Najbardziej rozpowszechnionymi obecnie typami matryc stosowanych w aparatach cyfrowych są układy CCD i CMOS. Detektor tego typu został wynaleziony w roku 1969, a zasada jego działania opiera się o efekt fotoelektryczny wewnętrzny. Gdy światło pada na światłoczułą komórkę detektora wybija z niej elektrony (tak naprawdę wybija z jednego pasma elektronowego, przenosząc je do drugiego tzw. pasma przewodnictwa), które niosą ze sobą ładunek elektryczny. Ów ładunek może być odpowiednio wzmocniony i w odbiorniku zmierzony jako prąd. Co ważne, natężenie tego prądu jest ściśle proporcjonalne do ilości fotonów, które padły na komórkę. Dostajemy tym samym świetne narzędzie do dokładnych pomiarów jasności różnego rodzaju obiektów. Nic więc dziwnego, że pierwsze kamery CCD, już w latach 80-tych XX wieku, zagościły w astronomii, gdzie szturmem wyparły klisze fotograficzne, będąc od nich nawet kilkadziesiąt razy bardziej wydajne i pozwalając sięgać słabszych obiektów i mierzyć ich jasności dokładniej.

Na zastąpienie klisz przez matryce CCD w aparatach cyfrowych przyszło nam poczekać troszkę dłużej. Problem leżał w dużych cenach tego typu detektorów. Pierwsze kamery CCD, które dotarły do Polski na początku lat 90-tych miały 512x512 pikseli i kosztowały 30 tysięcy dolarów. Inny problem jaki przyszło obejść, to monochromatyczność kamer. Fizyka stojąca za efektem fotoelektrycznym mówi nam, że elektrony z komórki wybija każdy foton, który ma dostatecznie dużą energię (czyli długość fali, krótszą od pewnej wartości granicznej). Komórka nie czuje jaki foton wybija jej elektron i wszystkie fotony traktuje tak samo, dając nam dokładną informację o ilości fotonów, ale prawie żadnej informacji o kolorach.

W pomiarach naukowych problem obchodzi się wkładając przed całym detektorem różnego rodzaju filtry i robiąc ekspozycje, w każdym filtrze z osobna. Tego typu podejście trudno zastosować w aparatach cyfrowych i tu dochodzimy do sedna naszego przydługiego wstępu.

Mając detektor składający się z określonej liczby pikseli, możemy położyć filtr kolorowy nie przed całym detektorem lecz nad poszczególnymi pikselami. Ten pomysł zaowocował wdrożeniem tzw. siatki filtrów Beyera składającej się z zestawu minifiltrów RGB, których minimalna komórka składa się z układu 2x2, zawierającego dwa filtry odpowiedzialne za przepuszczanie koloru zielonego oraz po jednym związanym z czerwienią i barwą niebieską (oznaczane często jako RGGB). W efekcie dostajemy detektor, którego elementarną komórką czułą zarówno na natężenie światła jak i jego barwę jest układ składający się z czterech pikseli. Nie znaczy to jednak, że matryca mająca na przykład 12 megapikseli i filtr Beyera sprowadza się do układu 3-megapikselowego. Z pomocą przychodzi nam fakt, iż pikseli zielonych mamy dwa razy więcej niż niebieskich czy czerwonych i możemy posiłkować się interpolacją. Dostajemy więc w efekcie obraz składający się z takiej liczby pikseli, ile w rzeczywistości jest komórek rejestrujących światło, lecz informacja znajdująca się w danym pikselu nie jest niejako informacją rzeczywistą lecz wygenerowaną przez procesy demozaikujące oparte interpolację koloru poprzez pobranie go z danego piksela i jego okolicy.

To podejście ma zasadnicze wady związane z różnego rodzaju kolorowymi artefaktami, które pojawiają się, gdy operujemy na szczegółach obrazu o wielkości porównywalnej do poszczególnych pikseli. Wyobraźmy sobie punktowe źródło światła, które wysyła fotony o różnych długościach fali, które jest jednak tak małe, że pobudza na matrycy tylko jeden piksel. W zależności od tego jaki akurat filtr znajduje się nad owym pikselem, aparat stwierdzi, że światło wysyłane przez ów punkt ma taką właśnie barwę - w rzeczywistości wysyła jednak ono fotony odpowiadające wielu barwom. Żeby nie być gołosłownym mały przykład, pokazujący wycinek naszej tablicy testowej. W chwili gdy czarno-białe linie zaczynają zwężać się do rozmiarów porównywalnych z poszczególnymi komórkami światłoczułymi, dostajemy kolorowe artefakty.

Aby uniknąć tego typu problemów pokuszono się o zastosowanie innej technologii, a mianowicie matryc typu Foveon X3, które rejestrują światło analogicznie do kliszy fotograficznej.

Foveony zbudowane są z trzech warstw światłoczułych nałożonych na siebie. Każda odpowiada za detekcję innego koloru, a sposób ich ułożenia (licząc od zewnętrznej warstwy: niebieski, zielony, czerwony) optymalizuje detekcję fotonów. Matryce te wykorzystywane są obecnie jedynie w kilku aparatach cyfrowych i to głównie firmy Sigma (lustrzanki SD9, SD10, SD14 i testowany tutaj kompakt DP1).

Niewątpliwym atutem tego typu matryc jest to, że każdy piksel, złożony tak naprawdę z trzech niezależnych komórek, niesie informację zarówno o kolorze jak i natężeniu światła. W teorii dostajemy więc duży zakres tonalny, poprawne odwzorowanie kolorów i brak artefaktów związanych z istnieniem matrycy filtrów oraz procesami interpolacyjnymi.

Są także i wady takiego rozwiązania. Otóż elektrony z komórek światłoczułych, które potem mierzymy jako prąd, pochodzą nie tylko od fotonów. W każdym układzie CCD czy CMOS znajdziemy tzw. elektrony termiczne wzbudzone dzięki temu, że detektor znajduje się w niezerowej temperaturze. W profesjonalnych kamerach CCD stosuje się chłodzenie ciekłym azotem i tam problem znika. W aparatach cyfrowych takiego chłodzenia nie możemy sobie zafundować i musimy żyć z szumem, który był dotychczas największą zmorą matryc typu Foveon. W tradycyjnym aparacie ze zwykłą matrycą mamy bowiem jeden detektor, w Foveonie aż trzy nałożone na siebie i produkujące przez to dużo więcej ciepła, które jeśli go właściwie nie usuniemy, wygeneruje nam całą masę elektronów termicznych.

Jak poważny jest to problem mieliśmy okazję przekonać się mając w rękach przedprodukcyjny egzemplarz Sigmy SD14. Po godzinnej sesji, aparat był od spodu wręcz gorący, a w takich warunkach żadne matryce pracować nie lubią. W efekcie lustrzanki Sigmy zyskały opinię świetnych studyjnych aparatów, które doskonale radzą sobie na czułości ISO 100 oddając tam kolory z ogromną naturalnością, lecz pracują bardzo źle, gdy przyjdzie nam używać wyższych czułości.

Tym większe było nasze zdziwienie, gdy we wrześniu 2006 roku Sigma Corporation zapowiedziała pojawienie się modelu oznaczonego symbolem DP1, który był niczym innym jak kompaktem wyposażonym w matrycę Foveon o takiej samej wielkości jak w lustrzankach (w przypadku Sigmy jest to detektor o rozmiarach 20.7 x 13.8 mm dający mnożnik ogniskowej 1.7x). Jeśli problem grzania się detektora był ewidentny nawet w zaprezentowanej równolegle do DP1 lustrzance oznaczonej symbolem SD14, to jak konstruktorzy chcieli go obejść stosując dużo mniejszą obudowę aparatu kompaktowego, która wymusza większe upakowanie elektroniki? Problem był bardzo poważny, o czym świadczy długa droga od momentu zapowiedzi Sigmy DP1, do momentu trafienia jej na rynek. Aparat wchodzi do sklepów dopiero teraz, a więc półtora roku po zapowiedzi.

Sigma DP1 jest nowatorska jeszcze pod jednym względem. To kompakt, który ma dać użytkownikowi jakość obrazu niespotykaną dla tego typu sprzętu. Zagwarantować to ma, oprócz dużej matrycy typu Foveon, stałoogniskowy obiektyw o ogniskowej 16.6 mm, który daje kąt widzenia 75 stopni, a więc taki jaki dostajemy na pełnej klatce używając obiektywów klasy 28 mm. Aparat jest więc skierowany niewątpliwie do doświadczonych fotografów, którzy nie nabierają się na ilość megapikseli i krotność zoomu oraz umieją pracować ze stałoogniskowym obiektywem przeznaczonym do fotografii pejzażowej czy reportażowej.

Na Sigmę DP1 czekaliśmy naprawdę długo, ale czy było warto? O tym, mamy nadzieję, przekonacie się czytając następne rozdziały.

Aparat do testów wypożyczyła firma K-Consult.