMax может удалить этот фильтр или продать вам предварительно переделанную камеру, которая может видеть инфракрасные и ультрафиолетовые волны. Пейзажисты любят использовать эти датчики, чтобы снимать сюрреалистичные, инопланетные сцены прямо на Земле. Камеры, преобразованные для работы в инфракрасном, ультрафиолетовом или полном спектре изображений, захватывают световые волны с длинами волн, в т.ч. невидимыми для глаз. Заглядывая вперед, Sony Semiconductor Solutions Group разрабатывает многослойную CMOS чип следующего поколения, который изменяет расположение встроенных транзисторов и обещает лучший динамический диапазон и более низкий уровень шума ISO, чем в моделях текущего поколения. Объявление о разработке было сделано в конце 2021 года, но мы рассчитываем подождать несколько лет, прежде чем эта технология появится в камере, которую смогут купить простые смертные. Panasonic также разрабатывает датчик нового типа. Объявленный еще в 2018 году, компания работает над тем, что она называет органическим датчиком, который использует органическую фотопроводящую пленку (Organic Photoconductive Film — OPF) вместо отдельных пикселей для сбора света. Теперь вы знаете о сенсорах больше и сможете подобрать для себя лучшую из беззеркальных и полнокадровых камер со сменным объективом. Материал подготовлен дата-центром и веб-студией ITSOFT
CMOS, BSI CMOS и Stacked CMOS
Камеры CCD, Foveon, монохромные и полноспектральные
