Фотоматрица, ма́трица или светочувстви́тельная ма́трица — растровая оптическая система в виде специализированной аналоговой или цифро-аналоговой интегральной микросхемы, состоящей из светочувствительных элементов — фотодиодов.

Предназначена для преобразования проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы). Является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств. Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрихкодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации.

Устройство одного пикселя матрицы

Архитектура пикселей у производителей разная. Для примера здесь приводится архитектура ПЗС-пикселя.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС-матрицы — матрицы с карманом n-типа: 1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата; 2 — микролинза субпикселя; 3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера; 4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова; 5 — оксид кремния; 6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта; 7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда; 8 — кремниевая подложка p-типа.

Микролинза субпикселя

Буферные регистры сдвига на ПЗС-матрице, равно как и обрамление КМОП-пиксела, на КМОП-матрице «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате, каждому пикселю достаётся лишь 30 % светочувствительной области от его общей поверхности. У матрицы с полнокадровым переносом эта область составляет 70 %. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС-матриц над пикселем устанавливается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает бо́льшую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела.

Характеристики матриц

Светочувствительность (более коротко — чувствительность), отношение сигнал-шум и физический размер пикселя однозначно взаимосвязаны (для матриц, созданных по одной и той же технологии). Чем больше физический размер пикселя, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном соотношении сигнал-шум. Физический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют размер пикселя. Размер пикселя напрямую определяет такую важную характеристику, как фотографическая широта.

Отношение сигнал/шум

Всякая физическая величина совершает некоторые колебания от своего среднего состояния, в науке это называется флуктуациями. Поэтому и каждое свойство всякого тела тоже изменяется, колеблясь в некоторых пределах. Это справедливо и для такого свойства, как светочувствительность фотоприёмника, независимо от того, что собой представляет этот фотоприёмник. Следствием этого является то, что некоторая величина не может иметь какого-то конкретного значения, а изменяется в зависимости от обстоятельств. Если, например, рассмотреть такой параметр фотоприёмника, как «уровень чёрного», то есть то значение сигнала, которое будет показывать фотодатчик при отсутствии света, то и этот параметр будет некоторым образом флуктуировать, в том числе эта величина будет меняться от одного фотодатчика к другому, если они образуют некоторый массив (матрицу).

В качестве примера можно рассмотреть обычную фотоплёнку, где фотодатчики — зерна бромистого серебра, и их размер и «качество» неконтролируемо меняются от точки к точке (изготовитель фотоматериала может обеспечить только среднее значение параметра и величину его отклонения от среднего значения, но не сами конкретные значения этой величины в конкретных позициях). В силу этого обстоятельства плёнка, проявленная без экспозиции, покажет некоторое, очень маленькое, но отличное от нуля почернение, которое называется «вуаль». И у фотоматрицы цифрового фотоаппарата наблюдается то же самое явление. В науке такое явление называется шумом, так как оно мешает правильному восприятию и отображению информации, и для того, чтобы изображение хорошо передавало структуру исходного сигнала, необходимо, чтобы уровень сигнала в некоторой степени превосходил уровень шумов, характерных для данного устройства. Это называется отношением сигнал/шум.Сигнал-шум, цифровые аппараты и астрофотография оригинал на английском

Чувствительность

К матрицам применяется термин, эквивалентный «чувствительности», потому что: в зависимости от назначения матрицы формальное значение чувствительности может определяться различными способами по различным критериям; аналоговым усилением сигнала и цифровой постобработкой можно менять значение чувствительности матрицы в широком диапазоне.

У цифровых фотоаппаратов значение эквивалентной чувствительности может меняться в диапазоне 50—102400 ISO. Максимальная используемая в массовых фотоаппаратах чувствительность соответствует отношению сигнал/шум 2-5.

Разрешение

Фотоматрица оцифровывает (разделяет на кусочки — «пиксели») то изображение, которое формируется объективом фотоаппарата. Но, если объектив в силу недостаточно высокой разрешающей способности передаёт ДВЕ светящиеся точки объекта, разделённые третьей чёрной, как одну светящуюся точку на ТРИ подряд расположенных пиксела, то говорить о точном разрешении изображения фотоаппаратом не приходится.

В фотографической оптике существует приблизительное соотношение: если разрешающую способность фотоприёмника выразить в линиях на миллиметр (или же в пикселях на дюйм), обозначим её как , и так же выразить разрешающую способность объектива (в его фокальной плоскости), обозначим её как , то результирующее разрешение системы объектив+фотоприёмник, обозначим его как , можно найти по формуле:

или .

Это соотношение максимально при , когда разрешение равно , поэтому желательно, чтобы разрешающая способность объектива соответствовала разрешающей способности фотоприёмника.

У современных цифровых фотоматриц разрешающая способность определяется размером пикселя, который варьируется у разных фотоматриц в пределах от 0,0025 мм до 0,0080 мм, а у большинства современных фотоматриц он равен 0,006 мм. Поскольку две точки будут различаться, если между ними находится третья (незасвеченная) точка, то разрешающая способность соответствует расстоянию в два пикселя, то есть:

, где  — размер пикселя.

У цифровых фотоматриц разрешающая способность составляет от 200 линий на миллиметр (у крупноформатных цифровых фотокамер) до 70 линий на миллиметр(у web-камер и мобильных телефонов).

Некоторые разработчики видеокамер, ПЗС и КМОП-матриц, считают разрешение системы (в линиях) равным количеству считываемых с матрицы пикселей, разделённому на 1,5. Поскольку при оценке разрешающей способности объектива принято измерение в парах чёрной и белой линий миры Фуко на мм (определяющих не одиночный пик, а пространственную частоту), то коэффициент пересчёта разрешения матрицы в пары линий требует поправочного коэффициента 3,0.

Физический размер матрицы

Физические размеры фотосенсоров определяются размером отдельных пикселей матрицы, которые в современных фотосенсорах имеют величину 0,005-0,006 мм. Чем крупнее пиксель, тем больше его площадь и количество собираемого им света, поэтому тем выше его светочувствительность и лучше отношение сигнал/шум (в плёночной фотографии шумы называются «зернистостью» или «гранулярностью»). Необходимое разрешение деталей фотографии определяет общее количество пикселей, которое в современных фотоматрицах достигает десятков миллионов пикселей (Мегапикселей), и тем задаёт физические размеры фотоматрицы. Законы оптики определяют зависимость ГРИП от физического размера матрицы. Если сфотографировать тремя фотоаппаратами с разным физическим размером матрицы одну и ту же сцену с одним и тем же углом зрения и одним и тем же значением диафрагмы на объективах, и изучить результат (файл на компьютере, распечатку с принтера) в одинаковых условиях, то ГРИП на снимке, сделанном фотоаппаратом с наименьшей матрицей, будет наибольшей (больше предметов в кадре будет показано резко), а фотоаппарат с наибольшей матрицей покажет наименьшую ГРИП (предметы не в зоне резкости будут сильнее размыты). Размеры фотосенсоров чаще всего обозначают как «тип» в виде дробных частей дюйма (например, 1/1.8" или 2/3"), что фактически больше реального физического размера диагонали сенсора. Эти обозначения происходят от стандартных обозначений размеров трубок телекамер в 1950-х годах. Они выражают не размер диагонали самой матрицы, а внешний размер колбы передающей трубки. Инженеры быстро установили, что по различным причинам диагональ полезной площади изображения составляет около двух третей диаметра трубки. Это определение стало устоявшимся (хотя и должно было быть давно отброшено). Не существует чёткой математической взаимосвязи между «типом» сенсора, выраженном в дюймах, и его фактической диагональю. Однако, в грубом приближении, можно считать, что диагональ составляет две трети типоразмера.

Физические размеры матриц № Типоразмер Диагональ в мм Размер в мм Кроп-фактор 1 13/8" (плёнка типа 135) 43,27 36 × 24 1 2 APS-H Canon 33,75 28,1 × 18,7 1,28 3 APS-H Leica 32,45 27 × 18 1,33 4 APS-C 28,5 23,7 × 15,6 1,52 5 APS-C 28,4 23,5 × 15,7 1,52 6 APS-C 28,4 23,6 × 15,8 1,52 7 APS-C Canon 26,82 22,3 × 14,9 1,61 8 Foveon X3 24,88 20,7 × 13,8 1,74 9 1,5" 23,4 18,7 × 14,0 1,85 10 4/3" 21,64 17,3 × 13,0 2 11 1" 16 12,8 × 9,6 2,7121"15,913,2 × 8,82,73 13 1/1,33" 12 9,6 × 7,2 3,58 14 2/3" 11,85 8,8 × 6,6 3,93 15 1/1,63" 10 8,0 × 6,0 4,33 16 1/1,7" 9,5 7,6 × 5,7 4,55 17 1/1,8" 8,94 7,2 × 5,3 4,84 18 1/2" 8,0 6,4 × 4,8 5,41 19 1/2,3" 7,7 6,16 × 4,62 5,62 20 1/2,33" 7,63 6,08 × 4,56 5,92 21 1/2,5" 6,77 5,8 × 4,3 6,2 22 1/2,7" 6,58 5,4 × 4,0 6,7 23 1/2,8" 6,35 5,1 × 3,8 7,05 24 1/3" 5,64 4,8 × 3,6 7,5 25 1/3,2" 5,56 4,54 × 3,42 7,92 26 1/3,6" 4,93 4 × 3 9 27 1/4" 4,45 3,6 × 2,7 10 28 1/6" 2,96 2,4 × 1,8 15291/8"2,251,8 × 1,3520

Физические размеры матрицы видеокамеры в зависимости от соотношения сторон (4:3 или 16:9) и конкретного производителя с одной и той же диагональю различны. Поэтому, например, камера на матрице 1/3’’ с соотношением сторон 4:3 даёт больший угол обзора по вертикали и меньший по горизонтали, чем камера на матрице с такой же диагональю, но соотношением 16:9.

Отношение сторон кадра Формат кадра 4:3 в основном применяется в любительских цифровых фотоаппаратах. Некоторые фирмы, например, Canon, допускают в этих фотоаппаратах настройку соотношения сторон в диапазонах 4:3 и 16:9. Формат кадра 3:2 применяется в зеркальных цифровых фотоаппаратах, кроме выполненных по стандарту 4/3. Выпускается незначительное число моделей с кадром 16:9. В цифровых зеркальных фотоаппаратах Olympus используется матрица с соотношением сторон 4:3 (стандарт 4/3).

Пропорции пикселя Выпускаются матрицы с тремя различными пропорциями пикселя:

Для видеоаппаратуры выпускаются сенсоры с пропорцией пикселя 4:3 (PAL) или 3:4 (NTSC); Фотографическое, рентгенографическое и астрономическое оборудование, а также развивающееся сейчас видеооборудование для HDTV обычно имеет квадратный пиксель.

Типы матриц по применяемой технологии ПЗС-матрица (CCD, «Charge Coupled Device»); КМОП-матрица (CMOS, «Complementary Metal Oxide Semiconductor»); SIMD WDR () — разновидность КМОП матрицы с иным обрамлением пиксела; Live-MOS-матрица — МОП-матрица, с более простой структурой пиксела, чем КМОП; Super CCD-матрица — разновидность ПЗС-матрицы с разными размерами элементов; QuantumFilm-матрица на основе квантовых точек, пока не реализована в массовом оборудовании;