Чувствительность, динамический диапазон и тепловой шум
Чувствительность ЭОП является интегральной характеристикой и зависит от чувствительности каждого пиксела. Чувствительность пиксела в абстрактном понимании аналогична КПД (коэффициенту полезного действия), то есть представляет собой некое дробное соотношение. Знаменателем этого соотношения будет общее количество фотонов, попавших на светочувствительную область пиксела, а числителем – объем электронов, сгенерированных фотоэлементом матрицы и попавших в потенциальную яму. Таким образом, чем выше этот воображаемый КПД, тем выше чувствительность матрицы. Однако для получения качественного кадра должно выполняться еще одно условие.
Чтобы сенсор мог работать и в сумерках, и на ярком солнце, от каждого пиксела требуется довольно "емкая" потенциальная яма. Эта яма, с одной стороны, должна "удержать" минимальное количество электронов при слабой освещенности, а с другой – вместить большой заряд, получаемый при попадании на сенсор мощного светового потока. Следует помнить также, что кадр может содержать как ярко освещенные участки, так и глубокие тени, и желательно, чтобы все их оттенки отображались на сформированном сенсором изображении.
Способность накапливать электроны именуется предельным уровнем заряда (quantum efficiency), именно от этой характеристики зависит динамический диапазон сенсора.
Примечание
Динамический диапазон – способность ЭОП отличать самые темные оттенки от самых светлых. Зависит от предельного уровня заряда, накапливаемого элементом ЭОП. Чем шире динамический диапазон, тем большее количество оттенков будет присутствовать на снимке.
В некоторых случаях того минимального заряда, который удержала яма, все-таки недостаточно для дальнейшей обработки. И тут в ход идет увеличение чувствительности.
В отличие от светочувствительности фотопленки, которая не может изменяться от кадра к кадру, чувствительность цифровой камеры может настраиваться индивидуально для каждого кадра. Делается это путем простого усиления сигнала на выходе с матрицы, такая процедура чем-то сродни повороту регулятора громкости радиоприемника.
Увеличение чувствительности позволяет получить нормальную экспозицию кадра в тех случаях, когда один либо другой экспо-параметр (а порой и оба) не может быть больше или меньше определенного значения. Наиболее распространенный пример – необходимость иметь большую глубины резкости (малую диафрагму) при съемке движущихся объектов ("короткая" выдержка). Тем не менее применение высокой чувствительности имеет оборотные стороны.
В обычной фотографии светочувствительные пленки обладают повышенной зернистостью. В цифровой фотографии присутствует другой неприятный эффект – раскиданные по всему кадру пикселы разного цвета. Виной тому тепловой шум.
Под этим названием подразумевают паразитные заряды, которые при закрытом затворе хаотическим образом скапливаются в элементах матрицы под воздействием эффекта термогенерации электронов. При считывании сигнала они добавляются к заряду пиксела, искажая его истинное значение. Именно они являются причиной точек посторонних цветов, раскиданных по кадру.
При увеличении чувствительности, то есть усилении сигнала, идущего с матрицы, их количество значительно растет. Следуя аналогии с радиоприемником – чем выше громкость, тем сильнее шум от помех.
Кроме того, тепловой шум возрастает при больших выдержках – чем больше время экспонирования, тем больше "тепловых" электронов успевает "набиться" в потенциальную яму.
Таким образом, пользователь может испортить кадр двумя способами – либо увеличить чувствительность, либо выбрать "длинную" выдержку. Справедливости ради стоит сказать, что большое время экспонирования все-таки меньше искажает кадр, чем манипуляции с чувствительностью.
В любом случае с тепловым шумом надо бороться. И чтобы минимизировать это вредное влияние, применяется ряд мер.
Иногда проблему решают "в лоб". Чтобы уменьшить влияние термоэлектрических эффектов, используют различные схемы теплоотвода. В частности, иногда в качестве теплообменника используется металлический корпус камеры, в студийной фототехнике работают более сложные схемы. Однако этот подход не применим к любительским камерам, ограниченным по весу и габаритам.
Для определения усредненного значения теплового шума используются "черные" пикселы – столбцы и строки на краях матрицы, покрытые черным светофильтром. Усредненное значение заряда, снятого с "черных" пикселов, называется уровнем черного цвета. Разумеется, что при разных условиях эксплуатации (температура окружающей среды и самой камеры, ток аккумуляторов и т. д.) уровень черного цвета будет разным. Если брать его значение за "нулевую отметку", то можно определить истинный заряд "рабочих" пикселов.
Однако проблема в том, что в каждом пикселе по-разному протекают процессы термогенерации, поэтому "черные" пикселы панацеей не стали.
Для решения проблемы фотографы стали применять "народное средство" – съемку кадра при закрытом крышкой объективе. В этом случае пользователь получает на черном фоне "маску", которую можно использовать для "вычитания" теплового шума из изображения. Данный способ зарекомендовал себя настолько хорошо, что используется в качестве штатной системы шумоподавления в некоторых новых моделях любительских камер. При включении режима подавления шумов методом темного кадра (dark frame) камера сначала фотографирует кадр, а затем при закрытом затворе снимает "маску" с матрицы при тех же значениях чувствительности и выдержки. Конечно же, данный метод неприемлем для непрерывной съемки, однако незаменим для фотографирования при слабой освещенности.