В чем разница между CMOS, BSI CMOS и Stacked CMOS?
Сердцем цифровой камеры является датчик изображения, и в цифровую эпоху мы наблюдаем развитие нескольких различных типов сенсорных технологий. В большинстве современных опций используется версия технологии Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS). Эти КМОП-чипы имеют некоторые реальные преимущества по сравнению с датчиками с зарядовой связью (ПЗС), распространенными на заре цифровой фотографии, включая улучшенную энергоэффективность и контроль нагрева. Эти улучшения проложили путь для видео 4K (и выше) в камерах со сменными объективами.
Но существует более одного типа CMOS-сенсора. И если вы покупаете новую беззеркальную камеру, вы можете быть ошеломлены различными архитектурами и не знаете, почему камеры Stacked CMOS стоят намного дороже, чем базовые модели. Читайте дальше, чтобы понять, чем отличаются различные варианты CMOS.
Архитектурные различия
По большей части цифровые датчики построены на похожей концепции, даже если есть различия в конструкции чипа. В имидж-сканере используются светочувствительные фотосайты и фильтр с повторяющимися узорами из красных, зеленых и синих квадратов, добавляющих цвет. В большинстве датчиков используется массив цветных фильтров (CFA) 4 на 4, называемый Bayer CFA (названный в честь его создателя), но в некоторых моделях Fujifilm используется более сложный X-Trans CFA 6 на 6.
Bayer CFA (слева) имеет простой повторяющийся рисунок четыре на четыре, а Fujifilm X-Trans (справа) использует сетку шесть на шесть для получения цветных фотографий (Иллюстрация: Боб Аль-Грин)
Вы также можете столкнуться с датчиками Quad Bayer, типичными для смартфонов с огромным количеством пикселей, а также экшн-камерами и дронами. Эти датчики содержат большое количество пикселей (обычно 48 МП), но выдают изображения с более низким разрешением с помощью метода, называемого объединением пикселей. Эта функция также немного по-разному внедряется в датчики камеры со сменными объективами (ILC). Например, роскошная Leica M11 опирается на объединение пикселей для создания фотографий с разрешением 60MP, 36MP или 18MP.
Pixel Binning объединяет меньшие пиксели Quad Bayer в более крупные группы (Иллюстрация: Bob Al-Greene)
КМОП-чипы отличаются от ПЗС-матриц предыдущего поколения несколькими важными моментами. 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: чипы CMOS поместили свой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на плату вместо того, чтобы откладывать его как отдельный блок. Чипы также потребляют меньше энергии и выделяют меньше тепла, чем ПЗС-матрицы, что хорошо как для качества изображения при слабом освещении, так и для времени автономной работы.
CMOS, BSI CMOS и Stacked CMOS
Существует три основных типа КМОП-сенсоров. Базовый дизайн CMOS сегодня используется в камерах начального и среднего уровня — моделях, которые получают новейшие функции через пару поколений после того, как они появились в моделях высокого класса.
Усовершенствованная конструкция КМОП с задней подсветкой (BSI) аналогична концепции обычных КМОП, но эти микросхемы располагают компоненты по-разному. Короче говоря, фотосайты находятся дальше на кристалле, и скорость построчного считывания выше. Это изменение дает практические преимущества: вообще говоря, BSI CMOS примерно на диафрагму лучше, когда речь идет о шуме изображения. Это означает, что BSI CMOS показывает 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 и быстрые правила, но это хорошие рекомендации, которым нужно следовать.
На этой диаграмме показаны архитектурные различия между датчиками CMOS, BSI CMOS и Stacked CMOS (Иллюстрация: Боб Аль-Грин)
Более высокая скорость считывания делает возможным полностью электронный затвор для моделей BSI CMOS, а также обеспечивает более быструю реакцию автофокуса для более высокой скорости серийной съемки с автофокусом. Fujifilm X-T3 была первой потребительской камерой, которая действительно использовала эти функции. Он дебютировал с фокусировкой 20 кадров в секунду с полностью электронным затвором в 2018 году. 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 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, предложив возможность фотографировать без перерывов — вы можете использовать ее для съемки фотографий со скоростью 20 кадров в секунду, не теряя из виду свою сцену.
Многослойный CMOS-датчик Nikon Z 9 считывает данные достаточно быстро, чтобы исключить необходимость в механическом затворе, что является настоящим достижением для камеры, предназначенной для фиксации движущихся объектов на месте (Фото: Джим Фишер)
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 Z 9 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 вместе, чтобы гарантировать, что сложенные камеры не просто делают кучу фотографий подряд; они берут кучу в фокусе фото подряд.
Подводя итоги, можно сказать, что чипы CMOS являются основными, основными опциями для современных цифровых камер. Переход на модель с датчиком BSI CMOS повышает скорость считывания и улучшает качество изображения при слабом освещении. Наконец, многослойные CMOS-чипы еще больше расширяют диапазон скоростей и сохраняют идеальный обзор объекта, пока камера делает изображение.
Камеры CCD, Foveon, монохромные и полноспектральные
Ранее мы коснулись ПЗС-сенсоров. Эти чипы были стандартом для потребительских камер в нулевые, но в последние годы уступили место CMOS. У первого все еще есть сторонники, но, за исключением очень недорогих компактов, вы не видите сенсор в современных потребительских моделях.
Камера Sigma DP2 Merrill, с помощью которой была сделана эта фотография, улавливает цвета с помощью трехслойного датчика Foveon, что отличается от камер Bayer (Фото: Джим Фишер)
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 требуется интерполяция 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 со многих камер Foveon, а фотографии показывают очень сильный шум при средних значениях ISO. Сегодня на рынке представлена только одна модель Foveon — Sigma dp Quattro. Мы пропустили обзор камеры, но взглянули на уже снятую с производства Quattro H, родственную модель, которая соответствует большинству ее функций, но использует датчик Foveon, который немного больше, чем APS-C.
Рекомендовано нашими редакторами
В специальных камерах, таких как Leica M10 Monochrom, отсутствует массив цветных фильтров, чтобы запечатлеть мир в черно-белом цвете; Я сделал это фото в зеркале с помощью M10M и послевоенного объектива Elmar 5cm F3.5 (Фото: Джим Фишер)
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 цвета при высоких значениях ISO — отключение фильтра Байера почти удваивает количество света, попадающего на матрицу.
Вы не найдете инфракрасных камер полного спектра в продаже в местном крупном магазине, но они существуют. Бытовые камеры имеют фильтр над сенсором, который отсекает невидимый свет. Но такие компании, как КолариВижн(Откроется в новом окне) а также МаксМакс(Откроется в новом окне) 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 здесь, на Земле.
Камеры, переделанные для работы в инфракрасном, ультрафиолетовом или полном спектре, захватывают световые волны с длинами волн, невидимыми для ваших глаз (Фото: Getty / Justin Reznick Photography)
Заглядывая вперед, Sony Semiconductor Solutions Group (отдельная единица от подразделения камер) разрабатывает Stacked CMOS следующего поколения (открывается в новом окне) чип, который изменяет расположение встроенных транзисторов и обещает лучший динамический диапазон и более низкий уровень шума ISO, чем это возможно 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. Объявленная еще в 2018 году, компания работает над тем, что она называет органическим датчиком, который использует Органическая фотопроводящая пленка(Открывается в новом окне) (OPF) слой вместо отдельных пикселей для сбора света.
Выбор правильной камеры
Теперь, когда вы знаете больше о датчиках, пришло время подобрать камеру. Если вы покупаете модель со сменным объективом, ознакомьтесь с нашим выбором лучших беззеркальных и лучших полнокадровых камер или прочитайте наше более общее руководство по покупке, если вы не уверены, какой тип камеры вам следует приобрести.
