В этой статье мы попытаемся пролить свет на различные форматы изображения, размеры матрицы, кропнутые объективы и прочие вещи, которые зачастую не совсем понятны непрофессиональным пользователям при выборе фототехники, сравнении ее характеристик и т. п.

Исторически так сложилось, что цифровая фотография возникла в период преобладания узкопленочной зеркальной фототехники. Вполне логично, что основным путем трансформации пленочной фотокамеры в цифровую была замена пленки на другой светоприемник при сохранении всех остальных частей и ключевых узлов фотоаппарата.

Кадр пленки имеет размер примерно 24×36 миллиметров, и все объективы, созданные специально для такого кадра, ориентированы на такой размер и не могут быть использованы для более крупных форматов пленки, т. к. будет наблюдаться виньетирование (затенение углов кадра из-за того, что объектив просто не рассчитан на такой размер пленки).

Логично предположить, что можно было просто создать матрицу аналогичного размера 24×36 и использовать весь потенциал оптики, рассчитанной под такой размер кадра. Однако такое решение сразу же натолкнулось на ряд технологических проблем:

1. Слишком большие затраты на производство матриц большого размера.

При современном технологическом уровне стоимость производства возрастает экспоненциально при увеличении размера матрицы. Объяснение этому очень простое: заготовки матриц наносятся на круглую кремниевую “болванку”, которая потом режется на куски; чем меньше размер матрицы, тем больше готовых сенсоров выйдет из одной болванки. При этом если где-то внутри кремниевой заготовки будет дефект структуры, то матрица, которая находится на месте этого дефекта, автоматически уходит в брак.

Чем больше по размеру матрица, тем больше вероятность получения брака. Образно говоря, при размере матрицы 1×1мм процент брака составит 0.1%, при размере 10×10мм – 10%, а при размере 30×30мм – 80%. Если же матрица будет размером во всю заготовку, то процент брака будет 99.9%. Безусловно, это образные цифры, но они объясняют, почему так высока себестоимость производства матриц большого размера.

С каждым годом технология производства полупроводниковых устройств улучшается, уменьшается процент брака и общая стоимость производства. Однако, не смотря на это, стоимость  матрицы большого размера все еще заметно превышают стоимость маленьких матриц.

2. Особенности структуры матрицы.

Пленка является практически плоской структурой, благодаря чему, свет, падающий под любым углом, регистрируется пленкой одинаково. При использовании объективов, созданных в пленочные времена, на цифровых фотоаппаратах по краям кадра наблюдается заметная “неперпендикулярность падения лучей”.  В углах кадра, особенно на широкоугольных объективах, лучи света падают на пленку под углом, который заметно отличается от прямого.

Как было уже сказано, для пленки это не имеет особого значения, но для цифровой фотографии такое несоответствие приводит к нежелательным последствиям, в первую очередь, затемнению по краям и падению резкости.

Этот факт объясняется многослойной структурой сенсора: каждый пиксель состоит из нескольких слоев, ключевые из которых – светочувствительный элемент и микролинза, собирающая свет на него. В случае перпендикулярного падения лучей весь свет собирается на светочувствительном элементе, однако при косых углах падения значительная часть светового пучка на него просто не попадает. На фотографии это выглядит как затенение краевых областей - так называемое виньетирование.

3. Неравномерность качества картинки по полю изображения.

Эту проблему можно назвать общей для фотографии как таковой. Дело в том, что большинство объективов имеют неравномерное качество картинки по полю изображения. В центре резкость максимальна, аберрации  же практически отсутствуют, но ближе к краям изображения наблюдается значительное падение резкости, проявление хроматических аберраций и прочих дефектов изображения. Таким образом, использование центральной части изображения позволяет избавиться от краевых дефектов, используя лучшую часть картинки.

Производители зеркальной фототехники, проектируя первые цифровые фотоаппараты, нашли простой выход — сенсоры стали проектировать по размеру немного меньше пленочного кадра. Это позволило уменьшить себестоимость производства и частично избавиться от проблемы затенения углов кадра и других сложностей, связанных с неравномерностью качества картинки по полю кадра.

Разные производители использовали различные форматы изображения. Из ныне существующих исторически первым появился формат изображения 23.6×15.8 миллиметров в цифровых зеркальных фотокамерах Nikon, начиная с Nikon D1, что в 1.5 раза меньше по размерам, чем пленочный кадр (если измерять по диагонали) и в 2.25 раз больше по площади.

Практически одновременно c Nikon D1 был анонсирован Canon D30, имевший чуть меньший по размерам сенсор 22.2×14.8 миллиметров, что в 1.6 раза меньше по диагонали, чем пленочный кадр.

В дальнейшем эти два формата стали основными в любительских цифровых зеркальных фотокамерах.

Кроме того, компания Canon разработала еще один формат матриц, уменьшенных по размеру по сравнению с пленочным кадром. Запущенные в серию в 2000 году фотоаппараты Canon EOS 1D имели матрицу размером 19.1×28.7 миллиметров, что примерно в 1.3 раза меньше пленочного кадра по диагонали.

Позже это соотношение диагонали пленочного кадра и цифровой матрицы назвали “кроп-фактором”, а сами матрицы – “кропнутыми”. В дальнейшем мы будем использовать эти термины в статье.

Спустя еще некоторое время появились первые полнокадровые камеры, имеющие матрицу размером 36×24мм: Contax N1 digital, Canon 1Ds и Kodak DCS 14n, но в то время все они были очень дорогими и доступными исключительно профессионалам.

Естественно, использование матрицы меньшего размера имеет как “плюсы”, так и “минусы”. Попробуем рассмотреть и те, и другие моменты.

Как уже было ранее указано, использование центральной части изображения позволило уменьшить стоимость цифровой зеркальной фотокамеры, сделав ее доступной для обычных потребителей, а использование только центральной части изображения – избавиться от дефектов изображения в углах пленочного кадра.

Однако одновременно с этим появился и ряд негативных моментов. Первый из них напрямую связан с кроп-фактором: матрица меньшего размера “вырезает” центральную часть изображения. С одной стороны фотографии получаются более крупноплановыми, как бы увеличивая фокусное расстояние объектива. На самом же деле, фокусное расстояние объектива — величина постоянная и меняется только область изображения, которую использует матрица.

В среде фотографов появился даже термин “эквивалентное фокусное расстояние”, который переняли и производители. Этот термин обозначает фокусное расстояние объектива, который имеет такой же угол обзора при использовании на пленочной камере, как данный объектив на цифровой фотокамере с кропнутой  матрицей.

Приведем пример: стандартный объектив с фокусным расстоянием 50мм, который является штатным для пленки, имеет на цифровой фотокамере Canon 400D меньший угол зрения, примерно такой же, как объектив с фокусным расстоянием 80мм при использовании на пленочной камере. В данном случае говорят, что объектив с фокусным расстоянием 50мм имеет при использовании на камере Canon EOD 400D эквивалентное фокусное расстояние 80мм.

Соотношение эквивалентного фокусного расстояния и фокусного расстояние объектива равно соотношению размера матрицы и размера пленочного кадра и называется “кроп-фактором”. Canon EOD 400D имеет “кроп-фактор” равный 1.6. Таким образом, на кропнутых матрицах объективы имеют большее эквивалентное фокусное расстояние, которое просто необходимо при съемке дикой природы и других видов съемки, где требуется максимальное фокусное расстояние.

Пример положительного влияния кроп-фактора: объектив 300мм имеет примерно такой же угол зрения при использовании с камерой 400D, как объектив с фокусным расстоянием 500мм (точнее 480мм) на пленочной камере. Если речь идет о профессиональной оптике, то при одинаковой светосиле объективы Canon EF 300/4 и Canon EF 500/4 отличаются в несколько раз, при огромной разнице в габаритах и весе. Таким образом, любители фотоохоты могу сэкономить много денег и носить с собой меньше веса, имея при этом такие же возможности телефотосъемки за исключением некоторых особенностей, о которых мы поговорим позднее.

С другой стороны, обрезаются углы изображения, уменьшается угол зрения, объектив становится менее широкоугольным.

Таким образом, при использовании широкоугольного объектива, рассчитанного для пленки, он теряет свои широкоугольные свойства, превращаясь в обычный штатный объектив. К примеру, сверхширокоугольный на пленочном аппарате Canon EF 17-40/4L USM при использовании на кропнутых камерах имеет в широкоугольном положении угол зрения примерно как объектив с фокусным расстоянием 28мм на пленке.

В целом, на заре цифровой фотографии существовала огромная проблема с широкоугольной оптикой, ведь объективов, имеющих эквивалентные фокусные расстояния порядка 15-17мм просто не существовало. Этот факт вполне заслужено огорчал фотографов, занимающихся интерьерной съемкой, съемкой архитектуры или пейзажей, где необходим широкий угол зрения, и заставлял чаще использовать пленочную технику или покупать сверхдорогие полнокадровые камеры, которые в то время стоили от 10.000 долларов США.

Таким образом, если смотреть исключительно с точки зрения фокусного расстояния и угла зрения, кропнутые камеры дали фотографам больше свободы и удобства при телефотосъемке, связав при этом руки любителям широкоугольных объективов.

Для решения данной проблемы необходимо было создать новые линейки объективов для использования с новыми цифровыми камерами. Эти объективы должны были иметь в 1.5–1.6 раз меньшие фокусные расстояния, чем их аналоги для пленочного кадра.

В процессе разработок инженеры пришли к выводу, что для матрицы меньшего размера можно создать более легкий и компактный объектив, так как нет необходимости покрывать большую площадь пленочного кадра. Меньшая по размеру матрица позволила разработать новое поколение объективов, рассчитанных для использования с цифровыми фотокамерами. Эти объективы были более легкими, компактными и зачастую более дешевыми, нежели их полнокадровые аналоги.

Первыми новинками стали Canon EF-s 18-55/3.5–4.5 и объективы Olympus, разработанные для цифровых зеркальных камер Olympus E-System.
Наиболее смело в данной ситуации поступила компания Olympus, создавшая вместе с Kodak, Panasonic, Leica, Sanyo и другими компаниями консорциум, который и разработал свой стандарт 4/3 или Four Thirds.

Основной концепцией данного формата стала разработка стандарта размера матрицы, рабочего отрезка, фокусных расстояний и т. п. практически с нуля, не привязываясь к каким-либо пленочным базисам. При проектировании данного формата был создан байонет, диаметр которого был в 2 раза больше диагонали матрицы, что позволяло делать “телецентрические объективы” — объективы, которые собирают свет на всей матрице под прямым углом. Следовательно, проблема неперпендикулярности падения лучей на матрицу, которая обсуждалась выше, была решена.

Одновременно с матрицей была разработана и линейка оптики, оптимизированная для работы с матрицей именно такого размера.

Матрица системы Four Thirds имеет следующие особенности:

— нестандартные для зеркальных аппаратов пропорции 4:3;
— меньшие размеры по сравнению со всеми “кропнутыми матрицами” цифровых зеркальных аппаратов, около 13×17.3мм.

С другой стороны, необходимо отметить важные преимущества полнокадровых камер:

— оптика, рассчитанная на полный кадр в этих камерах, полностью раскрывает свой потенциал по углу зрения, характеру изображения и т. п.;
— объективы имеют свой нормальный угол зрения, т. е. широкоугольные объективы остаются широкоугольными, штатники – штатниками, а специальные объективы — “рыбий глаз”, к примеру, не теряют своих ценных свойств, как-то угол обзора в 180 градусов;
— полнокадровые матрицы имеют меньший уровень цифровых шумов.

4. Как следствие из 2-го пункта, для полнокадровых камер имеется больший выбор широкоугольных объективов, к примеру, объектив Sigma 12-24 вообще не имеет аналогов по углу зрения на кропнутых камерах.

Таким образом, можно говорить о 5 основных форматах матриц для цифровых зеркальных фотокамер:

• 4/3 – формат, который активно продвигают компании Olympus и Panasonic.

Несколько сходных форматов APS-C:

• Кроп 1.6 – у фотокамер Canon
• Кроп 1.5 – у фотокамер Nikon, Pentax, Sony

Формат APS-H:

• Кроп 1.3 – у профессиональных аппаратов Canon

Полный кадр:

• 36×24мм – используется в пленочных аппаратах и нескольких профессиональных камерах Canon и Nikon, которые выпускаются и сегодня.

Часто возникают вопросы, что будет, если установить специально разработанный для кропнутых матриц объектив на полнокадровую или пленочную камеру.

В случае Canon, кропнутые объективы имеют одну не совсем удачную особенность – задняя линза сильнее выдвинута к матрице по сравнению с обычными по причине того, что зеркало в аппарате имеет меньший размер.

Такой формат объективов называется EF-s.  Во всех руководствах написано, что категорически запрещено устанавливать такие объективы на камеры с обычным байонетом EF. При установке кропнутого объектива с полнокадровой матрицей, например Canon EOS 5D, будет повреждено либо зеркало, либо задняя линза объектива или и то, и другое вместе.

У других производителей ситуация с кропнутой оптикой проще, например, кропнутые объективы Nikkor могут быть установлены на полнокадровую камеру Nikon D3, при этом будет использоваться только центральная часть изображения, а в видоискателе будет видно сильное затенение углов изображения.

Кроме того, все сторонние производители оптики, такие как Sigma, Tokina и Tamron выпускают кропнутую оптику со стандартным креплением, которая может быть использована на любых камерах, без каких-либо механических ограничений. Однако при этом будет наблюдаться виньетирование в углах на полнокадровых камерах и возможно на камерах с кропом 1.3

Другая сторона медали матриц меньшего размера – уровень цифровых шумов.

Уровень цифровых шумов непосредственно связан с размером светопринимающего элемента. Если взять две матрицы, изготовленные по одинаковым технологиям, одна из которых будет иметь светопринимающие элементы большего размера, то матрица с большими пикселями будет иметь более чистую картинку с меньшим уровнем цифровых шумов.

При этом зависимость примерно следующая: увеличение площади пикселя в 2 раза уменьшает уровень шумов на 1 ступень, т. е. матрица меньшего размера имеет уровень цифрового шума на ISO 100 такой же, как матрица большего размера на ISO 200.
Если разница по площади в 4 раза, то шумы будут одинаковыми на ISO 100 и ISO 400 соответственно.

Первые цифровые фотокамеры страдали от высокого уровня цифровых шумов, однако фотокамеры с полнокадровой матрицей имели гораздо более качественную картинку по сравнению с кропнутыми, особенно на высоких значениях светочувствиельности.

Со временем прогресс подарил нам новые более совершенные матрицы с правильной цветопередачей и низким уровнем цифровых шумов, однако, сохранилась закономерность: чем больше размер светоприемника, тем ниже уровень цифровых шумов.

Однако нужно заметить, что разные производители изготавливают матрицы по разным технологиям, а, следовательно, различные по размеру матрицы могут иметь одинаковый уровень цифровых шумов.

Через несколько лет технология производства матриц достигнет такого уровня, что при любых разумных значениях ISO матрицы любого размера будут давать качественную картинку, однако сегодня все еще приходится считаться с зависимостью качества картинки от размера матрицы. Наиболее “бесшумными” на высоких ISO являются полнокадровые камеры последнего поколения Nikon D3 и Nikon D700.

Во второй части статьи мы более подробно рассмотрим цифровые шумы и расскажем об оптике для цифровых фотокамер.

По материалам сайта: http://club.foto.ua