Τα Format των αισθητήρων
Τα Format των αισθητήρων
Πλέον διανύουμε την περίοδο Full Frame στη φωτογραφία. Για πρώτη φορά κυκλοφορούν μαζεμένα τόσο μοντέλα με αισθητήρα 24x36mm. Η ισοδυναμία των μεγεθών (αισθητήρα και φιλμ 135) υπογραμμίζει με τον πιο κατηγορηματικό τρόπο την επικράτηση του ψηφιακού απέναντι στο αναλογικό. Μπορεί το full frame να κέρδισε έδαφος, όμως στον κόσμο των ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών συναντάμε πανσπερμία από διαφορετικά φορμά αισθητήρων. Μάλιστα, διαπιστώνουμε και 
μια θεμελιώδη αναντιστοιχία στις αναλογίες αφού στον τομέα των compact δηλ. των μηχανών που δεν αλλάζουν φακό, ισχύει το 4:3 (όπως και στο σύστημα 4/3) ενώ στις ρεφλέξ και Compact System Cameras (ή mirrorless) είτε φορούν αισθητήρα APS-C είτε Full Frame επικρατεί το 3:2, κληρονομιά από την εποχή του φιλμ.
Compact
Oι ομολογουμένως μικροί σε φυσικές διαστάσεις αισθητήρες των compact oφείλουν το περιορισμένο μέγεθός σε μια σειρά απά παράγοντες. Πρώτον: στις απαρχές της ψηφιακής εποχής, πριν μια δεκαετία και βάλε, ήταν πολύ δύσκολη και ακριβή η κατασκευή μεγάλων chip. Δεύτερον, με τέτοιες διαστάσεις διευκολύνεται η σχεδίαση φακών και μάλιστα με καλή φωτεινότητα και διόρθωση του βινιεταρίσματος και των παραμορφώσεων στα άκρα (ουσιαστικά οι σχεδιαστές φτιάχνουν φακούς με μεγαλύτερο κύκλο κάλυψης και αξιοποιούν το κέντρο όπου ανάλυση και οι υπόλοιπες επιδόσεις είναι καλύτερες). Οι φυσικές διαστάσεις των αισθητήρων στις compact πρακτικά κυμαίνονται από 1/3in. (4,8×3,6mm) ως 2/3in. (8,8×6,6mm)* ενώ έχουμε και μικρότερους φωτογραφικούς αισθητήρες μεγέθους 1/4in. που βρίσκουν εφαρμογές κυρίως στο φωτογραφικό τμήμα των smartphones. Οι μικρότεροι αισθητήρες απαντούν σε διάφορα φθηνά μοντέλα και οι μεγαλύτεροι στις Fujifilm X10/XF1 (2/3in.) Ξεχωριστή κατηγορία τείνουν να αποτελέσουν οι compact με μεγάλους αισθητήρες (large sensor compacts) μια κλάση μηχανών με σταθερά προσαρμοσμένους φακούς αλλά αισθητήρες δανεισμένους από τον κόσμο των ρεφλέξ.
*Μια (ιστορική) διευκρίνιση: Μελετώντας τους
κωδικούς των format για digital compact φωτογραφικές μηχανές, ο προσεκτικός αναγνώστης θα νομίσει ότι έχει κάνει λάθος. Γιατί απλά τα νούμερα δε βγαίνουν… Διαβάζει π.χ. 2/3in. μετράει την πραγματική διαγώνιο και βρίσκει ένα αρκετά μικρότερο νούμερο. Ξύνει με …απορία το κεφάλι και άκρη δεν βγάζει… Και όμως. Για όλα φταίει η …ιστορία. Kατ’ αρχήν, όλα αυτά τα φορμά ανάγονται σε διαγωνίους. Για παράδειγμα, στο μέγεθος 2/3in. η διαγώνιος είναι μόλις 11mm, στο 1/1,8in. 8,9mm κ.ο.κ. Θεωρητικά λοιπόν τα 2/3in. θα έπρεπε να αντιστοιχούν σε 16,7mm… Τι ακριβώς ισχύει; Πρόκειται για παλιά ιστορία… Που ανάγεται στη δεκαετία του ‘50 και τους καθοδικούς σωλήνες Vidicon των πρωτόγονων βιντεοκαμερών. Τότε οι κατασκευαστές αξιοποιούσαν μόνον τα εσωτερικά 2/3 της επιφάνειας. Με τον καιρό αυτό απετέλεσε σταθερή πρακτική και έτσι τα στοιχεία με τις ίντσες ουσιαστικά αφορούν μικρότερες πραγματικές διαγωνίους. Δηλ. η πραγματική διαγώνιος είναι τα 2/3 της ονομαστικής!
Mηχανές – συστήματα
Περνώντας στις μηχανές με φακούς που αλλάζουν (μηχανές-συστήματα ή Interchangeable lens cameras) κυριαρχούν (με την εξαίρεση του Micro 4/3) κυρίως το APS στις διάφορες παραλλαγές του και λιγότερο το – ακριβό – full frame. To ΑPS-C έλκει την καταγωγή του από το αλήστου μνήμης φιλμ Advanced Photo System το οποίο λανσαρίστηκε πολύ αργά (1996), την εποχή που η αργυρούχα τεχνολογία έπνεε τα λοίσθια. Το APS ήταν 3 σε 1, με την λογική ότι από το ίδιο film strip έβγαζε H ή “High Definition” (30.2×16.7mm) με αναλογία πλευρών 16:9 C ή “Classic” (25.1×16.7mm) με αναλογία 3:2 και P ή “Panoramic” (30.2×9.5mm) με αναλογία 3:1. Το ψηφιακό APS δεν έχει τελείως αποκρυσταλλωμένες διαστάσεις υπό την έννοια ότι κυμαίνεται: 22,2/23,7×14,8/15,6. H πιο μικρή διάσταση αφορά την Canon και η δεύτερη όλους τους άλλους κατασκευαστές. Ενδιάμεσα υπάρχει και το APS-H (28×18,6mm) που αφορά μόνον τις επαγγελματικές Canon EOS 1D ΜκΙ-ΙV.
Φορμά αισθητήρων
Oι πρακτικές συνέπειες
Ανάλογα με το μέγεθος του αισθητήρα, η επιλογή μας εκτός από τα θέματα ποιότητας εικόνας – όπου οπωσδήποτε έχουμε ένα εξ ορισμού πλεονέκτημα των μεγαλύτερων φορμά – υπάρχουν και άλλες πρακτικές επιπτώσεις στην καθημερινότητα του φωτογράφου. Πρώτο ορατό παράδειγμα είναι ότι οι πολύ μικροί αισθητήρες των compact κάνουν εφικτή τη σχεδίαση φωτεινών φακών με πολύ μαζεμένες φυσικές διαστάσεις. Χωρίς τους μικρούς αισθητήρες, η έννοια compact δεν θα υπήρχε. Με την ίδια λογική έγινε δυνατή η ενσωμάτωση φωτογραφικών λειτουργιών σε κινητά τηλέφωνα (στην πραγματικότητα πρόκειται για έτοιμα modules αισθητήρα, φακού και processor).
Bάρος και διαστάσεις φακών
Φακοί μικρότερης πραγματικής εστιακής απόστασης έχουν πολύ χαμηλότερο βάρος και φυσικό μέγεθος. Για παράδειγμα συγκρίνετε δύο φακούς zoom 4x, εναν full frame 28-112mm και άλλο ισοδύναμο από compact με αισθητήρα 1/1,7in. O δεύτερος συγκριτικά είναι …μινιατούρα.
Diffraction
Για δεδομένο φορμά όσο μεγαλώνει η ανάλυση τόσο υπόκειται στο σφάλμα περίθλασης (diffraction) δηλ. μείωσης της ευκρίνειας κλείνοντας διάφραγμα. Το πρόβλημα προκύπτει επειδή η φωτεινή δέσμη αλλάζει κατεύθυνση (περιθλάται) περνώντας από μια στενή οπή όπως η ίριδα του μηχανισμού του διαφράγματος. Συνήθως δε συζητείται πολύ καθώς τα μεσαία ή τα πιο κλειστά διαφράγματα ευνοούν την οπτική απόδοση μειώνοντας τις εμφανείς εκτροπές. Η κρίσιμη τιμή του ωφέλιμου διαφράγματος σε ένα φακό, πέραν του οποίου γίνεται εμφανής η υποβάθμιση της ευκρίνειας προκύπτει από περίπλοκους υπολογισμούς του κύκλου σύγχυσης για ορισμένο διάφραγμα. Λόγω του σφάλματος περίθλασης, η αύξηση των αναλύσεων έχει ορισμένα όρια. Ένα ορατό αποτέλεσμα του diffraction είναι ότι στις compact δεν χρησιμοποιούνται ποτέ διαφράγματα πάνω από f/8. To θεωρητικό όριο του diffraction – εκεί δηλ. που ξεκινάει να παρατηρείται – είναι αρκετά χαμηλά: π.χ. σε APS-C με 24Μegapixel είναι f/8 και μόλις μισό f/stop πιο κλειστό για 16Μegapixel ενώ σε full frame 24Μegapixel απαλλάσσεται από diffraction ως f/11 και ½. Στην πραγματικότητα έχουμε περιθώριο τουλάχιστον 1 f/stop πριν το πρόβλημα γίνει ενοχλητικό.
Βάθος πεδίου
Με όλες τις άλλες παραμέτρους σταθερές, το βάθος πεδίου αυξάνεται όσο μειώνεται το μέγεθος (φορμά) της φωτοευαίσθητης επιφάνειας. Δηλ. το βάθος πεδίου είναι πιο έντονο και εμφανές με μικρούς αισθητήρες και μειώνεται στους μεγαλύτερους. Πρακτική επίπτωση είναι ότι στις compact σχεδόν όποιο διάφραγμα και αν χρησιμοποιήσουμε, ειδικά σε ευρυγώνιες εστιακές αποστάσεις βγαίνουν όλα νετ. Αντίθετα, στο FF και ειδικότερα σε συνεργασία με τηλεφακούς και ανοικτά (γρήγορα) διαφράγματα, νετάρουν μόνο συγκεκριμένα σημεία της εικόνας.
Συντελεστής μεγέθυνσης (crop factor)
Όταν προσαρμόσουμε φακό σχεδιασμένο για full frame πάνω σε σώμα APS τότε ισχύει ένα συντελεστής πολλαπλασιασμού της εστιακής απόστασης ίσος με το λόγο των διαγωνίων μεγαλύτερου δια μικρότερου φορμά. Π.χ. βάζοντας ένα FF φακό σε APS-C ισχύει crop factor 1,5x (διαγώνιος43:28mm) Aυτό σημαίνει ότι φακός 50mm σε σώμα APS-C παράγει οπτικό πεδίο ίσο με φακό 80mm σε σώμα FF.
ΥΠΕΡ/ΚΑΤΑ
Μεγάλοι αισθητήρες
+ Τεχνολογία state of art
+ Καλύτερος έλεγχος του βάθους πεδίου
+ Πιο εύκολη χειροκίνητη εστίαση
+ Μικρότερος ηλεκτρονικός θόρυβος και artifacts
– Ακριβότεροι
Μικροί αισθητήρες
+ Πιο εύκολη και φθηνή σχεδίαση φακών
+Πιο φωτεινά οπτικά
+ Χαμηλότερο κατασκευαστικό κόστος
+ Φθηνότεροι
– Θόρυβος
Θόρυβος (noise)
O ψηφιακός θόρυβος είναι το νόθο σήμα που δεν αντιστοιχεί στα δεδομένα της λήψης. Όσο μικρότερος είναι ο αισθητήρας τόσο επιδεινώνεται το πρόβλημα του θορύβου. Όμως ακόμη και σε full frame, κάποια στιγμή θα εμφανιστεί. Διακρίνουμε τρεις συνιστώσες του θορύβου: λόγω ενίσχυσης, σχεδίου και λήψης. Ο θόρυβος ενίσχυσης (amplifier noise) προστίθεται στο σήμα κατά τη διαδικασία της ψηφιοποίησης. Έχει τυχαία κατανομή και δεν μπορεί να διορθωθεί χωρίς απώλειες στην πληροφορία. Το δεύτερο είδος θορύβου (dark current noise) εμφανίζεται σε παρατεταμένους χρόνους λήψεων. Έχει προβλέψιμη δομή και διορθώνεται από τους σχεδιαστές της μηχανής με αφαίρεση της συνιστώσας dark frame (δηλ. γίνεται λήψη με κλειστό το καπάκι της μηχανής και διόρθωση αφού ο θόρυβος αυτός είναι σε συγκεκριμένα σημεία, με «επιβάρυνση» 1,4x στον συντελεστή ενίσχυσης). Το τρίτο είδος (shot noise) δεν σχετίζεται άμεσα με τον αισθητήρα αλλά με τη φύση του φωτός που αποτελείται από φωτόνια. Για συγκεκριμένη ροή (έκθεση) τα φωτόνια «ρέουν» σε άτακτη τρόπον τινά κατανομή και όσο λιγότερα είναι τόσο αυξάνεται η αταξία που γίνεται αντιληπτή ως θόρυβος. Η συμπεριφορά στο θόρυβο επιδεινώνεται αν αυξηθεί η θερμοκρασία του αισθητήρα π.χ. όταν χρησιμοποιηθεί εντατικά σε διαδοχικές λήψεις. Οι σχεδιαστές εφαρμόζουν διάφορους αλγόριθμους διόρθωσης του θορύβου που ονομάζονται noise filters (αντιθορυβικά φίλτρα). Σε μερικές περιπτώσεις η διόρθωση γίνεται “επιθετικά” με αποτέλεσμα τη μείωση της πραγματικής λεπτομέρειας. Συνήθως πρώτα διορθώνεται η συνιστώσα του χρώματος (chrominance) που γίνεται αντιληπτή σαν χρωματιστά “μπιμπίκια” και μετά η συνιστώσα της φωτεινότητας (luminance) που μοιάζει με κόκκο από “γρήγορο” φιλμ. Eπειδή ο θόρυβος αυξάνεται με την ρύθμιση σε υψηλότερη ισοδύναμη ευαισθησία ΙSO, η διόρθωση είναι περισσότερη “ψηλά”.
CMOS for ever?
Γιατί επικράτησαν των CCD
Οι πρώτες ψηφιακές μηχανές και οι διάδοχοί τους για αρκετό καιρό φορούσαν αισθητήρες με αρχιτεκτονική CCD (Charge Coupled Devices) δηλ. ειδικά chip με φωτοστοιχεία (φωτοδιόδους) που αξιοποιούν το φωτοβολταϊκό φαινόμενο – δηλ. την ιδιότητα κάποιων ημιαγωγών να μετατρέπουν τα φορτισμένα ηλεκτρόνια που προσπίπτουν στην επιφάνειά τους σε ηλεκτρική τάση. Τα CCD κυριάρχησαν για αρκετά χρόνια βασισμένα στην πολύ καλή τους απόδοση και στην …αποκλειστικότητα: λειτουργούν δηλ. μόνον και μόνον ως μετατροπείς φωτός σε ηλεκτρική τάση. Σε ένα εξ ολοκλήρου ψηφιακό κόσμο με άπειρα 0 και 1, είναι δύσκολο να κατανοήσουμε ότι στην πράξη οι αισθητήρες των ψηφιακών μας μηχανών εργάζονται αναλογικά: απλώς μετατρέπουν το φως σε διαφορές τάσης (βολτάζ). Στη συνέχεια ένας αναλογικο-ψηφιακός (Α/D) μετατροπέας αναλαμβάνει την ψηφιοποίηση της πληροφορίας η οποία είναι στην πραγματικότητα grayscale (επίπεδα του γκρι) και μόνον με την εφαρμογή έγχρωμων μικροφίλτρων γίνεται “αντιληπτό” το χρώμα. Εκεί λοιπόν που κυριαρχούσαν τα CCD και τα CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductors) αντιμετωπίζονταν μέχρι πρότινος ως “φτωχοί συγγενείς” η τεχνολογία ανέτρεψε το σκηνικό. Με ποιόν τρόπο συνέβη κάτι τέτοιο. Τα CMOS είχαν ένα μεγάλο πλεονέκτημα: μπορούσαν να κάνουν ταυτόχρονα πολλές δουλειές ακόμη εκτός από το ρόλο του αισθητήρα – και ένα μειονέκτημα: το θόρυβο. Σιγά σιγά ξεπεράστηκε το μειονέκτημα του θορύβου με την εξέλιξη των τεχνικών αποθορυβοποίησης και τη σχεδίαση Back Side Illuminated (BSI) και αναδείχθηκε η πολυτάλαντη προσωπικότητα τoυς. Ένα CMOS εκτός από αισθητήρας μπορεί να εκτελέσει και άλλους ρόλους απλά αναθέτοντας σε κάποιους ημιαγωγούς να κάνουν την φωτομέτρηση, το Α/D converter κλπ. Δηλ. πολλές δουλειές σε ένα μόνον ολοκληρωμένο κύκλωμα.Οι πρώτες εφαρμογές CMOS προήλθαν από την Canon με τη ρεφλέξ D30 το 2000. Aκολούθησε πολύ αργότερα η Sony με τους αισθητήρες των Nikon D300 και Sony Alpha 700 (2007). Έκτοτε άρχισε ένας φρενιτιώδης ρυθμός ανάπτυξης του CMOS που την τελευταία πενταετία κατάφερε να εκτοπίσει πλήρως το CCD. Toν αποφασιστικό ρόλο έπαιξε η τελευταία γενιά πολύ γρήγορων CMOS με απίστευτο refresh (ανανέωση καρέ) που διευκολύνουν α. το burst mode (λειτουργία ριπής, σαν το παλιό καλό motor drive με πολλά καρέ το δευτ.) και β. το video αφού έχουν στο …τσεπάκι το High Definition με 60fps και πολύ καλές συμπιέσεις. Τι άλλο να ζητήσει κανείς;
Πως συμπεριφέρονται οι αισθητήρες
Κάθε εικονοστοιχείο (pixel) του αισθητήρα είναι μια φωτοευαίσθητη μικροσκοπική επιφάνεια. Λόγω φωτοβολταϊκού φαινομένου, το φως που προσπίπτει προκαλεί μικρές μεταβολές ηλεκτρικής τάσης. Ανάλογα με το μέγεθός τους οι φωτοδίοδοι (pixel) τείνουν να “φυλακίζουν” λιγότερα ή περισσότερα φωτόνια. Ανάλογα με την ποσότητα των φωτονίων που “υποδέχονται”, τα pixel έχουν διακύμανση της δυναμικής περιοχής. Η τελευταία ορίζεται από την τονική κλίμακα ανάμεσα στο τελείως λευκό και λίγο παραπάνω από το επίπεδο του θορύβου, όπου οι υφές γίνονται ένα με το μο θόρυβο. Δείτε τι γίνεται σε αναλογία με κουβάδες που δέχονται τις σταγόνες της βροχής στο παρακάτω σχήμα.
To μέγεθος μετράει…Με ποιους τρόπους επηρεάζει το φορμά τη φωτογραφική δημιουργία; Η επιλογή μεγέθους αισθητήρα είναι κατά κάποιο τρόπο ανάλογη με το δίλημμα της αναλογικής εποχής, όταν οι φωτογράφοι είχαν να διαλέξουν ανάμεσα σε διάφορα μεγέθη (φορμά φιλμ) από την κασέτα-μινιατούρα 110 και το στάνταρ 135 ως το μεσαίο φορμά (120/220) και τις πλάκες φιλμ (10×12,5cm) για μηχανές στούντιο. Διαλέγοντας κάποια συγκεκριμένη διάσταση αποφασίζουμε τι μέγεθος θα έχει κάθε εικονοστοιχείο (pixel), παράμετρος καθοριστική για την ποιότητα της εικόνας μας. Έστω λοιπόν ότι έχουμε δύο διαφορετικούς αισθητήρες με ίδια ανάλυση, δηλ. ίδιο αριθμό pixel. Αν οι φυσικές διαστάσεις τους είναι διαφορετικές τότε αλλάζει και το μέγεθος εικονοστοιχείου. Ας συγκρίνουμε δύο αισθητήρες και τους δύο με ίδια ακριβώς ανάλυση 12Μegapixel, αλλά διαφορετικές φυσικές διαστάσεις (φορμά). Ο πρώτος 1/1,7in. (7,6×5,7mm) και ο δεύτερος 22,8×14,8mm. Με απλά μαθηματικά προκύπτει ότι για τα 12Μegapixel το μέγεθος εικονοστοιχείου διαφοροποιείται δραματικά. Μόλις 1,9micron στο μικρό αισθητήρα και 5,2micro στον μεγαλύτερο. Είναι προφανές ποιος αισθητήρας θα αποδώσει καλύτερα.
Κοστολόγιο αισθητήρων
Κάθε chip αισθητήρα προέρχεται από ειδικό υλικό που ονομάζεται silicon wafer που μπορεί να περιλαμβάνει εκατοντάδες ή χιλιάδες επιμέρους chip. Τα wafer είναι πολύ ακριβά. Eπίσης, η τιμή κάθε chip αυξάνεται όχι σε ευθεία αναλογία με το μέγεθος δηλ. ένα chip 4πλάσιου μεγέθους δεν κοστίζει το 4πλάσιο αλλά το πολλαπλάσιο. Aπό ένα wafer 8in. μπορούν να παραχθούν μόλις τριάντα αισθητήρες FF έναντι 112 τεμαχίων APS-C και αυτό σε ιδανικές συνθήκες χωρίς να συνυπολογίσουμε τις απορρίψεις από τον ποιοτικό έλεγχο τεμαχίων με προβλήματα. Τα wafer παράγονται σε αυστηρά ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες με ειδικά φωτολιθογραφικά μηχανήματα που στοιχίζουν εκατομμύρια δολ. Μια λεπτομέρεια που διαφεύγει από τον μη ειδικό είναι ότι τα wafers για full frame chips, χρειάζονται τρία στάδια διαδοχικής έκθεσης με ειδικές μάσκες που αυξάνουν τον κίνδυνο αστοχιών στην παραγωγή και κατά συνέπεια το κόστος. Π.χ. αν απορρίπτεται 1 στα 10 μικρά chip, στα μεγάλα το ποσοστό θα είναι δραματικά χειρότερο (βλ. σχήμα 2 ενώ από το wafer A μένουν χχχ chip = ποσοστό 5 από το B ϊδιας επιφάνειας θα φύγουν για την αγορά χχ chip = ποσοστό %).
Πόσα Μegapixel;
Aν δεν χρειαζόταν να τυπώνουμε τις φωτογραφίες και θέλαμε απλώς να τις προβάλλουμε στην οθόνη του υπολογιστή θα μπορούσαμε να αρκεστούμε σε λιγότερα Megapixel. Π.χ. για οθόνη 1280x1024pixel αρκεί 1,3MP. Όμως η εκτύπωση (ιδανικά στα 300dpi) προϋποθέτει συγκεκριμένα Megapixel. ας δούμε τον παρακάτω πίνακα:
• Snapshot (10x15cm) 2,2Μegapixel – φωτ. 1
• 13x18cm 3,2Megapixel – φωτ. 2
• 15x21cm 4,5 Megapixel – φωτ. 3
• 20x30cm 7,2 Megapixel – φωτ. 4
• A3 (30x45cm) 18 Megapixel -φωτ. 5
Hθικό δίδαγμα: σπάνια θα χρειαστούμε περισσότερα από 18ΜΡ ενώ και με 200dpi τυπώνουμε αξιοπρεπέστατα, κατεβάζοντας έτσι τις ανάγκες ανάλυσης σε πιο ρεαλιστικά επίπεδα.
Το τοπίο στις compact
Αν θεωρήσουμε κάπως κατασταλαγμένα και τυποποιημένα τα πράγματα στις μηχανές με φακους που αλλάζουν, δεν ισχύει το ίδιο στον πολύ ρευστό κόσμο των compact. Σχεδόν δεν υπάρχουν κανόνες για τα φορμά: οι κατασκευαστές μάλιστα προβάλλουν κραυγαλέα τα Megapixel και αφήνουν στο περιθώριο τις διαστάσεις του αισθητήρα. Οπότε ο υποψιασμένος επίδοξος αγοραστής πρέπει ν΄αναζητήσει την αλήθεια ψάχνοντας τις προδιαγραφές. Εν έτει 2012 λοιπόν εκτός από τους απειροελάχιστου μεγέθους αισθητήρες 1/4in. των smartphones, στις κανονικές compact cameras συναντάμε αισθητήρες διάφορων διαστάσεων. Από 1/2,33in. που φορούν μερικά φθηνά μοντέλα ως μεγαλύτερα chip 1/1,63in. ή 1/1,7in. που υιοθετούν οι υψηλού γοήτρου compact (βλ. και το τεστ σε αυτό το τεύχος σελ. 132). Την υπέρβαση κάνει η Fujifilm με τον ξεχωριστό EXR-CMOS αισθητήρα 2/3in. της Χ10 και XF1 και ακόμη περισσότερο η Sony με την πολυσυζητημένη RX100 που έχει 1in. μια ολόκληρη ίντσα. Για να μην συζητήσουμε βέβαια για τις large sensor compact, την ιδιάζουσα κλάση ψηφιακών φωτ. μηχανών με σταθερό φακό αλλά πολύ μεγαλύτερο αισθητήρα. Εδώ ανήκουν upper class μοντέλα όπως Canon Powershot G1X (1,5in.), Fujifilm X100 (ΑPS-C), Leica Χ2 (APS-C), Sigma DP1/DP2 Merill Foveon (20,7×13,8mm) και στην κορυφή η μοναδική Sony RX1 (24x36mm), έχοντας την αποκλειστικότητα του full frame σε compact περίβλημα και εξίσου αποκλειστική τιμή πάνω από 2.500 ευρώ!
πηγή: www.photo.gr
μια θεμελιώδη αναντιστοιχία στις αναλογίες αφού στον τομέα των compact δηλ. των μηχανών που δεν αλλάζουν φακό, ισχύει το 4:3 (όπως και στο σύστημα 4/3) ενώ στις ρεφλέξ και Compact System Cameras (ή mirrorless) είτε φορούν αισθητήρα APS-C είτε Full Frame επικρατεί το 3:2, κληρονομιά από την εποχή του φιλμ.Compact
Oι ομολογουμένως μικροί σε φυσικές διαστάσεις αισθητήρες των compact oφείλουν το περιορισμένο μέγεθός σε μια σειρά απά παράγοντες. Πρώτον: στις απαρχές της ψηφιακής εποχής, πριν μια δεκαετία και βάλε, ήταν πολύ δύσκολη και ακριβή η κατασκευή μεγάλων chip. Δεύτερον, με τέτοιες διαστάσεις διευκολύνεται η σχεδίαση φακών και μάλιστα με καλή φωτεινότητα και διόρθωση του βινιεταρίσματος και των παραμορφώσεων στα άκρα (ουσιαστικά οι σχεδιαστές φτιάχνουν φακούς με μεγαλύτερο κύκλο κάλυψης και αξιοποιούν το κέντρο όπου ανάλυση και οι υπόλοιπες επιδόσεις είναι καλύτερες). Οι φυσικές διαστάσεις των αισθητήρων στις compact πρακτικά κυμαίνονται από 1/3in. (4,8×3,6mm) ως 2/3in. (8,8×6,6mm)* ενώ έχουμε και μικρότερους φωτογραφικούς αισθητήρες μεγέθους 1/4in. που βρίσκουν εφαρμογές κυρίως στο φωτογραφικό τμήμα των smartphones. Οι μικρότεροι αισθητήρες απαντούν σε διάφορα φθηνά μοντέλα και οι μεγαλύτεροι στις Fujifilm X10/XF1 (2/3in.) Ξεχωριστή κατηγορία τείνουν να αποτελέσουν οι compact με μεγάλους αισθητήρες (large sensor compacts) μια κλάση μηχανών με σταθερά προσαρμοσμένους φακούς αλλά αισθητήρες δανεισμένους από τον κόσμο των ρεφλέξ.
*Μια (ιστορική) διευκρίνιση: Μελετώντας τους
κωδικούς των format για digital compact φωτογραφικές μηχανές, ο προσεκτικός αναγνώστης θα νομίσει ότι έχει κάνει λάθος. Γιατί απλά τα νούμερα δε βγαίνουν… Διαβάζει π.χ. 2/3in. μετράει την πραγματική διαγώνιο και βρίσκει ένα αρκετά μικρότερο νούμερο. Ξύνει με …απορία το κεφάλι και άκρη δεν βγάζει… Και όμως. Για όλα φταίει η …ιστορία. Kατ’ αρχήν, όλα αυτά τα φορμά ανάγονται σε διαγωνίους. Για παράδειγμα, στο μέγεθος 2/3in. η διαγώνιος είναι μόλις 11mm, στο 1/1,8in. 8,9mm κ.ο.κ. Θεωρητικά λοιπόν τα 2/3in. θα έπρεπε να αντιστοιχούν σε 16,7mm… Τι ακριβώς ισχύει; Πρόκειται για παλιά ιστορία… Που ανάγεται στη δεκαετία του ‘50 και τους καθοδικούς σωλήνες Vidicon των πρωτόγονων βιντεοκαμερών. Τότε οι κατασκευαστές αξιοποιούσαν μόνον τα εσωτερικά 2/3 της επιφάνειας. Με τον καιρό αυτό απετέλεσε σταθερή πρακτική και έτσι τα στοιχεία με τις ίντσες ουσιαστικά αφορούν μικρότερες πραγματικές διαγωνίους. Δηλ. η πραγματική διαγώνιος είναι τα 2/3 της ονομαστικής!
Η πρώτη ρεφλέξ APS (με φιλμ):
Minolta Vectis S1.
Minolta Vectis S1.
Η πρώτη compact με αισθητήρα 1in..
Περνώντας στις μηχανές με φακούς που αλλάζουν (μηχανές-συστήματα ή Interchangeable lens cameras) κυριαρχούν (με την εξαίρεση του Micro 4/3) κυρίως το APS στις διάφορες παραλλαγές του και λιγότερο το – ακριβό – full frame. To ΑPS-C έλκει την καταγωγή του από το αλήστου μνήμης φιλμ Advanced Photo System το οποίο λανσαρίστηκε πολύ αργά (1996), την εποχή που η αργυρούχα τεχνολογία έπνεε τα λοίσθια. Το APS ήταν 3 σε 1, με την λογική ότι από το ίδιο film strip έβγαζε H ή “High Definition” (30.2×16.7mm) με αναλογία πλευρών 16:9 C ή “Classic” (25.1×16.7mm) με αναλογία 3:2 και P ή “Panoramic” (30.2×9.5mm) με αναλογία 3:1. Το ψηφιακό APS δεν έχει τελείως αποκρυσταλλωμένες διαστάσεις υπό την έννοια ότι κυμαίνεται: 22,2/23,7×14,8/15,6. H πιο μικρή διάσταση αφορά την Canon και η δεύτερη όλους τους άλλους κατασκευαστές. Ενδιάμεσα υπάρχει και το APS-H (28×18,6mm) που αφορά μόνον τις επαγγελματικές Canon EOS 1D ΜκΙ-ΙV.
Φορμά αισθητήρων
Oι πρακτικές συνέπειες
Ανάλογα με το μέγεθος του αισθητήρα, η επιλογή μας εκτός από τα θέματα ποιότητας εικόνας – όπου οπωσδήποτε έχουμε ένα εξ ορισμού πλεονέκτημα των μεγαλύτερων φορμά – υπάρχουν και άλλες πρακτικές επιπτώσεις στην καθημερινότητα του φωτογράφου. Πρώτο ορατό παράδειγμα είναι ότι οι πολύ μικροί αισθητήρες των compact κάνουν εφικτή τη σχεδίαση φωτεινών φακών με πολύ μαζεμένες φυσικές διαστάσεις. Χωρίς τους μικρούς αισθητήρες, η έννοια compact δεν θα υπήρχε. Με την ίδια λογική έγινε δυνατή η ενσωμάτωση φωτογραφικών λειτουργιών σε κινητά τηλέφωνα (στην πραγματικότητα πρόκειται για έτοιμα modules αισθητήρα, φακού και processor).
Bάρος και διαστάσεις φακώνΦακοί μικρότερης πραγματικής εστιακής απόστασης έχουν πολύ χαμηλότερο βάρος και φυσικό μέγεθος. Για παράδειγμα συγκρίνετε δύο φακούς zoom 4x, εναν full frame 28-112mm και άλλο ισοδύναμο από compact με αισθητήρα 1/1,7in. O δεύτερος συγκριτικά είναι …μινιατούρα.
Diffraction
Για δεδομένο φορμά όσο μεγαλώνει η ανάλυση τόσο υπόκειται στο σφάλμα περίθλασης (diffraction) δηλ. μείωσης της ευκρίνειας κλείνοντας διάφραγμα. Το πρόβλημα προκύπτει επειδή η φωτεινή δέσμη αλλάζει κατεύθυνση (περιθλάται) περνώντας από μια στενή οπή όπως η ίριδα του μηχανισμού του διαφράγματος. Συνήθως δε συζητείται πολύ καθώς τα μεσαία ή τα πιο κλειστά διαφράγματα ευνοούν την οπτική απόδοση μειώνοντας τις εμφανείς εκτροπές. Η κρίσιμη τιμή του ωφέλιμου διαφράγματος σε ένα φακό, πέραν του οποίου γίνεται εμφανής η υποβάθμιση της ευκρίνειας προκύπτει από περίπλοκους υπολογισμούς του κύκλου σύγχυσης για ορισμένο διάφραγμα. Λόγω του σφάλματος περίθλασης, η αύξηση των αναλύσεων έχει ορισμένα όρια. Ένα ορατό αποτέλεσμα του diffraction είναι ότι στις compact δεν χρησιμοποιούνται ποτέ διαφράγματα πάνω από f/8. To θεωρητικό όριο του diffraction – εκεί δηλ. που ξεκινάει να παρατηρείται – είναι αρκετά χαμηλά: π.χ. σε APS-C με 24Μegapixel είναι f/8 και μόλις μισό f/stop πιο κλειστό για 16Μegapixel ενώ σε full frame 24Μegapixel απαλλάσσεται από diffraction ως f/11 και ½. Στην πραγματικότητα έχουμε περιθώριο τουλάχιστον 1 f/stop πριν το πρόβλημα γίνει ενοχλητικό.
Βάθος πεδίου
Με όλες τις άλλες παραμέτρους σταθερές, το βάθος πεδίου αυξάνεται όσο μειώνεται το μέγεθος (φορμά) της φωτοευαίσθητης επιφάνειας. Δηλ. το βάθος πεδίου είναι πιο έντονο και εμφανές με μικρούς αισθητήρες και μειώνεται στους μεγαλύτερους. Πρακτική επίπτωση είναι ότι στις compact σχεδόν όποιο διάφραγμα και αν χρησιμοποιήσουμε, ειδικά σε ευρυγώνιες εστιακές αποστάσεις βγαίνουν όλα νετ. Αντίθετα, στο FF και ειδικότερα σε συνεργασία με τηλεφακούς και ανοικτά (γρήγορα) διαφράγματα, νετάρουν μόνο συγκεκριμένα σημεία της εικόνας.
Συντελεστής μεγέθυνσης (crop factor)Όταν προσαρμόσουμε φακό σχεδιασμένο για full frame πάνω σε σώμα APS τότε ισχύει ένα συντελεστής πολλαπλασιασμού της εστιακής απόστασης ίσος με το λόγο των διαγωνίων μεγαλύτερου δια μικρότερου φορμά. Π.χ. βάζοντας ένα FF φακό σε APS-C ισχύει crop factor 1,5x (διαγώνιος43:28mm) Aυτό σημαίνει ότι φακός 50mm σε σώμα APS-C παράγει οπτικό πεδίο ίσο με φακό 80mm σε σώμα FF.
ΥΠΕΡ/ΚΑΤΑ
Μεγάλοι αισθητήρες
+ Τεχνολογία state of art
+ Καλύτερος έλεγχος του βάθους πεδίου
+ Πιο εύκολη χειροκίνητη εστίαση
+ Μικρότερος ηλεκτρονικός θόρυβος και artifacts
– Ακριβότεροι
Μικροί αισθητήρες
+ Πιο εύκολη και φθηνή σχεδίαση φακών
+Πιο φωτεινά οπτικά
+ Χαμηλότερο κατασκευαστικό κόστος
+ Φθηνότεροι
– Θόρυβος
Θόρυβος (noise)
O ψηφιακός θόρυβος είναι το νόθο σήμα που δεν αντιστοιχεί στα δεδομένα της λήψης. Όσο μικρότερος είναι ο αισθητήρας τόσο επιδεινώνεται το πρόβλημα του θορύβου. Όμως ακόμη και σε full frame, κάποια στιγμή θα εμφανιστεί. Διακρίνουμε τρεις συνιστώσες του θορύβου: λόγω ενίσχυσης, σχεδίου και λήψης. Ο θόρυβος ενίσχυσης (amplifier noise) προστίθεται στο σήμα κατά τη διαδικασία της ψηφιοποίησης. Έχει τυχαία κατανομή και δεν μπορεί να διορθωθεί χωρίς απώλειες στην πληροφορία. Το δεύτερο είδος θορύβου (dark current noise) εμφανίζεται σε παρατεταμένους χρόνους λήψεων. Έχει προβλέψιμη δομή και διορθώνεται από τους σχεδιαστές της μηχανής με αφαίρεση της συνιστώσας dark frame (δηλ. γίνεται λήψη με κλειστό το καπάκι της μηχανής και διόρθωση αφού ο θόρυβος αυτός είναι σε συγκεκριμένα σημεία, με «επιβάρυνση» 1,4x στον συντελεστή ενίσχυσης). Το τρίτο είδος (shot noise) δεν σχετίζεται άμεσα με τον αισθητήρα αλλά με τη φύση του φωτός που αποτελείται από φωτόνια. Για συγκεκριμένη ροή (έκθεση) τα φωτόνια «ρέουν» σε άτακτη τρόπον τινά κατανομή και όσο λιγότερα είναι τόσο αυξάνεται η αταξία που γίνεται αντιληπτή ως θόρυβος. Η συμπεριφορά στο θόρυβο επιδεινώνεται αν αυξηθεί η θερμοκρασία του αισθητήρα π.χ. όταν χρησιμοποιηθεί εντατικά σε διαδοχικές λήψεις. Οι σχεδιαστές εφαρμόζουν διάφορους αλγόριθμους διόρθωσης του θορύβου που ονομάζονται noise filters (αντιθορυβικά φίλτρα). Σε μερικές περιπτώσεις η διόρθωση γίνεται “επιθετικά” με αποτέλεσμα τη μείωση της πραγματικής λεπτομέρειας. Συνήθως πρώτα διορθώνεται η συνιστώσα του χρώματος (chrominance) που γίνεται αντιληπτή σαν χρωματιστά “μπιμπίκια” και μετά η συνιστώσα της φωτεινότητας (luminance) που μοιάζει με κόκκο από “γρήγορο” φιλμ. Eπειδή ο θόρυβος αυξάνεται με την ρύθμιση σε υψηλότερη ισοδύναμη ευαισθησία ΙSO, η διόρθωση είναι περισσότερη “ψηλά”.
H σχεδίαση CMOS είναι στενά συνδεδεμένη με δυνατότητες Live View, video κλπ.
Γιατί επικράτησαν των CCD
Οι πρώτες ψηφιακές μηχανές και οι διάδοχοί τους για αρκετό καιρό φορούσαν αισθητήρες με αρχιτεκτονική CCD (Charge Coupled Devices) δηλ. ειδικά chip με φωτοστοιχεία (φωτοδιόδους) που αξιοποιούν το φωτοβολταϊκό φαινόμενο – δηλ. την ιδιότητα κάποιων ημιαγωγών να μετατρέπουν τα φορτισμένα ηλεκτρόνια που προσπίπτουν στην επιφάνειά τους σε ηλεκτρική τάση. Τα CCD κυριάρχησαν για αρκετά χρόνια βασισμένα στην πολύ καλή τους απόδοση και στην …αποκλειστικότητα: λειτουργούν δηλ. μόνον και μόνον ως μετατροπείς φωτός σε ηλεκτρική τάση. Σε ένα εξ ολοκλήρου ψηφιακό κόσμο με άπειρα 0 και 1, είναι δύσκολο να κατανοήσουμε ότι στην πράξη οι αισθητήρες των ψηφιακών μας μηχανών εργάζονται αναλογικά: απλώς μετατρέπουν το φως σε διαφορές τάσης (βολτάζ). Στη συνέχεια ένας αναλογικο-ψηφιακός (Α/D) μετατροπέας αναλαμβάνει την ψηφιοποίηση της πληροφορίας η οποία είναι στην πραγματικότητα grayscale (επίπεδα του γκρι) και μόνον με την εφαρμογή έγχρωμων μικροφίλτρων γίνεται “αντιληπτό” το χρώμα. Εκεί λοιπόν που κυριαρχούσαν τα CCD και τα CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductors) αντιμετωπίζονταν μέχρι πρότινος ως “φτωχοί συγγενείς” η τεχνολογία ανέτρεψε το σκηνικό. Με ποιόν τρόπο συνέβη κάτι τέτοιο. Τα CMOS είχαν ένα μεγάλο πλεονέκτημα: μπορούσαν να κάνουν ταυτόχρονα πολλές δουλειές ακόμη εκτός από το ρόλο του αισθητήρα – και ένα μειονέκτημα: το θόρυβο. Σιγά σιγά ξεπεράστηκε το μειονέκτημα του θορύβου με την εξέλιξη των τεχνικών αποθορυβοποίησης και τη σχεδίαση Back Side Illuminated (BSI) και αναδείχθηκε η πολυτάλαντη προσωπικότητα τoυς. Ένα CMOS εκτός από αισθητήρας μπορεί να εκτελέσει και άλλους ρόλους απλά αναθέτοντας σε κάποιους ημιαγωγούς να κάνουν την φωτομέτρηση, το Α/D converter κλπ. Δηλ. πολλές δουλειές σε ένα μόνον ολοκληρωμένο κύκλωμα.Οι πρώτες εφαρμογές CMOS προήλθαν από την Canon με τη ρεφλέξ D30 το 2000. Aκολούθησε πολύ αργότερα η Sony με τους αισθητήρες των Nikon D300 και Sony Alpha 700 (2007). Έκτοτε άρχισε ένας φρενιτιώδης ρυθμός ανάπτυξης του CMOS που την τελευταία πενταετία κατάφερε να εκτοπίσει πλήρως το CCD. Toν αποφασιστικό ρόλο έπαιξε η τελευταία γενιά πολύ γρήγορων CMOS με απίστευτο refresh (ανανέωση καρέ) που διευκολύνουν α. το burst mode (λειτουργία ριπής, σαν το παλιό καλό motor drive με πολλά καρέ το δευτ.) και β. το video αφού έχουν στο …τσεπάκι το High Definition με 60fps και πολύ καλές συμπιέσεις. Τι άλλο να ζητήσει κανείς;
Πως συμπεριφέρονται οι αισθητήρεςΚάθε εικονοστοιχείο (pixel) του αισθητήρα είναι μια φωτοευαίσθητη μικροσκοπική επιφάνεια. Λόγω φωτοβολταϊκού φαινομένου, το φως που προσπίπτει προκαλεί μικρές μεταβολές ηλεκτρικής τάσης. Ανάλογα με το μέγεθός τους οι φωτοδίοδοι (pixel) τείνουν να “φυλακίζουν” λιγότερα ή περισσότερα φωτόνια. Ανάλογα με την ποσότητα των φωτονίων που “υποδέχονται”, τα pixel έχουν διακύμανση της δυναμικής περιοχής. Η τελευταία ορίζεται από την τονική κλίμακα ανάμεσα στο τελείως λευκό και λίγο παραπάνω από το επίπεδο του θορύβου, όπου οι υφές γίνονται ένα με το μο θόρυβο. Δείτε τι γίνεται σε αναλογία με κουβάδες που δέχονται τις σταγόνες της βροχής στο παρακάτω σχήμα.
To μέγεθος μετράει…Με ποιους τρόπους επηρεάζει το φορμά τη φωτογραφική δημιουργία; Η επιλογή μεγέθους αισθητήρα είναι κατά κάποιο τρόπο ανάλογη με το δίλημμα της αναλογικής εποχής, όταν οι φωτογράφοι είχαν να διαλέξουν ανάμεσα σε διάφορα μεγέθη (φορμά φιλμ) από την κασέτα-μινιατούρα 110 και το στάνταρ 135 ως το μεσαίο φορμά (120/220) και τις πλάκες φιλμ (10×12,5cm) για μηχανές στούντιο. Διαλέγοντας κάποια συγκεκριμένη διάσταση αποφασίζουμε τι μέγεθος θα έχει κάθε εικονοστοιχείο (pixel), παράμετρος καθοριστική για την ποιότητα της εικόνας μας. Έστω λοιπόν ότι έχουμε δύο διαφορετικούς αισθητήρες με ίδια ανάλυση, δηλ. ίδιο αριθμό pixel. Αν οι φυσικές διαστάσεις τους είναι διαφορετικές τότε αλλάζει και το μέγεθος εικονοστοιχείου. Ας συγκρίνουμε δύο αισθητήρες και τους δύο με ίδια ακριβώς ανάλυση 12Μegapixel, αλλά διαφορετικές φυσικές διαστάσεις (φορμά). Ο πρώτος 1/1,7in. (7,6×5,7mm) και ο δεύτερος 22,8×14,8mm. Με απλά μαθηματικά προκύπτει ότι για τα 12Μegapixel το μέγεθος εικονοστοιχείου διαφοροποιείται δραματικά. Μόλις 1,9micron στο μικρό αισθητήρα και 5,2micro στον μεγαλύτερο. Είναι προφανές ποιος αισθητήρας θα αποδώσει καλύτερα.
Κοστολόγιο αισθητήρων
Πόσα Μegapixel;
Aν δεν χρειαζόταν να τυπώνουμε τις φωτογραφίες και θέλαμε απλώς να τις προβάλλουμε στην οθόνη του υπολογιστή θα μπορούσαμε να αρκεστούμε σε λιγότερα Megapixel. Π.χ. για οθόνη 1280x1024pixel αρκεί 1,3MP. Όμως η εκτύπωση (ιδανικά στα 300dpi) προϋποθέτει συγκεκριμένα Megapixel. ας δούμε τον παρακάτω πίνακα:
• Snapshot (10x15cm) 2,2Μegapixel – φωτ. 1
• 13x18cm 3,2Megapixel – φωτ. 2
• 15x21cm 4,5 Megapixel – φωτ. 3
• 20x30cm 7,2 Megapixel – φωτ. 4
• A3 (30x45cm) 18 Megapixel -φωτ. 5
Hθικό δίδαγμα: σπάνια θα χρειαστούμε περισσότερα από 18ΜΡ ενώ και με 200dpi τυπώνουμε αξιοπρεπέστατα, κατεβάζοντας έτσι τις ανάγκες ανάλυσης σε πιο ρεαλιστικά επίπεδα.
Το τοπίο στις compact
Αν θεωρήσουμε κάπως κατασταλαγμένα και τυποποιημένα τα πράγματα στις μηχανές με φακους που αλλάζουν, δεν ισχύει το ίδιο στον πολύ ρευστό κόσμο των compact. Σχεδόν δεν υπάρχουν κανόνες για τα φορμά: οι κατασκευαστές μάλιστα προβάλλουν κραυγαλέα τα Megapixel και αφήνουν στο περιθώριο τις διαστάσεις του αισθητήρα. Οπότε ο υποψιασμένος επίδοξος αγοραστής πρέπει ν΄αναζητήσει την αλήθεια ψάχνοντας τις προδιαγραφές. Εν έτει 2012 λοιπόν εκτός από τους απειροελάχιστου μεγέθους αισθητήρες 1/4in. των smartphones, στις κανονικές compact cameras συναντάμε αισθητήρες διάφορων διαστάσεων. Από 1/2,33in. που φορούν μερικά φθηνά μοντέλα ως μεγαλύτερα chip 1/1,63in. ή 1/1,7in. που υιοθετούν οι υψηλού γοήτρου compact (βλ. και το τεστ σε αυτό το τεύχος σελ. 132). Την υπέρβαση κάνει η Fujifilm με τον ξεχωριστό EXR-CMOS αισθητήρα 2/3in. της Χ10 και XF1 και ακόμη περισσότερο η Sony με την πολυσυζητημένη RX100 που έχει 1in. μια ολόκληρη ίντσα. Για να μην συζητήσουμε βέβαια για τις large sensor compact, την ιδιάζουσα κλάση ψηφιακών φωτ. μηχανών με σταθερό φακό αλλά πολύ μεγαλύτερο αισθητήρα. Εδώ ανήκουν upper class μοντέλα όπως Canon Powershot G1X (1,5in.), Fujifilm X100 (ΑPS-C), Leica Χ2 (APS-C), Sigma DP1/DP2 Merill Foveon (20,7×13,8mm) και στην κορυφή η μοναδική Sony RX1 (24x36mm), έχοντας την αποκλειστικότητα του full frame σε compact περίβλημα και εξίσου αποκλειστική τιμή πάνω από 2.500 ευρώ!
πηγή: www.photo.gr
Σχόλια