В цифровой камере, свет от объекта съемки, проходит в через объектив, попадает на матрицу и преобразуется в электронные сигналы, которые записываются на карту памяти. Никон впервые  разработал большую матрицу, CMOS FX-формата, которая используются в цифровых камерах D3 и дает невиданный ранее уровень качества в виде богатых градаций и высокой четкости изображения. Специалист, ответственный за ее разработку представляет эту новую технологию и неизвестные факты, стоящие за её созданием.

Масато Такеси

разработчик первого отдела развития, развития учреждений, Imaging Company 

ПРОФИЛЬ:
После прихода в компанию в 1988 году, перед тем как перейти к разработке цифровых камер, Такеси занимается промышленными камерами высокой четкости, использующих изображения формируемые CCD,  для использования в микроскопах. С 2003 года он руководит подразделением цифровых зеркальных камер. Он принимал участие в разработке матрицы CMOS FX-формата. Его хобби мотоцикл, но в последнее время он их чаще мастерит чем ездит на них.

Расскажите, пожалуйста, о главных особенностях матрицы CMOS FX-формата.

Такеси:
С точки зрения внешнего вида,   такая же, как кадр на  35 мм фотоплёнке. С точки зрения возможностей, она может похвастаться таким же высоким уровнем чувствительности ISO 6400 (наиболее чувствительная плёнка общего пользования), и имеет высокую производительность - 9 кадров в секунду. Она также имеет широкий динамический диапазон, что позволяет прорабатывать гладкие переходы от темных областей в светлые и наоборот. Это её основные четыре черты.

Какие обстоятельства, привели к ее созданию? Пожалуйста, опишите фон для ее развития.

Такеси:
С момента выхода D1,  цифровые зеркальные камеры Nikon были оборудованы матрицами DX-формата. При этом, мы получали запросы от клиентов, которые хотели бы использовать те же объективы, с таким же же углом зрения, как объективы 35 мм плёночных камерах и тех кто хотел снимать фотографии, которые вызывали "чувство плёнки", так мы начали разрабатывать так называемый полный размер ( FX-формат) матрицы.

На сколько продукт коммерческий?

Такеси:
Мы первые поставили вопрос о целесообразности производства камеры с полноразмерной матрицей 35 мм и поняли, что он будет носить практический характер, если мы сможем сделать такую матрицу. Плёнка это тонкий лист, а матрица имеет знАчимую по сравнению с плёнкой толщину. Толщина, ширина и высота этого пакета делает размеры камеры несколько больше, чем пленочная камера. Кроме того, приплюсуйте и оптические компоненты, такие как оптический фильтр с микролинзами и инфракрасный (Байеровский) фильтр между матрицей и затвором. Все это должно быть точно размещено в корпусе камеры. После подробного обсуждения с дизайнерами корпуса и оптиками таких вопросов, как: достигнет ли свет от объектива всех областей матрицы, мы пришли к выводу, что вполне возможно сделать такую камеру. В то же время, работа по выработке возможных характеристик матрицы продолжалась. Первым делом необходимо решить, можно ли сделать весь "полный размер" светочувствительной поверхностью. Было решено, что размер площади одного пиксела записи будет практически такой же, как на воображаемой на 35-мм пленке. Далее, был проведен полный расчет возможности визуализации, и, отдав предпочтение высокой чувствительности, как основному преимуществу полноразмерной матрицы, она была приведена в соответствие с концепцией D3.

Что это за понятие?

Такеси:
После рассмотрения, какое оборудование мы должны предложить нашим пользователям целевой группой стали профессиональные фотографы и любители высокого уровня мы считали, что важно для создания единой камеры, которая может быть использована для съёмки практически в любом месте и любых условиях. С 12 миллионами пикселей, камера сможет работать практически с любой сценой. Кроме того, мы поставили акцент на областях, фотографии, требующих высокой чувствительности и высокой скорости непрерывной съемки, таких как спорт, новости, дикие животные. Принимая все эти факторы во внимание, мы приняли решение о формате FX размером в 12 млн. пикселей и ISO 6400.

Вы имели в виду с самого начала количество пикселей 12 миллионов?

Такеси:
Для однообъективных SLR цифровых и компактных цифровых камер, вопрос о том, сколько нужно пикселей является достаточно общим, с этим согласны и люди внутри компании и пользователи. Чем выше число пикселов, тем больше размер файлов изображений, и соответственно больше нагрузка на компьютер камеры при обработке . 
Часто задают вопрос о том, сколько необходимо пикселей. Ответ Nikon - 12 млн. пикселей. Это достаточно для печати двойного разворота A4.

Чем отличаются форматы DX и FX?

Такеси:
Не существует никакой разницы между матрицей DX-формата и FX-формата с точки зрения структуры и основных методов считывания, которые они используют. Однако из-за соответствующих размеров датчиков, есть разница в степени свободы при разработке дизайна камеры. Если матрицы DX и FX имеют одинаковое количество пикселей, размер пикселя FX конечно больше. БОльший размер пикселя  это увеличение чувствительности матрицы и расширения её динамического диапазона, потому, что большой пиксел захватывает  и накапливает больше света, в виде электронных сигналов. Но если матрицы DX и FX имеют одинаковый размер пикселя, матрица FX будет иметь более высокое количество пикселей и соответственно имееть  более высокое разрешение. Все это позволяет предположить, что матрица FX является наиболее универсальной. Тем не менее, формат DX также имеет свои преимущества с точки зрения экономической эффективности и размера камеры.

Вы говорите, что формат FX позволяет большую свободу дизайна и предоставляет широкий спектр возможностей. Казалось бы, там должны появиться и реальные технические проблемы.

Такеси:
Чем больше размер матрицы тем более трудно эффективно собрать свет от фотографического объектива пикселями расположенными по периметру (периферии) плоскости изображения. По сравнению с небольшими матрицами DX, свет падает на края матрицы FX под бОльшим углом. Для того чтобы собрать этот свет без каких-либо потерь, мы испытали много конструкций и делали многочисленные модели и эксперименты.

Какие конкретные технологии вы использовали для решения этой проблемы?

Такеси:
Мы разработали конфигурацию, в которой микро-линза и фотодиод матрицы оптимально сделан на каждый пиксель, так что даже свет косых лучей от фотографического объектива может быть сконцентрирован в элемент матрицы. Функция элемента матрицы заключается в хранении света в виде электронных сигналов, конденсирование света микролинзовым фильтром весьма эффективно, и делает элементы матрицы на периферии не менее чувствительными чем в центре.  С помощью этой технологии, мы смогли избавиться от влияния большого угола падения света, даже на периферии датчика.

Одной из главных особенностей этой матрицы, кажется, была разработка её собственными силами Nikon. Есть ли какие-либо особые преимущества конструкции или трудности, связанные с этим?

Такеси:
Nikon уже разрабатывал собственную LBCAST матрицу. Однако, разработка CMOS матрицы представляет собой новый вызов, и он сопровождался длительным и повторяющимся процессом проб и ошибок, необходимых для достижения хороших результатов. Тем не менее, мы воспользовались тем, что датчик в настоящее время разработан собственными исследовательскими силами, как лучший для соответствиия CMOS сенсора с возможностями объективов NIKKOR, и таким образом смогли выявить все возможности фотографического объектива. Таким образом, нам удалось получить высокий уровень качества изображения. Кроме того, с этим датчиком установленным  на нашу флагманскую камеру, мы смогли включить функци и технологии, которые являются эффективными для получения высокого уровня качества изображения без каких-либо компромиссов. Так как главным приоритетом была реализация высокой производительности и высокой чувствительности, мы приняли все возможные меры для улучшения производительности без учета расходов.

Были ли какие-либо меры, от которых вы отказались, или те, которые были введены в процессе разработки?

Такеси:
Ничто  не было исключено. Более того, были приняты дополнительные меры, которые были добавлены на стадии производства опытных образцов. В частности, многие усовершенствования были сделаны в целях улучшения возможностей высокой чувствительности датчика. Электронные сигналы должны значительно усиливаться в целях повышения чувствительности, но это также приводит к усилению нежелательных шумов, поэтому мы сделали многочисленные прототипы для повышения производительности и подавления шума.

Какие конкретные технологии дали возможность получить высокую чувствительность?

Такеси:
Три основных типа технологий. Это конденсирование света прецизионным микролинзовым оптическим фильтром. Увеличение размера пикселя и модификации микро-линз. Свет теперь собирается практически без потерь. Вторая из них состояла в расширениии возможностей фотодиода и хранения бОльших объемов света в виде электронных сигналов. Она доказала свою эффективность в увеличении динамического диапазона и обеспечения передачи более тонких градаций. Третья технология - снижение уровня шума. Она имеет решающее значение, так как шумовой компонент имеет большое влияние на качество изображения. Лучший способ улучшить соотношение сигнал / шум является усиление источника сигнала. Мы сделали это, интегрировав усилители внутрь датчика.

Говорят, что был разработан собственный метод  считывания электронных сигналов.

Такеси:
Да, это правильно. Мы приняли 12-канальный метод считывания с целью достижения более высокой скорости и уменьшения шума. Это похоже на 12 человек, работающих одновременно и паралельно. И даже если бы они работали индивидуально, в целом эта работа была бы сделана быстрее. Электронные схемы, работающие на высокой производительности имеют тенденцию генерировать много шума, а один человек действуя очень медленно, чтобы снизить уровень шума будет эффективным. Для того, чтобы снизить шум, который подмешивается в процессе передачи, мы разделяем сигнал на две части и передаём  их по отдельности. Кроме того, мы использовали коаксиальный кабель для передачи сигналов, несмотря на его высокую стоимость. Коаксиальный кабель состоит из линии, которая передает сигнал, по проводу в окружении заземлённого экрана, и это служит для предотвращению загрязнения сигнала внешними шумами .

Как повысилась эффективность сенсора по сравнению с предыдущими версиями?

Такеси:
Что касается чувствительности ISO, достигнуты результаты в 2 раза лучше, чем на предыдущих версиях Nikon, что никогда раньше не удавалось. Общее повышение эффективности самого CMOS сенсора было достигнуто с помощью новой технологии обработки материала из которого изготовлен сенсор, а также улучшения микролинзового фильтра и уменьшения шума.

Как же реагируют на рынке формата FX, на выход первого D3?

Такеси:
До выпуска, ходили слухи, что Nikon не смогла изготовить полноразмерный сенсор. На этом фоне, объявление формата модели FX вызывало недоумение на рынке в положительном ключе. Существовала также сильная реакция на то, что мы не достигли уровня чувствительности ISO 6400, которая никогда не была достигнута раньше. Кроме того, поскольку D3 оснащена рядом новых функций для повышения качества изображения, такими как активный D-Lighting и подавления краевых хроматических аберраций, это было воспринято как камера которая может удовлетворить продвинутых конечных пользователей.

В чем преимущества высокой чувствительности для пользователя, и как отреагировали реальные пользователи?

Такеси:
С телеобъективами, что часто используются в спорте и новостной фотографии, мы получили много запросов от пользователей, которые хотят использовать более короткие выдержки. Многие говорили нам, что теперь они могут принять более естественный вид снимков, поскольку существенно расширился диапазон возможных съёмок без использования штатива или вспышки (в том числе фотографирование городских и ночных сцен) увеличился.

Идентичны ли CMOS матрицы на D3 и D700? Я полагаю, что у пользователей, могут быть сомнения по этому поводу?

Такеси:
Используемые матрицы полностью идентичны. На D700 матрица выделяет меньшие тепла, чем на D3, существуют различия в конструкции за счет того, что периферическая схема должна быть меньше, однако, обе камеры могут похвастаться одинаковым качеством изображения.

Были ли какие-либо неожиданные предложения?

Такеси:
HI2 установка исключительно для увеличения чувствительности, и не вызывала особого обсуждения в прошлом в отношении качества изображения. Однако, некоторые журнальные фотографы отметили, что качество изображения при  этой установке так же хорошо, как ISO 25600. Эта похвала была самой неожиданной.

В каком направлении Вы хотели бы совершенствовать матрицу в будущем?

Такеси:
Я считаю, что мы сделали все, что могли в этом проекте. Тем не менее, технический прогресс неостановим. Соответственно, я ставлю задачу ответить на потребности наших клиентов и разрабатывать продукты, которые идут на шаг вперед. Я хочу, чтобы внедрялись все более высокопроизводительные технологии.

Большое спасибо за это интервью.