Фото и видео

Анатомия цифрового фотоаппарата: сенсоры

⇣ Содержание

Сенсор - это кремниевый полупроводник, предназначенный для восприятия фотонов (света) и для трансформации фотонов в электроны. Сенсоры являются важнейшей частью цифровой камеры. Кроме того, сенсоры используются в сканерах, в астрономических приборах, в различных научных, военных и медицинских устройствах. Полученные электроны приводят к появлению напряжения. Затем оно измеряется и преобразуется в цифровые данные.

Для выполнения таких операций требуются очень сложные вычисления на микроскопическом уровне. Сенсоры стали разрабатывать в конце 60х - начале 70х годов. Их роль в современных цифровых видеоустройствах, ставших популярными последнее время, настолько велика, что дизайн сенсоров постоянно совершенствуется.

Несмотря на то, что ПЗС (прибор с зарядовой связью) был изобретен больше трёх десятков лет назад, он до сих пор остаётся золотым стандартом, эталоном, с которым сравниваются новые сенсоры. Мы подробно расскажем о том, как работают ПЗС сенсоры, и лишь немного коснемся работы КМОП.


Круги на полях, шпионы, парашюты...

Сенсоры стали разрабатывать для правительственных разведывательных и космических программам (правительства США, конечно же). Для шпионажа во время холодной войны требовались совершенные методы наблюдения. В частности, были запущены секретные спутники ЦРУ и ВВС США - Corona. Эти спутники были оснащены современнейшим по тому времени оборудованием - камерами серии KH, использующими специальные линзы и новые типы пленок. (Что интересно, в результате в массовое производство поступили пленки "майлар" - лавсан, Mylar).

Чтобы определить масштаб фотографии, использовались кукурузные поля Среднего Запада США, которые были специальным образом покошены. На них выкашивали довольно большие геометрические фигуры - чтобы можно было распознать из космоса. (Теперь понятно, откуда возникли эти таинственные круги, десятилетиями волновавшие читателей желтой прессы? Да, они имели отношение к космосу, но природу они имели вполне человеческую)

Как только пленка была отснята целиком, она в керамическом контейнере на парашюте катапультировалась на Землю - в районе Гавайев. Эти контейнеры подбирались ещё в воздухе самолетами C-119 ВВС США (так называемые "Летающие товарные вагоны" - Flying Boxcar). Специально для этого самолеты оснащались длинными крючками, прикрепленными к хвостовому оперению. Если пилот промахивался и не ловил контейнер, пленка попадала в Тихий Океан, где могла плавать ещё пару дней. Если в течение двух дней ВМС США не находили контейнер, под воздействием морской воды соляные пробки растворялись и контейнер вместе с содержимым погружался в океан - чтобы не нашел неприятель. Министерство обороны считало, что под водой шпионов нет. Но даже при таких мерах безопасности, по крайней мере один такой контейнер попал во вражеские руки.

Несмотря на такие случайные инциденты, спутниковое слежение было намного безопаснее, чем шпионаж с использованием самолетов или воздушных шаров - ведь спутник не так-то легко подстрелить. (Помните, в 1960 году над Уралом сбили американский разведывательный самолет У-2, пилотируемый Фрэнсисом Гэри Пауэрсом? Урал - уже далеко не граница) Так вот, процесс возвращения пленки - самый небезопасный из всей этой цепочки операций. Понятно, что надо было придумать какой-то выход из этой ситуации, и придумать как можно скорее.


Аналоговая аппаратура

Следующим технологическим новшеством в спутниковой фотографии стали обработка пленки на борту спутника, сканирование её с помощью светового луча, преобразование световых волн в аналоговый электрический сигнал, и последующая его передача на специальную приемную станцию на Земле. Как только сигналы оказывался на Земле, они преобразовывались назад в изображения. (Аналоговая система была похожа на ту, которой пользовались в Associated Press и в United Press International для передачи новостей и фотографий по проводам)

Но до сих пор доподлинно не известно, где, когда, и как в правительственных разведывательных и космических программах на смену аналоговым системам пришла цифровая фотография. До сих пор часть информации находится под грифом "секретно". Где-то с начала 70-х вся космическая фотография постепенно начала переходить на цифру. При этом разрешение фотографий и качество улучшалось по экспоненте. Создавались действительно впечатляющие снимки вселенной. А качество цифровых фотографий, вроде тех, что получены на Земле с помощью усовершенствованной модели космического телескопа Hubble, было исключительным.

У цифровой фотографии нет точной даты рождения. Обычно считают, что цифровая фотография появилась в конце 60х, когда ученые обнаружили, что КМОП (комплементарный металло-оксидный полупроводник) может быть светочувствительным. Прибор с зарядовой связью (ПЗС, CCD) был изобретён в конце 1969 года Вильямом Бойлем (William S. Boyle) и Джорджем Смитом (George E. Smith), работавшими в лабораториях Bell. Так как качество изображения было очень высоким, эти приборы быстро вытеснили КМОП из цифрового обработки изображений. Однако отметим, ПЗС более чувствителен к излучению, нежели КМОП. А чем выше вы находитесь от поверхности Земли, тем больше излучение. Именно поэтому КМОП сенсоры не были забыты, и правительство штатов оплачивало исследования в этой области.

В нашей статье мы обратимся к этим удивительным технологиям и объясним с физической точки зрения, как с помощью кусочка кремния можно воссоздать изображение.

Несмотря на всё разнообразие технологий, в большинстве случаев в цифровых камерах используются либо КМОП, либо ПЗС сенсоры. Самым важным отличием между этими системами является способ перенесения электронов с сенсора. Кроме того, КМОП может осуществлять большее количество функций прямо на чипе. Тем не менее, начало у этих технологий общее, и что самое примечательное, первоначально, ни та, ни другая технология не имели никакого отношения к цифровой фотографии. Оба устройства представляли собой полупроводниковую память.

В 1966 году в лабораториях Bell была изобретена ЦМД-память (память на цилиндрических магнитных доменах, пузырьковая память, bubble memory). Предполагалось, что она будет энергонезависимой (то есть при выключения питания компьютера данные не теряются). Воодушевленные потенциалом этих устройств, ученые продолжили опыты с технологией ПЗС как с последовательными запоминающими устройствами. Но эта технология быстро устарела - стоило появиться более эффективной и быстрой энергонезависимой памяти, например, EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory - электронно-перепрограммируемая постоянная память). Тем не менее, как обнаружилось, ПЗС память обладает впечатляющими возможностями по переносу заряда, что сделало ее идеальным для сенсоров. Впервые в массовое производство ПЗС сенсоры были запущены в 1973 году. КМОП технология продолжала использоваться в памяти, обрабатывающих и других цифровых устройствах, что связано с ее низким энергопотреблением и высокой функциональностью. Технологии КМОП и ПЗС отличаются своей ценой, процессом производства и дальнейшими перспективами развития.


Больше и дешевле

ПЗС являются специализированными чипами и используются только для получения изображения. Производят эти чипы всего несколько фирм - дочерние компании таких гигантов как Sony, Philips, Kodak, Matsushita, Fuji и Sharp. В отличие от ПЗС, область применения КМОП устройств намного шире. Они используются как в процессорах персональных компьютеров, так и в подавляющем большинстве потребительской электроники. Так как в основном КМОП устройства изготавливаются большими партиями и по стандартному технологическому процессу, их производство обходится значительно дешевле.

Кроме дешевизны производства, КМОП устройства обладают целым рядом преимуществ. Так как архитектура КМОП позволяет производить обработку изображений и аналого-цифровые преобразования (АЦП - ADC) непосредственно на чипе, цифровые камеры и другие устройства, использующие КМОП технологию вместо ПЗС, в итоге оказываются значительно дешевле. КМОП сенсоры требуют меньше энергии, чем ПЗС, поэтому они более эффективны и не так дороги в эксплуатации. Кроме того, КМОП камерам не нужно столько лишних схем и плат - поэтому они могут быть величиной буквально с наперсток (или даже меньше).

Тем не менее, в системах, где самым важным считается качество, всё же используются ПЗС, так как они чувствительнее к свету, степень градации у них выше, а лишних шумов меньше.

В начале девяностых технология КМОП была существенно улучшена. Частично, причиной тому послужило развитие технологии вообще и технологии производства КМОП чипов в частности. Например, достижения сверхтонкой литографии и последующая миниатюризация транзисторов в интегральных схемах позволили соединять транзисторы в КМОП сенсорах более тонкими металлическими проводниками. При этом увеличилось количество кремния, на который попадают фотоны, что, в свою очередь, увеличило чувствительность сенсоров. Кроме того, уменьшилась и потребляемая мощность.

До недавних пор было мало шансов добиться высокого качества КМОП фотоаппаратов. Когда мы тестировали первые КМОП камеры Sound Vision and Vivitar, посторонние шумы на фотографиях были настолько заметны, что ровные вертикальные кромки небоскребов плыли, и создавалось ощущение, что здания таяли. Тем не менее, новая модель Canon D30, использовавшая корпус профессионального однообъективного зеркального фотоаппарата, показала, что КМОП технология уже достаточно хороша, чтобы заменить дорогую ПЗС. Вероятно, в ближайшие годы в любительских и в профессиональных камерах на смену ПЗС матрицам придут КМОП матрицы. Технология ПЗС, скорее всего ещё просуществует некоторое время на high-end рынке.


Кремний

Большинство сенсоров созданы на основе кремния. Когда фотоны ударяются о кремний, электроны в кремнии возбуждаются и ковалентная связь, удерживающая электроны в атомах кремния, нарушается. Количество высвободившихся электронов прямо пропорционально энергии или интенсивности света. В зависимости от способов контроля и измерения этого фотоэлектрического эффекта, существует несколько различных дизайнов сенсоров. Они различаются эффективностью и аккуратностью учета электронов.

Заметим, фотоны должны обладать достаточной энергией, чтобы разрушить ковалентные связи в атомах кремния, чтобы появились свободные электроны (или электронно-дырочные пары) То есть энергия фотонов должна быть больше, чем ширина запрещенной зоны кремния - 1,1 эВ. Это значит, что волны должны быть из видимой части спектра (400-750 нм) или близкие к инфракрасным (до 1100 нм) - только фотоны этих волн способны разрушить связи. Именно поэтому в качестве основы сенсоров для фотоаппаратов был выбран кремний. Волны длиной менее 400 нм могут быть поглощены структурой сенсора (подробнее об этом - ниже). Если фотоны не обладают требуемой энергией (длина таких волн обычно больше 1100 нм), то свободных электронов не возникает и фотоны не вызывают никакой реакции.



Формула энергии фотонов

В идеальных условиях зависимость между фотонами и электронами была бы прямой, и один фотон высвобождал бы ровно один электрон. В результате квантовый выход бы составлял сто процентов. Тем не менее, обычные сенсоры, используемые в цифровых камерах, не столь эффективны - один фотон высвобождает не один электрон, а меньше. (Хотя бывает, что фотоны невидимых волн могут высвободить даже более одного электрона) Но даже после того, как электроны освобождаются, нет гарантии того, что они будут учтены сенсором. Поэтому у сенсоров цифровых камер квантовая эффективность ниже ста процентов.

Ещё один важный фактор в достижении большей квантовой интенсивности - это качество и чистота кремниевой пластины. Кристаллы кремния "выращиваются", и в зависимости от условий его производства определяется его качество. Если все кристаллические решетки расположены в одном направлении, то кремний лучше проводит электроны. (В будущем, возможно, кремний будут выращивать в космосе и тем самым негативный эффект от силы тяжести, которая мешает идеальному росту кристалла, исчезнет. Вероятнее всего, кристаллы в космосе будут производиться в ограниченных количествах - специально для тех случаев, когда требуется очень высокое качество. Кремниевые пластины, произведенные в космосе, скорее всего, будут дорогими и редкими).


Чистые и точные



Чистая комната

Получение полупроводников из кремния - довольно сложный процесс, требующий чистоты и микроскопической точности. Точность необходима в наложении на кремний фоторезистных масок. Затем кремний подвергается световой и температурной обработке, ионному легированию, дополнительным наслоениям и травлению.

"Легирование" кремния повышает его способность проводить электроны. Достигается это аккуратным внедрением примесей, создающих полюса зарядов. В качестве примесей используются бор (имеющий одним электроном меньше) и фосфор (имеющий на один электрон больше). Таким образом, бор создаёт на кремниевой решетке положительный заряд (или "дырки") - такой полупроводник называется полупроводником p-типа или положительный метал-оксид-полупроводник (positive metal oxide semiconductor, PMOS). С примесью фосфора заряд проводника становится отрицательным - такой полупроводник называется полупроводником n-типа (negative metal oxide semiconductor NMOS). В различных архитектурах сенсоров полупроводники этих двух типов могут использоваться по-разному. Полупроводники p-типа притягивают отрицательно заряженные электроны, а n-типа - отталкивают. Такое взаимодействие создаёт ток электронов.

В КМОП устройствах имеются транзисторы обоих типов (p и n). Ключевой характеристикой КМОП устройств является незначительное потребление энергии, при простаивании (хранении единички или нолика) и высокое потребление энергии при переключении из одного состояния в другое.

Сенсор состоит из пикселей, то есть из множества светочувствительных элементов (photosites). Они обычно расположены в сетке - из столбцов и колонок. Структура этих элементов зависит от типа сенсора, но принцип их работы везде одинаков.



Сенсор

Светочувствительные области пикселя получают свет (фотоны) и преобразуют его в электроны. Такая светочувствительная область в английском языке имеет множество названий - photocapacitor, photogate или photodiode. По-русски она называется фотодиодом. Электроны, полученные в этом фотодиоде, накапливаются в зарядовом кармане (potential pixel well). Величина накопленного заряда зависит от интенсивности падающего на поверхность фотодиода света. Количество времени, в течение которого накапливается заряд, называется временем интеграции (integration time). Таким образом, светочувствительная область содержит частичку информации изображения в виде электрического заряда, полученного из падающего света.


Введение примесей

В производстве сенсоров светочувствительная область определяется примесями, использующимися для того, чтобы воспользоваться преимуществом зарядной емкости легированного кремния. Например, пиксель может состоять из кармана p-типа на подложке n-типа. Чем меньшее количество примесей использовано, тем больше разница потенциалов.

Пиксели что в КМОП, что в ПЗС матрицах - одинаковы, основные различия начинаются после того, как фотоны преобразуются в электроны. Отметим все же, что архитектура пикселей у различных производителей может быть неодинаковой. Например, Philips наносит на светочувствительный элемент очень тонкий слой кремния с примесями из мышьяка. У получившейся смеси, как и у бора, количество электронов меньше на один. Цель подобного рода операций - увеличение зарядной емкости пикселя.


Преломление света

В обычной фотопленке на пластиковую основу наносятся галоиды серебра - именно они реагируют на любой свет, падающий под любым углом. В отличие них, кремниевые пиксели реагируют на свет только в том случае, когда он падает под прямым углом (или близким к прямому). Это требуется для того, чтобы пиксели получали больший электрический заряд. Для обеспечения требуемого угла над каждым пикселем сенсора помещается специальная выпуклая микролинза. Именно таким образом корректируется угол падения света и увеличивается светочувствительность сенсора.

Во многих случаях, стоимость объектива фотоаппарата может быть значительно выше стоимости сенсора. Преимущество использования микролинз заключается в том, что при большой угловой чувствительности сенсора можно использовать дешевый небольшой объектив. Однако микролинзы используются далеко не во всех сенсорах.

Обычно микролинзы создаются путем нанесения резистного материала на сенсор. Затем относительно пикселей в этом материале протравливается сетка. При нагревании остатки оплавляются и принимают куполообразную форму. Форма и характеристики микролинзы зависят от толщины резистного слоя, температуры процесса и от подложки. Сенсор должен выполнять по меньшей мере пять основных операций - поглощать фотоны, преобразовывать их в заряд, накапливать его, передавать, и преобразовывать в напряжение. Оба типа сенсоров - и КМОП, и ПЗС - выполняют все пять операций. Первые три операции выполняются везде одинаково, но технологии отличаются передачей заряда и преобразованием заряда в напряжение.


Простота ПЗС

ПЗС, в отличие от КМОП, не способен совершать некоторые операции прямо на чипе, но то простое изящество, с которым ПЗС выполняет операции, обеспечивает изображению очень высокое качество. Но не думайте, что если на вашем фотоаппарате используется ПЗС матрица, качество картинки будет неподражаемым. Изображение из цифровой камеры - результат работы всех компонентов этой камеры, включая оптику, АЦП, обработку изображений, сенсор и все другие компоненты и процессы цифрового фотоаппарата. Отметим также, что многое зависит и от того, как все эти компоненты взаимодействуют между собой.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) назван так из-за способа передачи заряда между светочувствительными элементами и в конечном итоге выводе заряда из сенсора. Заряды сдвигаются по матрице строчками сверху вниз. Это так называемая архитектура с параллельным (вертикальным) сдвиговым регистром. Таким образом, заряд передвигается вниз по строчкам сразу по множеству регистров. Заряды перемещаются "в связке" - когда перемещается одна из строчек зарядов, на освобождающееся место передвигаются все заряды из верхней строчки. Отсюда и такое название.

Что же происходит со строчкой, находящейся в нижней позиции? В действительности, последняя строчка представляет собой горизонтальный сдвиговый регистр (serial shift register) - при этом используется архитектура с последовательным выводом. В этой строчке все заряды последовательно покидают сенсор, при этом используется метод зарядовой связи (что указывает на порядок зарядов) и при этом освобождается место для новой строчки зарядов. Часто такой метод сравнивают с пожарной цепочкой - как в старинных пожарных командах.

Перед тем, как покинуть ПЗС сенсор, заряд каждого пикселя усиливается и на выходе получается аналоговый сигнал с различным напряжением. Перед обработкой этот сигнал пересылается на отдельный (вне чипа) аналого-цифровой преобразователь и получившиеся цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строчку изображения, полученного сенсором. В отличие от ОЗУ компьютера, где единичка или нолик представлены наличием или отсутствием заряда, ПЗС сохраняет этот заряд в аналоговой форме до тех пор, пока он не преобразуется АЦП.

Так как ПЗС лишь передает электрический заряд, используя процесс зарядовой связи, который обладает низким сопротивлением и меньше подвержен помехам других электронных компонентов, результирующий сигнал, как правило, содержит меньше различных шумов, по сравнению с сигналом КМОП сенсоров. Тем не менее, передаются далеко не все заряды - часть электронов безвозвратно теряется на пути между светочувствительными областями и выходом сенсора. Эффективность переноса заряда - это определяющая характеристика сенсора. Обычно, она предоставляется производителями сенсоров.


Затворы

Электроды - это проводники, по которым ток либо поступает, либо покидает электронное устройство. Они играют роль электронных ворот. В зависимости от того, какие функции электроды выполняют в ПЗС, они имеют различное название - пропускающие затворы (transfer gates), затворы управления экспозицией (exposure control gates) или затворы переполнения (overflow gates). В пропускающих затворах электроды получают тактовые импульсы различного напряжения, в результате чего заряд способен перемещаться от одной светочувствительной области к следующей. Это и перемещение строчки зарядов вниз на следующую строчку, и последовательное считывание зарядов с последней строчки. Электронный затвор, влияющий на время экспозиции - время интеграции электронного затвора сенсора (когда пиксель получает фотоны и вырабатывает электроны) управляется напряжением. А затворы переполнения используются для того, чтобы не допустить рассеивания электронов и уменьшить воздействие зарядов соседних пикселей.

Чаще всего электроды создаются из поликристаллического кремния. Компания Kodak представила новый тип электродов - из сплава индия и оксида олова (indium tin oxide, ITO). Считается, что такая технология позволяет улучшить процесс захвата электронов в светочувствительных областях, так как этот сплав прозрачнее поликристаллического кремния. Кроме того, избегается ещё один эффект - поликристаллический кремний может отражать или поглощать фотоны волн определенной длины.

Так как заряд в КМОП и в ПЗС устройствах передаётся по-разному, по-разному функционируют и электроды в этих матрицах. То есть в технологии КМОП не используется метод переноса с зарядовой связью. Поэтому и электроды в КМОП технологии применяются несколько иначе, чем в ПЗС. В КМОП матрицах электроды используются в пропускающих затворах у транзисторов на выходе сенсора и для уменьшения помех.

Как было упомянуто выше, основной функцией электродов является управление передачей заряда в ПЗС. Чтобы лучше вникнуть в суть дела и разобраться в их работе, мы сперва рассмотрим четырехфазный прибор с зарядовой связью, то есть прибор, где на каждый пиксель имеется четыре электрода. (В большинстве ПЗС используется несколько электродов/фаз, их число зависит от модели сенсора)

На первом электроде, как и на всех остальных, каждый пиксель получает одинаковое напряжение. Если электрод получает большое напряжение, под ним на кремниевой подложке, создаётся потенциальная яма. Если же электрод получает малое напряжение, то создаётся потенциальный барьер, который позволяет удерживать в потенциальной яме захваченные электроны (данные элемента изображения). Таким образом, при изменении напряжения, подаваемого на соседние электроды в определенные моменты времени, потенциальные ямы перемещаются с одного пикселя на другой. Таким образом и создаётся эффект "пожарной бригады", описанный выше.


Так сложно это, или нет?

Четырехфазный процесс на самом деле прост, другое дело, что описать его словами бывает трудно.

В первый такт выключаются первый и второй электроды, и включаются третий и четвертый. Во второй такт включается первый электрод и выключается третий. Следом включается второй и выключается четвертый. На четвертом такте включается третий и выключается первый (в том числе и на следующем пикселе). Процесс затем повторяется вновь для передвижения заряда по сенсору.

Такая четырехфазная технология довольно популярна, так как при этом используется всего два слоя материала. Кроме того, компания Philips утверждает, что при таком решении используется, по крайней мере, половина зарядной емкости пикселя. К примеру, в трехфазовой архитектуре на хранение заряда отводится лишь 33 процента пикселя. Четырехфазная технология приводит и к большей емкости пикселя (общее число электронов, которые могут храниться в каждом пикселе, прежде чем он будет насыщен) по сравнению с устройствами с другими архитектурами.

ПЗС бывают четырёх типов: линейные (Linear), чересстрочные (Interline), полноформатные (Full-frame) и с покадровым переносом (Frame-Transfer).

Линейные ПЗС состоят из одной строчки пикселей. Для получения изображения ПЗС должна сосканировать каждую строчку изображения, последовательно выстраивая картину. Понятно, что в этом случае на получение изображения уйдет намного больше времени, чем если получать изображение сразу. Кроме того, в таких приборах понадобится дискретный электропривод, что ещё больше усложнит устройство системы и её эксплуатацию и может исказить изображение. Поэтому линейные ПЗС остались уже в прошлом, хотя некоторые до сих пор используются в планшетных сканерах и в сканерах цифровых камер.

Остальные ПЗС (чересстрочного, полноформатного типа и с покадровым переносом) относятся к матричным ПЗС - все они состоят из нескольких рядов и колонок, создающих прямоугольную матрицу.


Чересстрочные ПЗС

В чересстрочных ПЗС каждый пиксель обладает как фотоприемником, так и областью для накапливания заряда. Эта область возникает в результате загораживании части пикселя от света. Её используют только для переноса заряда. Такие затененные области образуют вертикальный канал для передачи заряда, при этом заряд поступает сверху вниз к горизонтальному регистру. Педанты бы сказали, что именно эта вертикальная затененная область в сенсорах и называется ПЗС, так как именно в ней происходит зарядовая связь. Чтобы выделить эту область от всего чипа (ПЗС сенсора), её часто называют ВПЗС - вертикальный прибор с зарядовой связью. Горизонтальный сдвиговый регистр часто называют ГПЗС. Чтобы не путаться, мы не будем использовать всю эту терминологию. Область, на которую падает свет, называется апертурой (aperture).

Чересстрочная развертка позволяет электрическому заряду пикселя быстро перемещаться на соседствующую затененную область, по которой он строчка за строчкой двигался бы к горизонтальному сдвиговому регистру. Такое быстрое перемещение заряда из светочувствительной области позволяет ей быстрее принимать следующую порцию фотонов. В цифровых камерах такая быстрая готовность апертуры пикселя принимать следующую порцию данных изображения позволяет получать видеоизображение. Минусом в такой технологии, безусловно, можно считать значительное уменьшение светочувствительной области. По этой причине ограничивается возможная плотность пикселей (пресловутое разрешение). Для обеспечения более высокого разрешения, в ПЗС функционируют микролинзы, позволяющие лучшим образом направлять фотоны в светочувствительные области. Кроме этого, сенсоры с такой архитектурой довольно сложны в производстве. Обычно, чересстрочные сенсоры используются в потребительских цифровых камерах.


Полноформатные ПЗС

В полноформатных ПЗС изображение получает целиком весь пиксель. Поэтому во время передачи заряда пиксель не должен принимать фотоны. Чтобы обеспечить этот процесс и предотвратить попадание фотонов на пиксель (чтобы изображение не было размазано), за объективом камеры находится механический затвор. Единственный случай, когда такой затвор оказывается ненужным - это съемка с контролированием выдержки и количества света внешними приборами - например, при студийном стробоскопическом источнике света. Так как у камер с полноформатным ПЗС разрешающая способность выше, такие матрицы используются в более дорогих устройствах более высокого класса.

ПЗС с покадровым переносом заряда

ПЗС этого типа очень похожи на полноформатные ПЗС, отличие заключается в том, что они отводят половину матрицы для временного хранения электрического заряда. Такая затененная область называется ещё "матрицей хранения" ("Storage array"). Как только заканчивается период интеграции и в светочувствительных областях накапливается заряд, он быстро перемещается в матрицу хранения. Такие матрицы могут работать без задержки на использование механического затвора, что обеспечивает им очень высокую скорость захвата изображения. Но заряд не полностью успевает переместиться в матрицу хранения до наступления следующего периода интеграции. Вследствие такой нахлестки изображение получается размытым. Еще одни минусом таких ПЗС является значительно больший размер (а, значит, и более высокая цена), так как на кристалле необходимо кроме светочувствительных элементов располагать и матрицу хранения. Поэтому в некоторых случаях лучше использовать чересстрочные сенсоры, которые могут выполнять одновременную съемку и передачу информации с минимальным размытием изображения.

Хотя фирм, производящих ПЗС матрицы очень мало, конкуренция на этом рынке развернулась очень жестокая. И своих покупателей фирмы привлекают именно различиями в сенсорах. Поэтому не удивительно, что каждая из этих фирм работает над изменением и улучшением имеющихся архитектур ПЗС. Приведем несколько примеров.

Супер ПЗС (Super CCD) от Fuji использует уникальную сотовую архитектуру, в которой применяются восьмиугольные пиксели. Таким образом, увеличивается рабочая поверхность кремния и увеличивается плотность пикселей (количество пикселей в ПЗС). Кроме этого, восьмиугольная форма пикселей увеличивает и площадь светочувствительной поверхности. По утверждениям Fuji, в такой архитектуре кроме всего прочего становится лучше соотношение сигнал/шум, а также улучшается динамический диапазон. Отметим всё же, что когда в прошлом году мы протестировали первую модель фотоаппарата Fujifilm 4700 с сенсором Super CCD, мы были крайне разочарованы качеством полученных фотографий. Но последние модели камер Fujifilm были разработаны специально под сенсор Super CCD. По нашему мнению, изображения получились четче, чем у других подобных устройств, и мы остались довольны качеством фотографий.


Построчные или чересстрочные ПЗС?

Данные считываются с сенсора одним из двух методов - прогрессивным или чересстрочным. Это очень напоминает типы развертки в видеотехнике. Методы отличаются порядком поступления колонок данных ПЗС на горизонтальный сдвиговый регистр.

В построчном (прогрессивном) режиме колонки считываются точно друг за другом - так, как они считывались с изображения. Чересстрочные ПЗС считывают сначала все четные колонки, а затем нечетные. После этого, они восстанавливаются уже в устройстве обработки изображений.

Чересстрочные ПЗС, содержащие более одного мегапикселя (как правило, такие ПЗС используются в сенсорах цифровых камер) обычно считывают колонки чересстрочным методом - здесь один ряд электродов управляет вертикальной передачей заряда из двух строчек пикселей.

В идеале было бы неплохо получить сенсоры с качеством изображения как у ПЗС и с интеллектом как у КМОП. На данном этапе развития технологий это не представляется возможным. Тем не менее, компании Kodak удалось создать чересстрочный ПЗС (с чипом KAI 2020), который производит некоторую обработку изображений непосредственно на чипе. Для этого на сенсор помещены формирователи тактовых импульсов - чтобы производить двукратный коррелированный семплинг (double correlated sampling). Компания не называет такой сенсор интеллектуальным - ведь аналого-цифровые преобразования, равно как и обработка изображений - все же прерогатива КМОП сенсоров. Тем не менее, он вычисляет значение темнового тока (тот уровень шумов, существующий даже когда свет не попадает на сенсор), и вычитает его из имеющегося изображения. Это популярный метод, используемый в КМОП сенсорах для нейтрализации шумов и артефактов. В настоящее время, KAI 2020 - единственный серийно производящийся сенсор, который не используется в цифровых камерах. Он нашел себе применение в автоматизированном контроле или в управлении трафиком.

Технология ПЗС с покадровым переносом ядра от Philips была названа архитектурой True Frame. Кроме Philips данной архитектурой пользовалась Sanyo. В этих сенсорах область хранения закрывалась от света металлическим слоем и могла хранить лишь пятую часть зарядной емкости пикселя. Технология использовалась только для предварительного просмотра изображения в видоискателе и для получения общей информации о сцене, чтобы можно было определить выдержку и другие настройки. Если камера находилась в режиме предварительного просмотра или в режиме отслеживания, электроны быстро перемещались в область хранения. При этом большая их часть (точнее сказать, четыре пятых) попадала на кремниевую подложку и пропадала там. Но когда камера находилась в режиме съемки, все электроны быстро считывались, и ни один не перемещался на область хранения. Считывание производилось последовательным методом, а не чересстрочным, поэтому такое устройство выигрывало в скорости. Тогда как обычный чересстрочный ПЗС считывал изображение со скоростью 5-10 кадров в секунду, сенсор Philips, созданный по технологии с покадровым переносом работал со скоростью 30-60 кадров в секунду. Это соответствует скорости видео. Однако если бы не было затвора, мы бы наблюдали размытое изображение - сенсор бы не успевал отдавать заряд до поступления новой порции фотонов.


Технология КМОП, в отличие от ПЗС, позволяет осуществлять большее количество операций прямо на чипе. Кроме высвобождения электронов и их передачи, КМОП сенсоры могут также обрабатывать изображения, выделять контуры изображения, уменьшать помехи и производить аналого-цифровые преобразования. Более того, производители могут создавать программируемые КМОП сенсоры, то есть можно создать очень гибкое многофункциональное устройство.

Такой набор функций на одном чипе - основное преимущество технологии КМОП над ПЗС. При этом также сокращается количество различных внешних компонентов. Использование в цифровой камере КМОП сенсора позволяет в оставшееся место устанавливать другие чипы - например, цифровые сигнальные процессоры DSP и аналого-цифровые преобразователи. А так как КМОП устройства потребляют меньше энергии по сравнению с ПЗС, то выделяется меньше тепла, следовательно, появляется меньше различных помех тепловой природы.


Активные пиксели

Бум КМОП технологий начался в начале 90-х, когда впервые лаборатория ракетных двигателей NASA (Jet Propulsion Laboratory - JPL) успешно внедрила активные пиксельные сенсоры (Active Pixel Sensors - APS). Идея витала в воздухе ещё давно, но воплотить её в жизнь получилось лишь в 1993 году. В этой технологии у каждого пикселя появлялся свой считывающий транзисторный усилитель (readout amplifier transistor), что позволяло преобразовывать заряд в напряжение непосредственно на пикселе. Кроме того, появилась возможность для произвольного доступа к каждому пикселю сенсора - подобно тому, как работает оперативное запоминающее устройство.

Считывание заряда с активных пикселей КМОП сенсора производится по параллельной схеме. Это позволяет считывать сигнал с каждого пикселя или колонки пикселей напрямую. Такой произвольный доступ позволяет КМОП сенсору считывать не всю матрицу целиком, а лишь некоторые области. Этот метод называется методом оконного считывания (window-of-interest, windowing readout). КМОП сенсор способен также уменьшить размер изображения. По сравнению с ПЗС при этом также увеличивается скорость считывания (в ПЗС весь заряд выходит через единственный сдвиговый регистр).

Усиливающие схемы могут быть расположены в любом месте чипа, а не только на светочувствительной области. Это позволяет создавать несколько каскадов усиления по всему сенсору. Так, например, в темных условиях усилители могут "вытягивать" изображение целиком, а в иных случаях могут усиливать лишь определенные цвета - для баланса белого или для специальных художественных эффектов.

Из-за добавления дополнительных схем на чип, у КМОП сенсоров появляется существенный недостаток - создаются помехи - это и транзисторные, и диодные рассеивания, и эффект остаточного заряда. Устранением таких помех исследователи занимаются уже довольно долго. Но при этом нельзя недооценить главное достоинство КМОП сенсоров - они позволяют непосредственно на чипе устранять шум теневого тока из заряда перед тем, как передать его с сенсора.

Разнообразие КМОП архитектур объясняется возможностью сенсоров выполнять большое число различных функций.


Да будет цвет!

Сенсоры - это устройства, определяющие лишь градации серого (градации интенсивности света - от полностью белого до полностью черного). Чтобы камера могла различать цвета, на кремний с помощью процесса фотолитографии накладывается массив цветных фильтров. В тех сенсорах, где используются микролинзы, фильтры помещаются между линзами и фотоприемником. В сканерах, где используются трилинейные ПЗС (рядом расположенные три ПЗС, реагирующие соответственно на красный, синий и зеленый цвета), или в high-end цифровых камерах, где также используются три сенсора, на каждый сенсор фильтруется свет своего определенного цвета. (Заметим, что в некоторых камерах с несколькими сенсорами используются комбинации нескольких цветов в фильтрах, а не три стандартных). Но для устройств с одним сенсором, каковыми является большинство потребительских цифровых фотоаппаратов, для обработки различных цветов используются массивы цветных фильтров (color filter arrays, CFA).


Для того чтобы каждому пикселю соответствовал свой основной цвет, над ним помещается фильтр соответствующего цвета. Фотоны, прежде чем попасть на пиксель, сначала проходят через фильтр, который пропускает только волны своего цвета. Света другой длины будет просто поглощаться фильтром. Ученые определили, что любой цвет в спектре можно получить смешением всего нескольких основных цветов. В модели RGB таких цвета три.

Для каждого применения разрабатываются свои массивы цветных фильтров. Но в большинстве сенсоров цифровых камер наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера (Bayer pattern). Эта технология была изобретена в 70-х компанией Kodak, когда проводились исследования в области пространственного разделения. В этой системе фильтры расположены вперемежку, в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие фильтры расположены между зелеными.

Такое количественное соотношение объясняется строением человеческого глаза - он более чувствителен к зеленому свету. А шахматный порядок обеспечивает одинаковые по цвету изображения независимо от того, как вы держите камеру (вертикально или горизонтально). При чтении информации с такого сенсора, цвета записываются последовательно в строчках. Первая строчка должна быть BGBGBG, следующая - GRGRGR и т.д. Такая технология называется последовательной RGB (sequential RGB).

В ПЗС камерах совмещение всех трех сигналов воедино происходит не на сенсоре, а в устройстве формирования изображения, уже после того, как сигнал преобразован из аналогового вида в цифровой. В КМОП сенсорах это совмещение может происходить непосредственно на чипе. В любом случае, первичные цвета каждого фильтра математически интерполируются с учетом цветов соседних фильтров. Заметим, что в любом изображении большинство точек - это смешение основных цветов, и лишь немногие действительно представляют чистый красный, синий или зеленый цвет.

Например, чтобы определить, влияние соседних пикселей на цвет центрального при линейной интерполяции будет обрабатываться матрица пикселей размером 3х3. Возьмем, к примеру, простейший случай - три пикселя - с синим, красным и синим фильтрами, расположены в одной строчке (BRB). Предположим, вы пытаетесь получить результирующее значение цвета красного пикселя. Если все цвета равноправны, то цвет центрального пикселя вычисляется математически как две части синего к одной части красного. На самом же деле, алгоритмы даже простой линейной интерполяции намного более сложны, они учитывают значения всех окружающих пикселей. Если интерполяция происходит плохо, то получаются зубцы на границах смены цветов (или появляются цветовые артефакты).

Отметим, что слово "разрешение" в области цифровой графики употребляется некорректно. Пуристы (или педанты - кому как больше нравится), знакомые с фотографией и оптикой, знают, что разрешение - это мера способности человеческого глаза или прибора различать отдельные линии на сетке разрешений, например, на сетке ISO, показанной ниже. Но в компьютерной индустрии принято разрешением называть количество пикселей, и раз уж так повелось, мы также последуем этой конвенции. Ведь даже разработчики называют разрешением количество пикселей в сенсоре.



Посчитаем?

Размер файла изображения зависит от количества пикселей (разрешения). Чем больше пикселей, тем больше файл. Например, изображение сенсоров стандарта VGA (640х480 или 307200 активных пикселей) будет занимать в несжатом виде около 900 килобайт. (307200 пикселей по 3 байта (R-G-B) = 921600 байт, что примерно равно 900 килобайтам) Изображение 16 MP сенсора будет занимать около 48 мегабайт.

Казалось бы, что такого - сосчитать количество пикселей в сенсоре, чтобы определить размер получающегося изображения. Тем не менее, производители камер представляют кучу разных цифр, и каждый раз утверждают, что это и есть истинное разрешение камеры.

В общее число пикселей входят все пиксели, физически существующие в сенсоре. Но активными считаются только те, которые участвуют в получении изображения. Около пяти процентов всех пикселей не будут участвовать в получении изображения. Это либо дефектные пиксели, либо пиксели, использующиеся камерой по другому назначению. Например, могут существовать маски для определения уровня темнового тока или для определения формата кадра.

Формат кадра - соотношения между шириной и высотой сенсора. В некоторых сенсорах, например, с разрешением 640х480, это соотношение равно 1,34:1, что соответствует формату кадра большинства компьютерных мониторов. Это означает, что изображения, созданные такими сенсорами, будут точно укладываться в экран монитора, без предварительного кадрирования. Во многих аппаратах формат кадра соответствует формату традиционной 35-милиметровой пленки, где соотношение равно 1:1,5. Это позволяет делать снимки стандартного размера и формы.


Интерполяция разрешения

Кроме оптического разрешения (реальная способность пикселей реагировать на фотоны), существует также разрешение, увеличенное программно-аппаратным комплексом, с помощью интерполирующих алгоритмов. Как и в интерполяции цветов, в интерполяции разрешения математически анализируются данные соседних пикселей. При этом в результате интерполяции создаются промежуточные значения. Такое "внедрение" новых данных может производиться довольно гладко, при этом интерполированные данные будут чем-то средними, между реальными оптическими данными. Но иногда при такой операции могут возникать различные помехи, артефакты, появляться искажения, в результате которых качество изображения лишь ухудшится. Поэтому многие пессимисты считают, что интерполяция разрешения - это вовсе не способ улучшения качества изображений, а лишь метод увеличения файлов. При выборе устройства обращайте внимание, какое разрешение указано. Не стоит сильно радоваться высокому интерполированному разрешению. (Оно помечается как interpolated или enhanced).

Ещё один процесс обработки изображения на программном уровне - это субдискретизация (Sub-sampling). По сути, это процесс, обратный интерполяции. Этот процесс производится на стадии обработки изображения, уже после того, как данные преобразованы из аналогового цифровой вид. При этом удаляются данные различных пикселей. В КМОП сенсорах эту операцию можно провести на самом чипе, временно отключив считывание определенных строчек пикселей, или считывая данные лишь с избранных пикселей.

Субдискретизация выполняет две функции. Во-первых, для уплотнения данных - чтобы хранить больше снимков в памяти определенного размера. Чем меньше количество пикселей, тем меньше получается размер файла, и тем больше снимков вы сможете уместить на карточке памяти или во внутренней памяти устройства и тем реже вам придется скачивать фотографии на компьютер или менять карточки памяти.

Вторая функция этого процесса - создание изображений определенного размера для определенных целей. Камеры с 2MP сенсором вполне по зубам сделать снимок стандартной фотографии размером 8х10 дюймов. Но если вы попытаетесь переслать такую фотографию по почте, то это заметно увеличит размер письма. Субдискретизация позволяет обработать изображение так, чтобы оно нормально смотрелось на мониторах ваших друзей (если не ставить целью детализацию) и при этом отправлялось достаточно быстро даже на машинах с медленным соединением.

Теперь, когда мы ознакомились с принципами работы сенсоров, знаем, как получается изображение, давайте заглянем несколько глубже и затронем более сложные ситуации, возникающие при цифровой фотографии.

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 слева вызвано излишком электронов.

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)


Горячо - холодно

При продолжительной работе любой цифровой фотоаппарат нагревается. Поэтому в профессиональных цифровых камерах сенсор активно охлаждается - либо с помощью конвекции, либо элементом Пельтье, либо вентиляторами. В high-end сенсорах, предназначенных для высокоточных научных и астрономических наблюдений, используется жидкостное охлаждение.

Интересный компромисс наблюдается в фотоаппаратах с ЖК видоискателями, крепящимися к камере на шарнирах. Это решение удобно и для пользователей - так проще наводить фотоаппарат, но самое главное - таким образом от сенсора отдаляется негативный шум и тепло от ЖК экрана, а соответственно снижается и темновой ток.

Ещё один способ сокращения темнового тока - технология синхронизации режимов накопления (Accumulation Mode Clocking, также эту технологию называют MultiPinned Phase - MPP). При этом с помощью изменения напряжения "дырки" (положительные заряды) передвигаются по поверхности кремния и притягивают "заблудшие" свободные электроны - так предотвращается появление теневого тока. Подобным образом работают и диоды с накоплением "дырок" (Hole Accumulation Diode - HAD), добавляющие еще один слой к пикселю, притягивающий дырки.

Различные производители вычисляют динамический диапазон немного по-разному. Но вообще принято считать, что динамический диапазон (в децибелах) равен количеству электронов, которое может хранить пиксель (емкость пикселя, или глубина пикселя), деленному на темновой ток и шумы при считывании (также выраженные количеством электронов)

Компания Philips Semiconductors вполне разумно утверждает, что нельзя говорить о динамическом диапазоне, не упоминая при этом температуры. Иначе нетрудно запутать потребителя, так как нельзя будет сравнить динамические диапазоны двух разных производителей в связи с разными методами их расчета. Однако все производители могут использовать значение динамического диапазона в децибелах для определения битовой глубины сенсора. Например, если динамический диапазон равен 72 дБ, это означает, что отношение полной зарядной емкости к помехам - около 4096, и 12-битный АЦП может точно обработать такой сигнал (2 в 12 степени - как раз равно 4096) .


Любимые формулы

Обратимся к формуле. Предположим, что полная зарядная емкость составляет 40960 электронов, пусть помехи будут составлять 10 электронов. Поделив первое число на второе, получим 4096. Десятичный логарифм означает, в какую степень нужно возвести число 10, чтобы получить число искомое значение (в нашем случае - 4096). Итак, вычислив логарифм, получим, что показатель степени равен 3,61236. Помножив его на 20, мы получим динамический диапазон в 72,25 дБ, что приближенно равно 72 дБ.

Идея заключается в семплировании выходного сигнала сенсора с помощью АЦП с глубиной 8, 10, 12 бит и так далее, при этом можно получить столько оттенков серого, сколько позволяет динамический диапазон сигнала. При 10-битном семплировании таких градаций будет 1024, а при 12-битном - 4096. Но если динамический диапазон сигнала составляет всего 60 дБ, что примерно соответствует значению полная зарядная емкость/шум = 1024, или двойке в десятой степени, использовать 12-битный АЦП, способный определить 4096 градаций - все равно, что стрелять из пушки по воробьям. А при сэмплировании такого сигнала с динамическим диапазоном 60 дБ с помощью 8-битного АЦП какие-то оттенки будут отброшены - с восемью битами можно указать лишь 256 градаций. Следовательно, 10-битный АЦП окажется в самый раз.

Чем меньше размер пикселя, тем меньше его зарядная емкость, следовательно, тем меньше будет его возможный динамический диапазон. С другой стороны, слишком большие пиксели (с большей зарядной емкостью) далеко не всегда означают больший динамический диапазон, если только не нейтрализованы помехи. Ведь больший размер пикселей означает увеличение вероятности возникновения различных помех, шумов и артефактов. (Помехи возникают при неправильной интерпретации изображения пикселем или группой пикселей, при этом изображение искажается, например, на синем небе появляются красные точки. Каким бы ни был источник помех, результат всегда одинаков - искажается изображение).

Отношение размера сенсора к числу пикселей также влияет на величину шума. Если вы будете плотнее располагать пиксели на сенсоре, то вам придется уменьшать их размер, соответственно увеличивается вероятность электрических помех, что снижает динамический диапазон. Именно поэтому в высококлассных камерах используются сенсоры большего размера. Соответственно увеличивается и цена.

Сенсорам сейчас уделяется особое внимание - множество лабораторий разрабатывают все новые и новые дизайны этих устройств. Конечно же, люди желают, чтобы фотоаппараты были дешевле. При этом они также требуют и высокого качества изображений. Поэтому новые архитектуры сенсоров должны обладать повышенной чувствительностью и меньшим уровнем помех - чтобы был выше динамический диапазон. При этом размер пикселей должен быть минимальным.


Упаковка сенсора

О корпусе стоит поговорить отдельно - ведь он составляет третью часть от стоимости всего сенсора. В настоящее время сенсоры помещаются на керамическую подложку, а сверху закрываются стеклом. Эта технология довольно дорога. Кроме этого, такие сенсоры занимают в камере немало места. Производители понимают, что для корпусов необходимы более дешевые материалы, а размер сенсоров должен быть меньше. Но материалов с соответствующими характеристиками крайне мало, а создавать новые - не так-то просто.

В ближайшее время должны появиться новые технологии сенсоров. Такими разработками параллельно занимается несколько различных лабораторий, и все они решают одни и те же проблемы, используя различные вариации ПЗС и КМОП сенсоров.

Например, MOSAD-чип (Multiplexed OverSample AID), разработанный JPL по технологии Amain Technology является гибридом КМОП/ПЗС чипа. Пиксель выдает уже оцифрованное значение, полученное с помощью семплирования с высокой частотой (oversampling) на АЦП. По существу, измеряется избыток электронов на пикселе, а не их общее количество. Если существует избыток, чип ставит единичку, в противном случае - нолик. Это и называется оцифрованным видом. При этом не учитываются градации яркости, изображение получается черно-белым, но компания утверждает, что при большом значении модуляции монитора (то есть когда происходит быстрое мерцание черного и белого цветов) человеческий глаз будет добавлять к черно-белому изображению оттенки серого (или оттенки цвета, если изображение цветное). Кроме того, по утверждениям компании, получившееся таким образом изображение будет равномерным, в отличие от изображений с неравномерными шумами от КМОП сенсоров.

Сенсоры компании Pixim (Pixim's Digital Pixel Sensor - CMOS DPS), разработанные в Стэнфордском университете (Stanford University), также считывают цифровые данные с каждого пикселя, используя параллельный АЦП на каждом пикселе. Компания утверждает, что при размещении АЦП в области формирования заряда постоянный шум практически устраняется. Кроме того, достигается большая скорость и меньшее потребление энергии по сравнению с традиционными КМОП сенсорами с активными пикселями.

Обе компании довольно молоды и их продукты пока что находятся лишь в стадии разработки. И что самое интересное, они не желают работать совместно, хотя и проводят исследования в одной области - считывании с пикселя цифрового сигнала. Явного преимущества какой-либо из них пока не наблюдается. Быть может, на смену этой технологии придут новые, а эта так и останется незамеченной.


Вот такой ширины

Размер пикселя и общий размер всего сенсора сильно влияют на стоимость камеры.

Чем больше светочувствительная область пикселя, тем больше света он может собрать и преобразовать в электроны. Но чем больше пиксели, тем больше места они занимают на сенсоре, тем меньше число пикселей на сенсоре и тем меньше разрешение камеры. С другой стороны, если меньший размер пикселей и увеличивает разрешение камеры, то их зарядная емкость снижается, что в свою очередь означает меньшую светочувствительность. Кроме того, увеличение количества пикселей в сенсоре может привести к возникновению помех.

Размер самого маленького на сегодняшний день ПЗС пикселя - 2,5 квадратных микрона. Но такие размеры больше подходят для цифровых видеокамер, а не для фотоаппаратов. Отметим, что на динамический диапазон влияет не только размер пикселя, но и его дизайн. Цифровой фотоаппарат должен обладать, по крайней мере, 10-битной глубиной цветопередачи, а это означает, что пиксели должны быть немногим больше, чем у существующих дизайнов. В настоящее время размер самых маленьких ПЗС пикселей для цифровых камер составляет 3,3 микрона, а в КМОП - около четырех микрон. Размер пикселей популярного сенсора Sony 3,3 MP составляет 3,45 микрона. Во многих бытовых цифровых аппаратах размер составляет в среднем 5 микрон. В новом ПЗС сенсоре Kodak 16,6 MP размер пикселя - 9 микрон, что обеспечивает ему больший динамический диапазон. Но такой сенсор отличается очень большим размером. В некоторых профессиональных сенсорах используются пиксели размером 12 микрон или даже больше.

Производители должны учитывать не только влияние размера пикселя на качество сенсора, но и количество чипов, которое можно вырезать из одной кремниевой пластины. Из одной 8'' кремниевой вафли компания Philips получает буквально тысячи 0,25'' VGA КМОП сенсоров. С другой стороны, из 6'' пластины Kodak получает только 5 16MP сенсоров размером 33,6 х 37,8 мм. При этом увеличивается пустой расход кремния. (Представьте пять квадратных или прямоугольных чипов в круге - поймете, почему такой большой расход).

К тому же, большой размер сенсора влечет также увеличение размера объектива, а следовательно и всей камеры. А чем больше объектив, тем дороже камера. Подводя итог, отметим, что на цену и на размер камеры влияют характеристики используемого сенсора - число и размер пикселей, светочувствительность и разрешение.


Немного о стандартизации

Большинство камер оснащены ручной настройкой светочувствительности, которую иногда называют ISO, а иногда усилением (gain).

Светочувствительность пленки измеряется числами, определенными Международной организацией по стандартизации ISO. Было бы логично оценивать чувствительность сенсоров по этой же шкале несмотря на различия в технологиях. На светочувствительность сенсора влияют квантовая эффективность и размер пикселя (его емкость).

Чем больше число ISO, тем выше светочувствительность пленки или сенсора. Часто его называют "скоростью" ISO пленки, - ведь на самом деле пленка или сенсор с большим числом может быстрее захватывать изображение при меньшем свете. Если число недостаточно велико для данного освещения, придется увеличивать выдержку. При этом изображение может размываться или увеличиваться количество помех.

Но часто, когда мы упоминаем эквивалент ISO у сенсора, на самом деле мы имеем в виду усиление - способность сенсора электронным образом усиливать сигнал. Также как в фотопленке при увеличении этого числа увеличивается и зернистость, в сенсорах увеличивается вероятность появления помех. Поэтому приходится искать компромисс между светочувствительностью и качеством изображения.

 
 
⇣ Содержание
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Материалы по теме
⇣ Комментарии
window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥