Цифровая съемка, физика приборов с зарядовой связью

Цифровая съемка, физика приборов с зарядовой связью

Цифровая съемка – это технология, использующая вместо светочувствительных материалов, основанных на галогениде серебра, преобразование света светочувствительной матрицей и получение цифрового файла.

ПЗС, прибор с зарядовой связью — общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объёме полупроводника. Наиболее ярким представителем приборов данного класса является ПЗС-матрица.

Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в AT&T Bell Labs. Лаборатории работали над видеотелефонией и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти». Объединив эти два направления, Бойл и Смит занялись тем, что они назвали «устройствами с зарядовыми пузырьками». Смысл проекта состоял в перемещении заряда по поверхности полупроводника. Так как приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Но стало ясно, что прибор способен получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту, то есть могут создаваться изображения при помощи электронов.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью ПЗС-линеек (в них воспринимающие свет элементы расположены в одну или несколько линий). Таким образом впервые был создан фотоэлектрический прибор с зарядовой связью.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивама компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер. С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПЗС-матриц. А в 1989 году они применялись уже почти в 97 % всех телекамер.

Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а, следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.

Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.

 

Настройки цифровой камеры

Основные настройки цифрового фотоаппарата — это выдержка и диафрагма, их соотношение называется экспозицией. Поэтому, когда говорят нужно выбрать экспозицию, то имеют в виду, нужно выставить эти два значения.
Выдержка Изменяется в секундах (1/4000, 1/125, 1/13, 1, 10 и тд) и означает время, на которое открывается шторка фотоаппарата во время спуска затвора. Логично, что, чем дольше она открыта, тем больше света попадет на матрицу. Поэтому в зависимости от времени суток, солнца, уровня освещенности будет свой параметр выдержки. Если вы пользуетесь автоматическим режимом, то камера сама будет измерять уровень освещенности и выбирать значение. Но не только на освещенность влияет выдержка, но и на смаз движущегося объекта. Чем быстрее он движется, тем короче должна быть выдержка. Хотя в некоторых случаях, можно наоборот сделать ее подлиннее, чтобы получить «художественный» смаз. Точно так же смаз может получится от дрожания ваших рук (шевеленка), поэтому нужно всегда выбирать такое значение, чтобы нивелировать эту проблему, ну и тренироваться, чтобы дрожания было поменьше. В этом вам еще может помочь хороший стабилизатор на объективе, он позволяет использовать более длинные выдержки и предотвращает шевеленку. Правила выбора выдержки: Чтобы предотвратить смаз от дрожания рук, всегда старайтесь ставить выдержку не длиннее 1/мм, где мм — это миллиметры вашего текущего фокусного расстояния. Потому что, чем больше фокусное, тем больше вероятность смаза, и тем больше нужно укорачивать выдержку. Например, пограничным значением для 50 мм будет выдержка 1/50, и даже лучше будет ставить еще покороче где-то 1/80, чтобы уж наверняка. Если вы снимаете идущего человека, что выдержка должна быть не длиннее 1/100. Для движущихся детей лучше ставить выдержку не длиннее, чем 1/200. Совсем быстрые объекты (например, при съемки из окна автобуса) требуют совсем коротких выдержек 1/500 и меньше. В темное время суток для съемки статичных объектов, лучше не задирать слишком сильно ISO (особенно выше рабочего значения), а использовать длительные выдержки (1с, 2с и тд) и штатив. В случае, если вы хотите снять красиво текущую воду (со смазом), то вам нужны выдержки 2-3 сек (дольше мне уже не нравится, что получается). А если нужны брызги и резкость, то 1/500 — 1/1000. Значения все взяты из головы и не претендуют на аксиомы, лучше всего самостоятельно подбирать их на личном опыте, так что это просто для ориентира.
Диафрагма Обозначается, как f22, f10, f5.6, f1.4 и означает насколько открыта диафрагма объектива во время спуска затвора. Причем, чем меньше число, тем больше диаметр отверстия, то есть как бы наоборот. Логично, что, чем больше это отверстие, тем больше света попадает на матрицу. В автоматическом режиме, фотоаппарат сам выбирает это значение по вшитой в него программе. Так же диафрагма влияет на ГРИП (глубину резкости): Если вы снимаете пейзаж днем, то смело прикрывайте диафрагму до f8-f13 (больше не стоит), чтобы было все резко. В темное время суток при отсутствии штатива придется наоборот ее открывать и завышать ISO. Если снимаете портрет и хотите наиболее размытого фона, то можно открыть диафрагму на максимум, но учтите, что если ваш объектив светосильный, то значения f1.2-f1.8 может оказаться слишком много и в фокусе будет только нос человека, а остальная часть лица размыта. Есть зависимость ГРИП от диафрагмы и фокусного расстояния, поэтому, чтобы основной объект был резким, то имеет смысл использовать значения f3-f7, увеличивая его в зависимости от увеличения фокусного расстояния.
Светочувствительность ISO Обозначается ISO 100, ISO 400, ISO 1200 и тд. Если вы снимали на пленку, то помните, что продавались пленки с различными светочувствительностями, что означало восприимчивость пленки к свету. То же самое и для цифрового фотоаппарата, можно выставить светочувствительность матрицы. На деле это означает, что ваш кадр будет светлее при увеличении ISO при тех же параметрах выдержки и диафрагмы (при той же экспозиции). Особенностью хороших и дорогих фотоаппаратов является более высокое рабочее ISO доходящее до 12800.

Баланс белого. В зависимости от источника света (солнце, лампочка накаливания, лампа белого света и тд) зависит цветовая гамма фотографии. Грубо говоря, представьте, что мы будем специальной синей лампой светить на кресло и тогда вся фотография этого кресла будет синюшная. Если это специальный художественный эффект, то все отлично, но если нам нужны нормальный оттенки, то тут нас спасет выставление баланса белого. Во всех камерах есть предустановки (автомат, солнце, облачно, лампочка накаливания, ручной и тд).

 

Электронный стабилизатор.

Существует и EIS (англ. Electronic (Digital) Image Stabilizer — электронная (цифровая) стабилизация изображения). При этом виде стабилизации примерно 40 % пикселей на матрице отводится на стабилизацию изображения и не участвует в формировании картинки. При дрожании видеокамеры картинка «плавает» по матрице, а процессор фиксирует эти колебания и вносит коррекцию, используя резервные пиксели для компенсации дрожания картинки. Эта система стабилизации широко применяется в цифровых видеокамерах, где матрицы маленькие (0,8 Мп, 1,3 Мп и др.). Имеет более низкое качество, чем прочие типы стабилизации, зато принципиально дешевле, так как не содержит дополнительных механических элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цифровые технологии прочно вошли не только в киноиндустрию, но и обычную жизнь. Благодаря распространению различных видов устройств прикоснуться к созданию или фиксированию изображения может каждый. Обилие технических устройств разных характеристик позволяет максимально эффективно подобрать инструмент для реализации той или иной задачи в зависимости от бюджета. Разнообразие цифровых технических устройств только увеличивается и совершенствуется. На сегодняшний день «кино» может создать каждый желающий и это заслуга цифровых технологий.

 

 

 

Цифровая съемка, физика приборов с зарядовой связью

Цифровая съемка – это технология, использующая вместо светочувствительных материалов, основанных на галогениде серебра, преобразование света светочувствительной матрицей и получение цифрового файла.

ПЗС, прибор с зарядовой связью — общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объёме полупроводника. Наиболее ярким представителем приборов данного класса является ПЗС-матрица.

Прибор с зарядовой связью был изобретён в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в AT&T Bell Labs. Лаборатории работали над видеотелефонией и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти». Объединив эти два направления, Бойл и Смит занялись тем, что они назвали «устройствами с зарядовыми пузырьками». Смысл проекта состоял в перемещении заряда по поверхности полупроводника. Так как приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Но стало ясно, что прибор способен получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту, то есть могут создаваться изображения при помощи электронов.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью ПЗС-линеек (в них воспринимающие свет элементы расположены в одну или несколько линий). Таким образом впервые был создан фотоэлектрический прибор с зарядовой связью.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивама компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер. С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПЗС-матриц. А в 1989 году они применялись уже почти в 97 % всех телекамер.

Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а, следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.

Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.