Данный текст писался в 2006м году.
С тех пор сайт http://www.four-thirds.org преобразился, оброс flash графикой и стал более презентабельным, но смысловое наполнение осталось почти тем-же самым, каким было в далеком 2005м году, когда я впервые заинтересовался этой темой и решил вникнуть в фотостроение более глубоко, глубже, чем авторы всех на тот момент обзорных статей.
Этот результат некоторое время был опубликован на моей страничке, но... ее дизайн оставлял желать лучшего.
Собственно, задачей я тогда ставил себе полное понимание принципов фотосъемки.
От момента, когда лучи попадают в объектив, до того момента, когда они в виде цифрового потока попадают на шину данных встроенной цифровой логики.
Система 4/3 - это новый стандарт продвигаемый содружеством фирм:
Olympus, Kodak, FujiFilm, Sanyo, Sigma, Panasonic, Leica.
Несмотря на свою открытость, в открытых источниках спецификацию найти не удалось, о чем это может говорить, оставляю на усмотрение читателя, для меня это, как минимум, странно.
Меня также, удивило отсутствие вторичных источников, то есть людей, которые читали этот стандарт и составили по нему свое мнение, так же нет тех, кто знает тех, кто читал этот стандарт. Поэтому начиная углубляться в подробности, за спиной не имеем никакой стартовой информации.
Я не могу не привести перевод единственного, находившегося тогда на сайте документа и являвшимся неким введением в этот стандарт, впрочем, с того момента на сайте появилось не много дополнительной информации.
Оригинал статьи:
http://www.four-thirds.org/en/pdf/FourThirdsSystem.pdf
(FourThirdsSystem.pdf - Сохраненная копия)
"35мм пленочные камеры изначально были разработаны в начале 20 века. Они вобрали в себя все преймущества 35мм пленки, которая к тому времени применялась в кинемаографии.Это дало ей возможность быстро завоевать популярность.Сейчас в веке цифровых тенологий, акцент усилий начал сдвигаться в сторону разработки цифровых зеркальных камер. Как результат, начался поиск наиболее удачного стандарта для создания цифровых зеркальных камер. Нам приятно предложить вам стандарт 4/3, который вобрал в себя наиболее удачные решения и достиг оптимума между качеством изображения, размером корпуса и раширяемостью системы. Система 4 на 3, так называется потому что использует регистрирующий сенсор с отношением сторон как 4/3, сенсор может быть как ПЗС, так и CMOS.
Его сильной стороной является, то, что он может максимизировать работу обоих типов сенсоров и объективов. К примеру, цифровые камеры с эквивалентным 35мм сенсором имеют преймущество за счет использования ранее наработанного объема объективов для пленочных камер. Тем не менее, изображение получаемое с цифровых камер выглядит уже не так замечательно, в силу структурных различий между пленкой и сенсором. Смысл различия в том, что объективы используемые в 35мм формате не разработаны для качественной доставки светового потока на периферийные участки сенсора.
Пленка в отличии от сенсора не чувствительна к углу падения луча, в тоже время угол падения луча на сенсор имеет значение потому, что стенки сенсора не нулевой высоты. Иными словами, цифровой сенсор представляет собой матрицу точек в виде сетки, каждая из которых представляет собой фотодиод помещенный в глубине регистрирующего свет пикселя. Это означает, что свет не может эффективно достигнуть фотодиода, если он не проходит прямо через объектив, то есть отвесно к фотодиоду. На этом шаге, становится понятным, что объектив разработанный для 35мм пленочной камеры, поставленный на цифровой аппарат не обеспечит
достаточным количеством света периферийные регистрирующие ячейки сенсора. В результате, мы получим затемненное изображение с неточной передачей цвета. Эта проблема особенно заметна на широкоугольных объективах. Объективы для цифровых камер разработаны специально, чтобы свет корректно доходил не только до центральных, но и до периферийных светорегистрирующих ячеек сенсора. Если разработать объектив для 35мм эквивалентного сенсора, чтобы свет от объектива достигал светодиодов, падая на них прямо или почти прямо, то этот объектив должен быть огромным.
Однако, в системах 4/3, в противовес 35мм камерам, диаметр крепления объектива разработан в два раза шире чем круг картинки, создаваемый объективом на сенсоре. Это предоставляет широкие возможности для разработчиков как регистрирующих сенсоров, так и для разработчиков объективов. Благодаря подобному креплению объектива, свет падает на сенсор, практически отвесно, тем самым гарантируя чистые цвета и четкую детальность на краях изображения. В добавок, "4/3" сенсор имеет площадь от 4 до 5 раз превышающую системы 2/3 или сенсор размером 1/1,8", это дает системе "4/3" потенциальную возможность сравняться или даже превысить разрешение 35мм пленочных камер.
Еще одно преймущество системы "4/3", это сам сенсор, который позволяет уменьшить корпус камеры и объектива к ней.
Для примера, в то время как, для 35мм пленочной камеры, потребуется объектив с фокусным расстоянием в 600мм, аналогичный теле режим, может быть достигнут на системе 4/3 c 300мм объективом, это означает, что все объективы будут значительно меньше по своим размерам. Более того, у объективов эффективное диафрагменное число может быть меньше, в сравнении с объективами для 35мм пленочных камер, более светлые объективы могут быть в тоже время, более короткими по своей длине. Это даст фотографу дополнительную гибкость при съемке в условиях неватки света на достаточно коротких выдержках.
Система "4/3" стандартизирует диаметр крепления объектива, размер круга изображения, расстояние от задней линзы объектива до сенсора и многое другое. Система "4/3" это открытый стандарт. Что в будущем гарантирует великолепную совместимость, для потребителя это будет означать, что он сможет свободно комбинировать объективы и фотоаппараты,сделанные разными производителями без опасности их возможной несовместимости,если они были сделаны в соотвествии со стандартом "4/3". Мы, разработчики, кто принял систему "4/3", уверены, что в будущем это будет основной стандарт на рынке зеркальных камер.
Откройте свои глаза. Камеры созданные в рамках системы "4/3", скоро будут рядом с вами."
Вот такой текст встречал нас на официальном сайте.
Ну, а дальше, я постараюсь разобраться, что является фактом, что важно, а что не важно при оценке этого документа.
Я постараюсь собрать в единую картину физические параметры системы "4/3" и соотнести ее с используемыми сейчас системами "APS"/"APS-C", чтобы стали более понятны ее перспективы в будущем.
В этой статье потребовалось проследить весь путь луча от начала объектива до преобразования его в полезный сигнал на выходе матрицы.
Чтобы оценить преймущества и/или недостатки той или иной технологии, надо пройтись по этому пути для уже известных систем и постараться понять, где новизна дает преймущества, где, наоборот вносит погрешность и как эти два параметра друг с другом взаимодействуют.
В мире фотографии все подвижно. Начиная вдаваться в подробности, оказываешься в море фрагментированной информации, причем, ошибки зачастую плодятся в умах непонимающих и/или вносятся умышленно с расчетом, что все равно никто не поймет. ().
За время существования 35мм кадра было понапридумано огромнейшее количество оптических схем, способных давать сфокусированное изображение на пленочном кадре. Поэтому привязаться тут было не просто. В конечном итоге, я остановился на решениях Canon, так как:
- У меня есть объективы расчитанные для 35mm кадра. Я могу произвести свои собственные измерения;
- Пленке с некоторой натяжкой можно сказать все равно, под каким углом на нее падает свет;
- Почему бы и нет.. Так как дальнейшее будет подробно описано, то собственно 35мм кадр для того, чтобы просто понять, как с чем
соотносится.
APS - Advanced Photo System - это формат пленки предложенный консорциумом из Kodak, Fujifilm, Minolta, Nikon и Canon в 1996м году.
Выделяется он среди всех остальных тем, что
- Пленка обрабатывается практически автоматически;
- На нее можно записать данные о съемке: формат кадра, дату, время, выдержку, значение диафрагмы
Возможны 3 варианта формата:
- 30.2 x 16.7 mm соотношение строн 16:9;
- 25.1 x 16.7 mm соотношение строн 3:2;
- 30.2 x 9.5 mm соотношение сторон 3:1;
На самом деле, все пишется в формате 1, и только при печати отрезается в соответсвии с записью.
Запись может призводиться либо на магнитную ленту, тогда там помещается больше информации, либо наноситься оптическим способом в виде штриховых линий. Плотность информации здесь невысока.
В 1996м году была заложена основа, которая потом отразилась на цифровых камерах. В силу дороговизны сенсора, стоимость которого растет не от количества пикселей, а от площади, был разработан немного уменьшенный и cоответсвенно, более дешевый вариант APS, это APS-C (cropped, то есть отрезанный), площадь по длине и ширине уменьшена при сохранении соотношений кадра 3:2. Это достаточно крупный и еще понимаемый участок, тем не менее тут-же начал эксплуатироваться для введения в заблуждение покупателей.
Введя понятие "Поле охвата" (Field of View), людям преподносят информацию так, что создается впечатление, будто объектив становится более длиннофокусным.
Это не так.
Картинка регистриуемая на матрице APS просто не попадает в кадр формата APS-C, не попадает по краям. Чтобы на формате APS получить идентичную картинку, получаемую на кадре APS-C, надо взять более длиннофокусный объектив.
В чем путаница, спросите вы ?
В том что... Угловые размеры объекта не изменяются, равно как и его физическое изображение на матрице, то есть размер картинки, если угодно.
Чтобы было понятно.
Предположим, мы снимаем какой-то объект объективом 500мм и он дает на APS матрице изображение равное, 20 точкам в центре и положим, последние 20 точек на краю матрицы. Мысленно заменим APS матрицу, на APS-C. Как вы думаете, что мы получили ? Да, в центре объект попрежнему высотой 20 точек, а на краю мы больше ничего не увидим, потому что вторая часть объекта проецируется на пустое место. Площадь сократилась, а размеры проецируемой картинки остались. Объектив стал более длиннофокусным ?
Иначе.
Берем другой объектив, к примеру 310мм (500 / 1,6 = 312. ).
Понятно, что более короткофокусный охватывает больше.
Ставим его на кадр APS.. У-уу.. Да, мы видим объект, но занимает он уже не 20 точек, а 12 точек, и вторую его часть тоже видим, тоже 12 точек, правда вторая часть находится отнюдь не на краю кадра, на краю кадра теперь часть пространства в котором находится наш гипотетический объект...
Заменяем матрицу на APS-C, пространство срезалось, так как проецируется на несуществующую часть матрицы. В центре объект, который занимает 12 точек, на краю его вторая часть, которая тоже занимает 12 точек.
Итак.
APS + 500mm = Поле обзора = APS-C + 310mm.
Обратное: APS-C + 310mm = Поле обзора = APS + 500mm.
Однако: 12 точек не равно 20 точек.
Информации об объекте больше с 500мм объективом, чем с 310мм.
)
Если и это довольно трудно для понимания, то объясню иначе.
Как я ранее сказал, длина и ширина матрицы APS больше, чем длина и ширина матрицы APS-C. На этом я сейчас и сыграю, а вы следите.
Давайте представим, что вы разобрали фотоаппарат и каким-то непостижимым мне и вам способом смогли вместо пленки подсунуть лист бумаги.
Понятно, что объектив имеет круглые линзы и на листе бумаги мы увидим световой круг с картинкой, на которую "смотрит" наш объектив. Но круглых кадров не бывает, они прямоугольные. Поэтому в круг карандашом впишем прямоугольник. Упрощенно, если вы сделали все правильно, то наш нарисованный прямоугольник касается краев круга с изображением. Это вы нарисовали матрицу размером APS. Я умышленно утрирую, не ловите меня на терминологической огрехе.
Теперь будем рисовать матрицу APS-C. Отступите от каждой стороны внутрь равное количество миллиметров и нарисуйте еще один прямоугольник, проходящий, через отмерянные вами расстояния.
У вас получилось 2 прямоугольника, один касается краев светового круга, второй находится внутри первого - это APS-C внутри APS. Видно, что первый захватывает картинки больше, чем внутренний. Понятно, что сохранив картинки с первого и второго прямоугольника, они будут отличаться, но отличие будет состоять, лишь в том, что вышло за края и не попало в поле внутреннего прямоугольника.
Так стал объектив более длиннофокусным от того, что мы смотрим на картинку во внутреннем прямоугольнике ?
Нет.
Даст он большее приближение ?
Тоже нет.
Тогда почему в рекламных проспектах утверждают обратное ?
Малая по размерам матрица захватывает меньший угол, видимой объективом картинки, и именно, и только по этому параметру, он сравнивается с более длиннофокусным. Вуаля.
Но на самом деле объект ближе() не становится. И если вы фотографировали воробья на дальнем заборе, то как он проецировался на матрицу в виде изображения, к примеру, в 1,5 миллиметра, так и будет, вне зависимости от того, на что вы будете его проецировать, на лист ватмана или на клетку тетрадного листа.
Тем не менее, в магазинах вы часто можете услышать, что "на кропнутой матрице объективы становятся более длиннофокусными".
Не становятся они. Чудес не бывает.
Углубляемся дальше.
Свет попав в объектив проходит через систему линз, выходит с задней линзы и устремляется в направлении матрицы. Промежуток от задней линзы до матрицы - называется "Рабочий диапазон" (РД) оно-же расстояние от плоскости крепления до плоскости матрицы: Flange Focal Size или Flange Focal Distance. Ниже линза в зеркальной камере опустится не может, так как там может быть рабочая зона зеркала, то есть область хода зеркала при подъеме и опускании.
Плюсы и минусы..
Маленький РД - это меньшие объективы, меньшая стоимость, меньшие матрицы, меньшие разрешения (линий на сантиметр), большие углы падения
луча на матрицу, соответственно, большие световые потери на краях, потому что не вся энергия луча пападает на пиксель сенсора(, больший набор оптики, которую можно поставить через пассивный адаптер.
Большой РД - это большие объективы, большая стоимость, большие матрицы, большие разрешения, меньшие углы падения луча на матрицу, меньшие световые потери на краях, потому что луч пападает на пиксель более отвесно, меньшее количество оптики, которую можно поставить через пассивный адаптер.
Понятно, что оптика расчитывается для конктретного фотоаппарата или серии фотоаппаратов или в рамках внутреннего стандарта в общем, фотоаппарат + оптика неразрывно связаны друг с другом параметром Рабочий Диапазон.
Что такое рабочий диапазон ? Это длинна от плоскости задней линзы объектива, настроенного на бесконечность, до плоскости, на которой должно cпроецироваться сфокусированное, то есть четкое изображение.
Если рабочий диапазон объектива больше, то его можно через адаптер установить на фотоаппарат, который расчитан на меньший РД. Адаптер как раз и выровняет собой РД объектива и фотоаппарата, приподняв объектив над матрицей до выравнивания их Рабочих Диапазонов.
Характеристики линзы ()
- Хроматические аберрации;
- Сферические аберрации;
- Астигматизм;
- Кома;
- Дисторсия;
Понятно, что сбалансировать все эти параметры, практически невозможно, также очевидно, что большая линза в производстве более сложна, чем маленькая. Объединяя лизны в систему, сбалансировать параметры еще тяжелее.
Для их создания используется механизм эмуляции прохождения лучей: RayTracing, который выполняется на компьютерных кластерах.
Для производства одной линзы используется до 50 различных составляющих элементов, которые плавятся в печах, потом охлаждаются в формах, шлифуются в нескольких стадиях, потом обтачиваются до нужной геометрии, потом опять шлифуются в несколько слоев покрываются составом препятсвующим световому отражению (Иными словами: просветляется. Чтобы при съемке, например: против солнца у вас в кадре не были засняты вместе с объектом съемки еще и световые кружки-зайцы).
Поэтому оптика, подобно драгоценным металлам со временем практически не дешевеет. Чем более широкоугольный объектив, тем более меньшего диаметра задняя линза, тем большие углы преломления образуются в объективе. И обратно, чем более длиннофокусный объектив тем большая задняя линза, тем меньшие углы преломления образуются в объективе, тем более отвесно на матрицу падают лучи.
Рассмотрим более пристально, что происходит с лучами, когда они выходят из объектива.
Для этого введем понятие диаметра изображения (D).
Диаметр изображения - это круглое пятно изображения, создаваемое объективом на матрице и за ее пределами. Так как матрица, в силу своей архитектуры прямоугольна, то мы можем вести речь только о прямоугольнике вписанном в эту окружность. Из школьной геометрии знаем, что центр окружности совпадает с точкой пересечения диагоналей прямоугольника, а радиус равен половине длины диагонали, которая в свою очередь является гипотенузой для прямоугольного треугольника образованного двумя катетами сторон матрицы.
Поэтому, мы в праве считать, что диаметр круга изображения равен диагонале прямоугольника матрицы.
Диагональ расчитывается по формуле Пифагора и равянется квадратному корню от суммы квадратов катетов.
В таблице это значение D, после физических параметров матрицы, взятых из открытых источников.
Теперь, зная диаметр круга изображения и рабочий диапазон линзы, мы можем расчитать максимальный угол падения луча на периферийный пиксель матрицы.
Потом, мы сопоставим эти значения с данными по микролинзам и структурой светоприемной части CMOS сенсора, чтобы оценить влияние этого угла на возможности накопления заряда фотодиодом.
Итак, в таблицу ниже, я свел то, что мне удалось вычислить из известной мне информации.
Расчет диагонали круга изображения я уже описал выше.
Есть еще параметр "Focal flux deviation", остановлюсь на нем подробнее..
В 1ой части статьи было утверждение:
"<..>Иными словами, цифровой сенсор представляет собой матрицу точек в виде сетки, каждая из которых представляет собой фотодиод помещенный в глубине регистрирующего свет пикселя. Это означает, что свет не может эффективно достигнуть фотодиода если он не проходит прямо через объектив, то есть отвесно к фотодиоду. На этом шаге, становится понятным, что объектив разработанный для 35мм пленочной камеры, поставленный на цифровой аппарат не обеспечит достаточным количеством света перферийные регистрирующие ячейки сенсора. В результате мы получим затемненное изображение с неточной передачей цвета.<...>"
Я решил проверить это утверждение.
- Для этого необходимо узнать под каким углом падают лучи на сенсор;
- Откуда они падают, чтобы подсчитать максимально возможный большой угол.
Позволю себе небольшое отступление, чтобы частично доказать, что интернет - это океан информации глубиной в два сантиметра.
Итак, если у вас никогда не было в руках объектива, вы вероятно никогда и не узнаете об этом факте, в то-же время, если вы прочитали первую часть очень внимательно, то обратили внимание на то, что свет на фотодиод может падать отвесно. Мне не удалось найти в русско и англоязычном интернете описания, как идут лучи в объективе.
Для чего мне это надо ?
Известно, что изображение на сенсоре формируемое объективом перевернуто, точнее будет сказать, симметрично отраженное относительно оптической оси. Для простоты буду называть это перевернутым изображением. Но где оно переворачивается ?
В объективе или за его пределами, то есть на пути к сенсору. Если в объективе, то углы падения будут острые, если за пределами, то углы будут колоссальными и преймущества большой задней линзы объектива будут обратно пропорциональны ее диаметру. В принципе, на этом мысленном утверждении можно было бы и остановиться и принять за аксиому, что изображение переворачивается внутри или перед объектвом. Но, есть масса информации, которая этому вроде бы противоречит, в частности, весьма авторитетная статья "Canon Lens Works III", вернее перевод, части книги относящейся к оптической терминологии. Там приведен пример объектива Canon EF 85 f/1.2 USM и хотя там тоже явно не показаны лучи, вроде-бы складывается впечатление, что переворот происходит за пределами объектива. Все остальное, даже если речь идет про объективы, авторы почему-то рассматривают на примере одиночно взятых выпуклых линз. ())
Пришлось провести эксперимент с Canon EF 70-200 f/2.8 IS USM. Проецируем его на светлую поверхность на расстоянии рабочего диапазона (44мм), фокусируем его до получения четкой картинки и листом бумаги начинаем закрывать заднее отверстие объектива, откуда выходят лучи. В этом случае, если изображение переворачивается за пределами объектива, оно должно начать темнеть и закрываться с противоположной стороны от оптической оси. Этого не происходит. Движение тени практически параллельно листу и затеняет картинку с той же стороны, что и лист бумаги объектива.
Вывод:
Лучи из объектива выходят почти параллельно оптической оси. То есть переворот изображения происходит внутри или перед объективом. Аналогичный эксперимент был поставлен с EF 28-135 на коротком и длинном конце, а так же с широкоугольным объективом МИР-20М и длиннофокусным 3М5СА, везде картина поведения была одна и та же, как у EF 70-200.
Позже, рассматривая патент #6910814, оформленный фирмой Olympus, я увидел документальное подтвержение того, как падают лучи на сенсор. До написания этой статьи столь пристально оптикой я не занимался. Итак, более менее стало ясно, откуда и под каким углом падают лучи на матрицу. Вычислением численных значений, в частности, какие максимальные углы отклонения от вертикального, могут образовываться, мы сейчас и займемся.
Дано:
Рабочий диапазон;
Диаметр задней линзы;
Длина диагонали сенсора;
Основной проблемой было узнать диаметр задней линзы, так как у меня нет на руках системы 4/3, то я не могу этот параметр измерить. В интернете такой информации нет. Оставалось искать эту информацию в патентах. И она была найдена.
Диаметр задней линзы - это диаметр окружности описанной вокруг выходного окна фотоаппарата, это тот прямоугольник, который видно, когда снят объектив. На короткофокусных объективах линза меньше. На длиннофокусных больше и оно может быть утоплено внутрь объектива и соответвенно, рано или поздно это окно ограничит световой поток, установив тем самым предельно допустимый угол отклонения.
Этот диаметр в таблице обозначен как BackLensDiameter.
А для APS/APS-C?
Я взял значение измеренное у объектива EF 70-200 f/2.8, с точностью до десятого знака сантиметра +- 0.2 mm.
Focal flux deviation - это угол, образуемый лучем исходящим из точки фокальной оси и падающий на последний пиксель находящийся на
диагонале матрицы с вертикальной прямой перпендикулярной плоскости сенсора. То есть если-бы он падал отвесно, то угол был-бы равен 0, но раз это не так, то есть некоторый угол отклонения, который 0 не равен.
До полной картины, я подсчитал угол отклонения, который образует луч падающий в случае, если изображение преворачивается за пределами объектива это Peripheral flux deviation.
Рассуждения:
Возьмем луч исходящий из точки оптической оси плоскости задней линзы и идущий к периферийному пикселю, лежащему на диагонали матрицы. Точку выхода луча обозначим точкой "B", периферийную точку на матрице "C".
Рассмотрим точку выхода луча с плоскости задней инзы, с предельно возможной дальней ее точки. Луч вышедший от туда, тоже должен попасть в точку "C", иначе мы получим искажение типа, сферическая аберрация, a у нас коммерческий объектив, который предельно возможно лишен этого недостатка. Точку выхода из линзы этого луча обозначим, как "А".
Мы получили треугольник с проекцией вершины на плоскость линзы, лежащей за пределами его основания.
Теперь, опустим перпендикуляр из точки "B" на плоскость матрицы. По условиям, этот перпендикуляр совпадает с оптической осью и следовательно, точкой пересечения диагоналей прямоугольника матрицы. В этой точке диагонали делят друг друга пополам.
Опустим перпендикуляр из точки "A", на плоскость сенсора, он ее пересечет в точке "Е".
Сначала надо найти длину луча "BC".
Нам извеcтна длина отрезка "FC" равная половине длины диагонали матрицы и длина отрезка "BF", равная рабочему диапазону.
Луч "BC", есть квадратный корень из суммы квадратов "BF" и "FC".
Теперь у нас есть информация, чтобы подсчитать угол отклонения луча "BC" от вертикальной оси.
Для этого, мысленно поднимем перпендикуляр из точки "C" в сторону плоскости задней линзы и точку пересечения этого луча с плоскостью обозначим, как "K".
Понятно что угол "BCK" = углу "CBF", а он в свою очередь, равен ArcCos ("BC" / "BF") и чтобы получить значение в градусах, переведем из радианной меры в градусную, домножив это значение на частное 180/pi, где pi = 3,141592653589793.
Мы получили "Focal flux deviation".
Теперь расчитаем отклонение от вертикали луча "AC".
Понятно, что угол "EAC" = углу "ACK".
Отрезок "EC" равен сумме отрезков "EF" + "FC", отрезок "EF"="AB", так как "EF" образован перпендикулярами опущенными из "AB". Следует, что "EC" = "AB"+"FC".
"AB" равен половине длины диаметра окружности описанной, вокруг окна приемной части байонета.
"AC" определяется, как квадратный корень из суммы квадратов катетов "EC" и "AE".
Теперь находим угол "EAC", который равен "ACK", то есть это и есть отклонение луча "AC" от вертикали.
Угол "ACK"="EAC"=ArcCos("AC"/"AE")*180/pi.
Так мы нашли "Peripheral flux deviation".
Программа на Perl, которая проводит все расчеты приведена в приложении.
Вычисленные значения я свел в таблицу, которую привожу ниже.
>Standart 4/3
| Crop factor: | 2 |
| Sensor: 18x13,5mm | D=22,5 |
| Work Distance: | 38,67 |
| BackLensDiameter: | 22,3 |
| Math Pixel Size(Olympus E500): | 3,03 * 10E-6 |
| Focal flux deviation: | 16.4420707025675 |
| Peripheral flux deviation: | 30.0820143029573 |
>Стандарт: APS-C
| Crop factor | 1,6 |
| Sensor: 22,5x15mm | D=27.0416345659799 |
| WorkDistance | 44 |
| BackLensDiameter | 39,53 |
| Math Pixel Size (Canon EOS 20D) | 6,4 * 10E-6 |
| Focal flux deviation | 17.0823648931905 |
| Peripheral flux deviation | 36.7141758922909 |
>Стандарт: APS
| Crop factor | 1 |
| Sensor: 24x16mm | D=28.8444102037119 |
| Work Distance | 44 |
| BackLensDiameter | 39,53 |
| Math Pixel Size (Canon EOS 5D) | 8,2 * 10E-6 |
| Focal flux deviation | 18.4592644890761 |
| Peripheral flux deviation | 37.6307573214999 |
>Стандарт: 35mm
| "Sensor" Film 36x24mm | D=43.2666153055679 |
| Mount Diameter (Canon) | 54mm |
| Light Angle | 27.4174965312329 |
С углами падения немного разобрались. Теперь опустимся на уровень сенсора.
Сенсор иногда называют бутербродом или вафлей. Действительно, это многослойное устройство. В сборе в фотоаппарате оно состоит из нескольких слоев.
Так как в последнее время распространение получают CMOS сенсоры, рассмотрим именно его устройство.
Тем не менее скажу несколько слов о CCD (ПЗС) сенсорах.
CCD перед CMOS имееют одно неоспоримое преймущество - площадь пикселя, которая равна практически всей площади пикселя, против 50-70 процентов у CMOS датчика. Вся канальная схема CCD пикселя может быть расположена за его пределами.
Минусы происходят из этого-же, нет возможности быстро вывести сигнал с матрицы, что приводит как к накоплению погрешности, во время последовательной транспортировки зарядов так и взаимным перекрестным влияниям от соседних и транзитных каналов.
Для CCD сенсоров требуются большие размахи управляющих напряжений для транспортировки зарядов, которые лежат примерно в области от 5 до 15 вольт, как следствие, в схему приходится вводить схемы управления напряжением или несколько источников питания, общее потребление CCD датчика может достигать несколько ватт.
Для CMOS датчиков, подобных решений не требуется. Отвод сигнала можно обеспечить предельно быстро, просто адресовав пиксель, то есть выбрав cоответсвующую ему X и Y линию.
Уже в схеме пикселя можно построить схему усиления, что улучшает отношение полезного сигнала к шуму, который добавляется от стадии транспортировки до момента оцифровки. CMOS датчик может работать от 5 вольт, а последние разработки уже от 3,3 вольта, потребляемая мощность CMOS датчика лежит в пределах 20-50 милливатт.
Чуть чуть разобравшись с сенсорами, пройдемся по его структуре сверху вниз и узнаем, почему его называют "бутербродом". Сверху надо всем находится плоскость с микролинзами. Под ней плоскость с цветовыми фильтрами на этом слое расположен фильтр байера или одна из его вариаций. Еще ниже находится ячейка с фотоприемиком.
Ячейка представляет из себя квадрат, в площади которого находятся 3 управляющих транзистора и приемная область - фотодиод. 3 транзистора обеспечивают считывание, очистку и усиление сигнала в точке считывания.
Существует несколько типов формирования микролинз и несколько типов формирования ячеек. Все они создают большое множество технологий производства. Я упоминаю об этом потому, что в зависимости от технологии, пиксель равно как и вся структура от микролинз до вывода полезного сигнала из ячейки, в конечном итоге, сильно отличается по характеристикам друг от друга.
Для того, чтобы более точно показать, приведу путь исследования проведенные учеными Canon'а в области исследования создания разных микролинз.
При создании микролинз они перебрали несколько способов их формирования.
В общем виде, процесс формирования выглядит следующим образом.
Поверхность, из которой будут сформированы микролинзы покрывают полимером имеющим высокий уровень преломления. После этого его шлифуют. Методом фотолитографии над каждым пикселем формируются участки, которые впоследствии станут микролинзами.
Таким образом, общее пространство становится разбито на отдельные участки, которые находятся над каждым пикселем.
Пространство между участками химическим способом освобождается от полимера.
После этого каждый из участков нагревается до той температуры, когда поверхностное натяжение сформирует сферическую поверхность и после стадии остывания участок становится микролинзой.
На этой стадии возникают проблема высокого коэффициента отражения, для борьбы с этим явлением, учеными Canon были перепробованы различные способы покрытия микролинз. Патент #6586811 описывает двухслойное покрытие сферы микролинзы для получения минимального коэффициента отражения и при этом высокого коэффициента преломления.
Стоит также отметить, что микролизны разрабатываемые Konika (патент #6727487) не предусматривают дополнительного слоя над полимером, образовавшим микролинзу.
Механизмы отличаются друг от друга наличием тех или иных технологических шагов, которые могут влиять на качество микролинзы, как например мусора, который накапливается в процессе производства микролинз между ними.
Каждая фирма создает свои технологии производства и очистки поверхностей и расположения активных компонентов по считыванию полезного сигнала.
Если у матрицы от Micron, 3 транзистора расположены практически в одном месте, то у Коника управляющая схема распределена по периметру пикселя, а фотодиод расположен по центру. Очевидно, что пиксель будет иметь разный КПД преобразования, при разных углах падения луча.
Численный угол отклонения, с которым может справиться микролинза это примерно 20 градусов.
Это число я и положу за предельно допустимое отклонение от вертикальной оси, которое гарантирует попадание луча на площадь фотодиода без потери. Следует отметить, что значения параметров "Math Pixel Size", вычислены "в лоб" элементарным делением площади на мегапиксельность, что с физической точки зрения не совсем корректно, размер будет немного меньше.
Так же следует помнить несколько моментов:
- количество пикселей обозначается в округленном значении;
- количество пикселей ограничено по периметру матрицы из за фактора невозможности вычисления точного цвета на ее краях.
Связанно это с алгоритмом преобразования из матрицы Байера, впрочем, здесь возможны варианты, так как ничто не мешает вставить логике фотоаппарата усредененное или апроксимированное значение.
- Реальный пиксель имеет межпиксельное пространство, которое у каждого технологического процесса свое, но в общем приближении можно положить около 10ой части от стороны пикселя, то есть реальная длина стороны пикселя меньше математически вычисленного, на 8%-12%.
Тем не менее, относительные значения можно соотнести друг с другом для понимания, как и сколько теоретически может принять света пиксель.
Итак, мы подошли к самому концу.
Поднимаясь из глубин микромира в наш макромир экономики, зададимся вопросом, а в чем-же преймущества системы "4/3" ?
Плюсы:
- Это свобода от отягчающих патентов;
- Технологичность - печать на фотобумаге получается чуть экономнее. Но вопрос очень спорный.
- Открытость стандарта - постепенно объеденит выдавленных с рынка производителей, желающих производить профессиональную фото-технику; в
отдаленной перспективе, они возможно смогут составить силу, способную противостоять большой пятерке производителей.
- Чуть более светосильные обективы (Светосила = площади действующего отверстия диафрагмы, деленногo на квадрат фокусного
раcстояния). Стоит отметить, сомнительность этого преймущества, в силу того, что многие производители начинают
выпускать объективы расчитанные для цифровых камер с матрицей фoрмата APS-C, то есть их фокусное расстояние меньше примерно в 1,6 раза, и
следовательно, светосила тоже может быть выше
Минусы:
- Отсутствие технологических новинок;
- Жесткое закрепление круга изображения равное 4/3 видиконовских дюйма;
- Малый размер сенсора - это большой ГРИП (Граница Резкого Изображения Предмета). Для получения привычного профессионалами малого
размера ГРИП на диафрагмах 2,8 и больше, придется создавать крайне мощные по светосиле объективы, сложность расчета которых очень велика,
а требования к качеству обработки линз и их составу будут очень высоки.
Какой же вывод можно сделать ?
Мы видим становление нового формата, который по большому счету, является новым только на макроуровне общих рекламных утверждений и
человеческих правовых законов. С точки зрения физики и качества производимой работы, я не смог найти никаких новшеств, которые могли-бы
дать серьезный выйгрыш этой системе, в сравнении с форматом APS/APS-C и тем более, увести профессионалов с освоенных ими платформ.
Поэтому при выборе можно ориентироваться на марку, сервис, удобство управления, конечно, качество картинки по отношениию к цене
аппарата, но не на физико-электрические параметры.
Библиография:
Системная диаграмма для Олимпуса
Как работают затворы на матрицах
Как работают матрицы Байера)
Как работают матрицы Байера (2)
Как работает ПЗС (физика процесса)
(Статья о тестировании фототехники)
Общие слова... но по большому количеству производителей
Что такое APS
Об объективах и линзах
Объективы и матрицы, размеры, характеристики
Переходники на EOS и проблемы, и куча линков..)
Объективы
Белые страницы (интересный ресурс со ссылками на PDF'ы)
Как работает сенсор
Физическое устройство сенсора
Сamera system has a principle ray angle of 20-degrees)
Дисторсии
Olympus Digital Camera System
Wikipedia - метрические величины
