Анатомия цифрового фотоаппарата: сенсоры

Коллизии фотонов

Электроны, вырабатываемые в результате фотоэлектрического эффекта, перемещаются по сенсору практически хаотически. На движение электронов влияет множество факторов - это и угол попадания фотона, и энергия фотона, и длина волны фотона, и расположение атомов кремния, и качество кремния, и количество слоев на матрице. Кроме того, влияют ещё и другие законы физики. В итоге электроны перемещаются беспорядочно, а не прямолинейно. Также факт высвобождения электрона вовсе не означает попадание этого электрона на пиксель - электрон может снова вернуться в кремний, а может направиться совершенно в другом направлении.

В зависимости от угла падения фотона, при прохождении массива цветных фильтров траектория может измениться, и фотон может попасть на фотодиод соседнего пикселя, а не на свой фотодиод. Это может привести к искажению заряда соседнего пикселя - такой эффект называется оптической перекрестной помехой (cross-pixel talk или optical crosstalk). К примеру, фотон, летевший на красный фильтр, после его прохождения попал на пиксель с зеленым фильтром. В результате искажается изображение (см. рисунок).

Результат такого эффекта нельзя устранить на стадии обработки изображения. Но с помощью специальных стенок между фильтрами этот эффект можно нейтрализовать. Например, Kodak и другие производители, для того, чтобы избежать такого эффекта, в массивах цветных фильтров используют черные перегородки. В других технологиях (к примеру, Philips) используют металлические щиты, которые расположены за фильтрами. Считается, что этот метод надежнее, чем черные границы в фильтрах. Но, во-первых, металл дороже стоит, во-вторых, занимает больше места, а в третьих, добавляет вес.

Электрические помехи объясняются свойствами света. Глубина проникновения фотона в кремний (прежде чем высвободится электрон) зависит от длины световой волны. (Помните, мы говорили, что если длина волны слишком большая, свет просто не задержится в кремнии) Чем короче волна, тем большей энергией обладают фотоны и тем скорее они высвободят электроны. Конечно, если длина волны не слишком коротка. В этом случае, фотоны просто отразятся от поверхности сенсора. Из основных цветов системы Байера, красный обладает максимальной диной волны (соответственно фотоны красного света обладают меньшей энергией), а длина синего цвета - самая короткая. Поэтому, когда фотоны проходят через красный фильтр, они проникают глубже в кремний, перед тем как высвободить электроны. Это может привести к неадекватной реакции на различные цвета, потерю заряда на подложке, а также к переходу электронов в другие пиксели. Как и оптические помехи, электрические помехи нельзя откорректировать на стадии обработки изображений, и посему должны быть предотвращены дизайном сенсора.

Помутнение

Помутнение - это самый распространенный побочный эффект. Пиксели могут накопить лишь ограниченное количество заряда. Этот параметр называется коэффициентом заполнения. При очень ярком свете электроны переполняют пиксель и попадают в соседние. По этой причине на изображении возникает яркое пятно или полоса, которые мы и называем расплыванием или помутнением.

Чтобы избавиться от этого эффекта создаются специальные перегородки и пиксели, способные забрать избыточные электроны и не допустить их дальнейшую обработку. К сожалению, перегородки занимают более 30 процентов полезной площади, при этом уменьшается чувствительность сенсора и квантовая эффективность. А так как цена - это главный сдерживающий фактор, то в некоторых случаях приходится мириться с такими недостатками.

Способность сенсора детализовать изображение при различных условиях освещенности определяется динамическим диапазоном. Чем шире этот диапазон, тем лучше сенсор.

Помехи

Соотношение сигнал/шум - также является важной характеристикой сенсора. Это соотношение можно определить по динамическому диапазону. Другими словами, не зная, как много посторонних помех или шумов возникает на сенсоре, вычислить динамический диапазон невозможно. Самое интересное, чтобы обеспечить ту же степень детализации при различной освещенности, что и у обыкновенной фотопленки, динамический диапазон сенсора должен быть больше, чем динамический диапазон пленки.

Итак, помехи в изображениях могут возникать по целому ряду вышеописанных причин. Кроме того, часто пиксели неравномерно реагируют на свет, таким образом, создаются зоны с разной чувствительностью. Это также можно рассматривать как помеху. Из всех этих шумов, пожалуй, самую негативную роль, особенно в связи с динамическим диапазоном, играют темновые токи. Темновой ток - это те нежелательные сигналы, вырабатываемые камерой в полной темноте - без всякого освещения, своеобразный фон.

Основная причина возникновения темнового тока - это примеси в кремниевой пластине или повреждение кристаллической решетки кремния. Чем чище кремний, тем меньше темновой ток. Отметим, однако, что при этом и камера становится дороже. Также, ток может возникать вследствие некорректного производственного процесса (например, от неправильного ионного легирования). Ток возникает и от нагревания (при увеличении температуры на 6-8 градусов, значение темнового тока удваивается)