Тенденции в цифровой фотографии. Часть 4 (пиксели)

Тенденции в цифровой фотографии: Часть 1. Объективы Часть 2. Вспышки Часть 3. ПЗС-матрицы Часть 4. Пиксели Часть 5. Память

Как было сказано в статье, посвящённой основным характеристикам ПЗС-матриц, наиболее сложная задача, стоящая перед разработчиками этих устройств - расширить или хотя бы сохранить чувствительность и динамический диапазон сенсора при переходе на более высокое разрешение. Причём особенности конструкции и ограничения технологии производства заставляют каждый раз для решения этой задачи искать новые пути.

В ряде случаев разработчикам удаётся компенсировать уменьшение как светочувствительной области пиксела, так и глубины потенциальной ямы исключительно за счёт резервов технологии. Однако резервов этих хватает, как правило, ненамного - как правило, удаётся пару раз поднять разрешение примерно на мегапиксел. Затем приходится совершенствовать технологию, причём по всем направлениям.

Одно из направлений, если можно так выразиться, "химическое". Усилия, прилагаемые в этой области, своей целью имеют повышение чистоты полупроводников, используемых при производстве сенсора. Уменьшение доли нежелательных примесей позволяет уменьшить уровни как темнового тока, так и теплового шума, а также поднять квантовый выход.

Несмотря на кажущуюся простоту мероприятий, обеспечивающих чистоту полупроводников, финансовые затраты на НИОКР "химического" направления являются наиболее высокими.

Другое направление, условно именуемое "компоновочным", объединяет решения, в которых сохранение динамического диапазона и чувствительности обеспечивается изменением типа основных носителей и используемых потенциалов, формы и расположения как собственно пиксела, так и электродов, микролинз и прочих частей ПЗС-элемента и всей матрицы в целом. Причём в ряде случаев "компоновочные" действительно обеспечивают улучшение характеристик, но иногда являются ни чем иным, как рекламным трюком, рассчитанным на неполный уровень знаний предметной аудитории.

В частности, "компоновочные" решения крупнейшего производителя ПЗС-матриц - концерна SONY - практически всегда обеспечивали улучшение характеристик сенсора.

Одним из самых удачных решений был переход на технологию HAD - Hole-Accumulation Diode. Сенсоры, выполненные по этой схеме, использовали в качестве носителей информации о заряде пиксела не электроны, а так называемые "дырки", образующиеся в полупроводнике при потере электронов. При этом отпадала необходимость в полисиликоновом электроде над светочувствительной частью пиксела, отражавшем либо поглощавшем заметную часть падавших на ПЗС-элемент фотонов. В результате значительно повысилась чувствительность ПЗС-матрицы, особенно в коротковолновой области спектра. А поскольку поглощающий "дырки" слой находился у поверхности матрицы, удалось уменьшить уровень той части шума фиксированного распределения, которая обусловлена темновым током. Кроме того, удалось значительно повысить скорость считывания данных и упрощалось конструирование электронного затвора.

Однако у этой технологии существовали и определённые ограничения. Так как в качестве основных носителей использовались "дырки", боковой антиблюминговый дренаж использовать было нельзя. В свою очередь, схема с вертикальным дренажом приводит к некоторому ограничению динамического диапазона. Впрочем, вертикальный дренаж, помимо минусов имеет и плюсы - он не уменьшает светочувствительную область пиксела и, таким образом, не ослабляет положительный эффект, вызванный отказом от полисиликоновых электродов.

В матрицах обычного типа внутренний фотоэффект для "длинноволновых" ("инфракрасных") фотонов происходил глубоко внутри кремниевой подложки, в результате генерируемые электроны не попадали в потенциальную яму ПЗС-элемента и не регистрировались. В матрице EXview HAD используется подложка повышенной толщины, что позволяет накапливать заряды, возникшие в результате внутреннего фотоэффекта, вызванного "длинноволновыми" фотонами. В итоге есть возможность регистрировать инфракрасное излучение, поэтому чувствительность в полной темноте у этих сенсоров значительно выше.

В матрицах Super HAD используются микролинзы увеличенного диаметра, которые перекрывают более обширную область над пикселом и "собирают" больше света, попадающего на светочувствительную область. Казалось бы, схема "лежала на поверхности", однако при её разработке конструкторам пришлось решить довольно сложную задачу.

Эффективность микролинз в обычной матрице и в матрице Super HAD

Дело в том, что кривизна линз должна обеспечивать концентрацию всех лучей на сравнительно компактной "мишени". К этому следует прибавить, что отнюдь не все фотоны, падающие на поверхность матрицы, имеют траекторию, строго перпендикулярную плоскости пиксела. При широко открытой диафрагме (а при слабом освещении съёмка ведётся именно так) резко возрастает процент лучей, падающих под значительным углом к нормали (то есть линии, перпендикулярной к поверхности матрицы). Если кривизна микролинз подобрана неудачно, то "косые" лучи не будут зарегистрированы, и открытие диафрагмы будет бесполезным (и даже вредным, так как при этом уменьшается глубина резкости объектива).

Несмотря на резко возросший "КПД" микролинз у матриц, созданных по схеме Super HAD, разработчики SONY решили не останавливаться на достигнутом и разработали фактически законченную оптическую систему, расположив её над каждым пикселом. Чтобы уловить максимальное количество света, попадающего на микролинзу, разработчики Sony в матрице SIL (Single Inner Lens) Structure использовали дополнительный оптический элемент. Расположенная непосредственно над светочувствительным элементом, внутренняя линза концентрировала на нём свет, что значительно повышало шанс регистрации лучей, входящих под большими углами.

Эффективность микролинз в матрице Super HAD и в матрице SIL Structure

Ассортимент ПЗС-матриц Sony очень велик, причем с увеличением разрешения размер сенсора не изменяется, что позволяет при разработке нового фотоаппарата использовать прежнюю оптику и корпус. В большинстве любительских камер используются матрицы с тремя наиболее распространёнными форм-факторами - 1/3, 1/1,8 и 2/3 дюйма по диагонали. Именно поэтому новые образцы фотоаппаратов с сенсором большего разрешения практически идентичны по своей конструкции предыдущим моделям. Данное обстоятельство позволяет сократить расходы на проектирование и сроки разработки.

С появлением в модельном ряде матрицы ICX413 Sony заняла нишу на рынке профессиональных камер. При диагонали 28,4 мм ее размеры (23,4x15,6 мм) соответствуют кадру пленки формата APS, поэтому она идеально подходит для использования в моделях, создаваемых на базе пленочных "зеркалок". Однако главными аргументами для применения этого шестимегапиксельного сенсора в профессиональной технике являются высокие разрешение и быстродействие, так как матрица генерирует кадры размером 3032x2016, обеспечивая считывание со скоростью до 5 кадров в секунду. Именно поэтому этот сенсор был выбран фирмами Nikon и Pentax для цифровых зеркальных камер D100, D70 и *ist D.

Несмотря на колоссальную популярность матриц SONY, ряд производителей не пользуется продукцией данного концерна. Среди этих фирм можно назвать альянс Leica/Panasonic, с недавних пор использующий матрицы Matsushita, а также Fuji и Kodak, которые издавна оборудуют свои камеры сенсорами исключительно собственного изготовления.

Следует отметить, что большинство решений Kodak стали классикой (боковой антиблюминговый дренаж, матрицы с обратной засветкой) и успешно применяются всеми производителями ПЗС-матриц. В свою очередь, разработки Fuji не получили широкого распространения, хотя и вызвали поначалу повышенный интерес. В частности, в 2000 году компанией Fuji была разработана SuperCCD - ПЗС-матрица, пикселы которой имели не привычную прямоугольную, а октагональную (восьмиугольную) форму.

Расположение светочувствительных элементов и регистров сдвига в обычной матрице и в матрице SuperCCD

Размещение пикселов также было нестандартным - два зеленых, синий и красный "восьмиугольника" матрицы образовывали подобие ромба. Фактически эти элементы находились внутри повернутого на 45 градусов квадрата. При этом количество столбцов задавалось "горизонтальными" пикселами (то есть расположенными в левом и правом углах "ромба"), а строк - "вертикальными" (в верхнем и нижнем углах "ромба"). Такое расположение позволило оптимизировать форму и размеры буферных регистров и, как следствие, увеличить светочувствительную площадь пиксела.

Понятно, что стандарты компьютерного изображения "диагональное" расположение пикселов не допускают, посему необходимо перевести все "ромбы" в общепринятые "квадраты", которые и составляют столбцы и строки JPEG и TIFF файлов. Однако путей здесь два.

Наиболее очевидный - "сдвинуть" на полпиксела по горизонтали все чётные строки. На деле это подразумевает вычисление значений "виртуальных" пикселов, расположенных в центре тех "ромбов", которые "нанизаны" на чётные строки. При этом для расчёта используются пикселы в левом и правом углах "ромба" и, разумеется, в итоговое изображение не попадают непосредственные значения данных пикселов. Разработчики Fuji решили "просто повернуть" на 45 градусов каждый из "ромбов". Фактически, при этом точно также рассчитываются "виртуальные" пикселы, однако делается это для всех без исключения "ромбов" матрицы.

"Поворот ромба" в матрице SuperCCD

По заявлениям FujiFilm, после выполненного программным обеспечением камеры "поворота" образуются "дополнительные" столбцы и строки. Правда, при этом замалчивалось, что образовывались они исключительно за счет интерполяции, а сам факт преобразования преподносился как реальное удвоение вертикального и горизонтального разрешения матрицы.