Skaitmeninio sensoriaus jautrumas - kas tai?

Kartais klausimai kyla ten kur viskas atrodo savaime suprantama. Kas yra sensoriaus jautrumas? Taip taip, tas pats, žymimas visiems fotografuojantiems labai gerai pažįstama santrupa ISO su skaičiuku. Žinoma, intuicija kužda, kad tai kažkaip susije su tuo, kaip greitai sensorius gali užfiksuoti vaizdą. Bet ką tai reiškia praktiškai?

Sąlyginai paprasčiau tai įsivaizduoti juostelinės arba, galim taip pavadint, analoginės fotografijos atveju. Ten turime juostelę (arba plokštelę) dengtą šviesai jautria emulsija. Nuo naudojamų medžiagų ir jų koncentracijos emulsijos sluoksnyje priklauso kaip greitai keičiasi jų cheminė sudėtis paveikus šviesai, t.y. formuojasi vaizdas. Štai šis vaizdo formavimo greitis ir atspindi vadinamąjį jautrumą bei tam tikrą ISO reikšmę. Keičiam emulsijos sudėtį - keičiam ISO jautrumą.

O kaip visą tai veikia skaitmeniniame fotoaparate? Ten juk nevyksta jokios cheminės reakcijos. Yra įrenginys, vadinamas sensoriumi, kuris kažkokiu tai būdu skaičiuoja į jo paviršių nukritusius šviesos srauto fotonus. Kiek nukrito - tiek suskaičiavo. Žodžiu sensorius dirba tam tikru fiksuotu greičiu ir viskas. Tai kur čia galimybė keisti jautrumą (ISO skaičių)?

Matyt laikas atlikti trumpą ekskursiją į elektroninę skaitmeninio fotoaparato dalį - panagrinėti, kaip šviesa virsta skaičiukais nuotraukos faile.

Ne taip svarbu, koks sensorius jūsų fotoaparate - CCD ar CMOS - veikimo schema visiems yra vienoda:

1. Šviesos srauto fotonai atsitrenkia į sensoriaus pikselį - tam tikrą puslaidininkinį prietaisą, kartais vadinamą fotodiodu. Fizikiniai procesai ir detalės, kas ir kaip ten vyksta, yra už šio įrašo (ir jo autoriaus žinių) ribų. Svarbu tai - kiekvienas sėkmingai atsitrenkęs fotonas padidiną pikselio elektrinį krūvį.
2. Norint panaudoti tą krūvį prasmingai, reikia jį paversti į kažką, ką galima išmatuoti, pvz. įtampą. Tam yra naudojamas keitiklis iš elektros krūvio į įtampą.
3. Bėda ta, kad atskiro pikselio sukuriamas elektros krūvis yra labai mažas - pikselis juk mikroskopinio dydžio. Vadinasi ir fotonų jis gali sugauti ne tiek jau daug - krūvis sukaupiamas proporcingas pikselio plotui ir ekspozicijos trukmei. O konvertavus mažą krūvį į įtampą, pastaroji gaunama irgi maža. Jeigu įprastomis priemonėmis pamatuoti - nykstamai mažas dydis. Pavertus į skaičius gautume apskritą nulį. Kad taip neatsitiktų, signalą reikia sustiprinti - tam ir skirtas toliau grandinėje esantis signalo stiprintuvas.
4. Iki tam tikro lygio sustiprintas signalas patenka į keitiklį iš analoginio signalo į skaitmeną (angl.k.: Analog to Digital Converter arba ADC). Na, o pikselio apšviestumą atitinkantis skaičiukas iš keitiklio jau keliauja tiesiai į fotoaparato procesorių ir galiausiai failą atminties kortelėje.

Atidesnis skaitytojas manau jau suprato, kad bendras fotoaparato jautrumas labai priklauso nuo... sensoriaus signalo stiprintuvo. Kuo jis jautresnis, tikslesnis ir mažiau triukšmaujantis - tuo geriau dirba sensorius. Ir fotoaparato sensoriaus jautrumas reguliuojamas keičiant šio stiprintuvo stiprinimo koeficientą: nustatei dvigubai didesnį jautrumą pagal ISO - padvigubinamas stiprintuvo stiprinimo koeficientas. Paprasta, ar ne?

Pabaigai keletas svarbių smulkmenų apie elektroninį sensorių:

1. Įsisotinimas. Tai būsena, kurią patiria sensorius, kai fotonų patenka labai daug ir sukuriamas toks krūvis, kurio papildomi fotonai nebegali padidinti. Arba kitaip tariant perlaikyta ekspozicija. Juostelėje, kaip pamenat, eksponuojant vyksta cheminiai procesai. O vykstant cheminei reakcijai pradinių medžiagų koncentracija mažėja ir reakcija lėtėja. Bent jau taip mokė per chemijos pamokas mokykloje: reakcijos greitis priklauso nuo medžiagų koncentracijos. Todėl ekspozicijos perlaikymas su juostele yra mažiau pavojingas - kažkiek skirtingo apšviestumo detalių šviesiausioje jos dalyje užfiksuojama net ir perlaikius ekspoziciją. Elektroniniame sensoriuje - praktiškai ne, nes jis užsipildo tiesiškai ir iš kart iki galo. Reziumė: venkite pereksponuoti kadrą su skaitmeniniu fotoaparatu - šviesiausias detales prarasite negrįžtamai.
2. Triukšmai. Kiekviena analoginė elektroninė schema turi vidinius triukšmus. Tačiau analoginiai stiprintuvai pasižymi viena gera savybe - jie labai gerai stiprina naudingą signalą, o triukšmą sąlyginai silpnai. Žinoma, su sąlyga, kad naudingas signalas gerai išsiskiria iš triukšmo fono. O jeigu ne taip gerai? Tada išlenda triukšmai, ties nuotraukom tenka daug vargti, o ir rezultatas paprastai labai neblizga - triukšmo valymas naikina detales nuotraukose. Taip ir atsitinka, kai sukeliamas ISO jautrumas fotoaparate - sutrumpėja ekspozicija, pikselis sugauna per mažai fotonų ir naudingas pikselio signalas sumažėja vos ne iki triukšmų lygio. Tad jeigu norit švaraus kadro - pagal galimybes ilginkit ekspozicijos išlaikymą. Ilgiau laikysit - daugiau fotonų surinks sensorius - stipresnis signalas - mažiau triukšmų.