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.

Единственная ситуация, при которой преимущество структуры SuperCCD будет заметно, возможна лишь в том случае, когда изображение, формируемое объективом, содержит строго горизонтальные либо вертикальные линии, попадающие между строками либо столбцами "классической" матрицы. Да и в этом случае эти линии будут наполовину состоять из интерполированных точек.

Зато диагональные линии "классическая" матрица обнаружит, а SuperCCD пропустит, хотя как раз из них по большей части состоят реальные объекты. Однако тестовые таблицы, предназначенные для измерения разрешающей способности фотоаппаратов, содержат как раз таки сетки из горизонтальных и вертикальных линий. Кроме того, разработчики Fuji учитывали особенности восприятия человеческой зрительной системы, так как мозг более чётко воспринимает вертикальные и горизонтальные линии, составляющие объект. В конченом итоге Fuji выпустила оснащенную SuperCCD камеру FinePix 4700 с "файловым разрешением" 4,7 мегапиксела при реальном количестве элементов матрицы 2,3 мегапиксела. Следует отметить, что дополнительной причиной роста интереса к SuperCCD явилась задержка с выходом на рынок классических "прямоугольных" трехмегапиксельных матриц. Как только появились фотоаппараты, оснащенные такими сенсорами, выяснилось, что их реальное разрешение заметно выше, чем у камеры Fuji.

К концу 2001 года Fuji объявила о появлении третьего поколения матриц SuperCCD. Отличительной особенностью этого семейства является возможность суммировать заряды четырех соседних пикселей одного цвета, и за счет этого повышать эквивалентную чувствительность. Конечно же, разрешение кадра при этом уменьшается в два раза, как по вертикали, так и по горизонтали.

Очевидно, что вне зависимости от размещения и формы пикселов, истинное разрешение матрицы определяется исключительно количеством ее элементов. Ну а "восьмиугольные" матрицы могут похвастаться более высокой чувствительностью, но никак не "лишними мегапикселами". Пожалуй, наиболее убедительным доказательством данного тезиса является тот факт, что матрицы SuperCCD нашли своё применение исключительно в камерах Fuji, а у остальных производителей цифровой фототехники сенсоры данного типа спроса не вызвали.

С первых же дней цифровой фотографии выяснилось, что наиболее действенный вариант расширения динамического диапазона ПЗС-матрицы заключается в создании сенсора с "адаптивной" чувствительностью. Ведь при съёмке контрастных сцен, содержащих как яркие, так и тёмные объекты, при высокой чувствительности будет происходить постоянное переполнение "неглубоких" потенциальных ям, а при низкой чувствительности изображение будет неразличимо-тёмным. Поэтому при линейной зависимости чувствительности от интенсивности светового потока (количества упавших на светочувствительную поверхность пикселя фотонов в единицу времени) "ёмкость" потенциальной ямы должна быть относительно большой.

При больших габаритах сенсора, характерных для профессиональной и студийной техники, данное условие вполне достижимо. А вот любительская техника, в которой используются матрицы небольших размеров (максимум 2/3 дюйма по диагонали), не может похвастаться достаточными резервами для сохранения динамического диапазона при дальнейшем росте разрешения.

При "неглубокой" потенциальной яме зависимость чувствительности матрицы от интенсивности светового потока для каждого пиксела должна быть нелинейной. Это значит, что к моменту накопления ямой определённого уровня заряда ПЗС-элемент должен как бы переключиться в режим "насыщения" и уменьшить квантовый выход. Благодаря этому при "стандартной" потенциальной яме с обычной "ёмкостью" на снимке с достаточной степенью достоверности будут отображены как тени, так и яркие области. Казалось бы, идея вполне здравая, однако до недавнего времени воплощения в материале так и не получившая. Компания Fuji решила исправить это положение, выпустив в начале 2003 года четвёртое поколение сенсоров SuperCCD.

Новая линейка включала в себя как матрицы высокого разрешения (которые обозначались HR - High Resolution), так и модели с расширенным динамическим диапазоном (с индексом SR - Super Dynamic Range). Количество пикселей матрицы SR не впечатляло - при диагонали 1/1.7 дюйма не интерполированное разрешение составляло 2048x1536, то есть 3 мегапиксела, а максимальная чувствительность (без уменьшения разрешения, использованного в третьем поколении SuperCCD) - ISO 400. Для справки - матрицы SONY при тех же габаритах обеспечивали разрешение 2592x1944 (то есть 5 мегапикселов) при максимальной чувствительности ISO 800. Справедливости ради необходимо сказать, что на самом деле матрица Fuji состояла из 6 миллионов фотоэлементов, правда, их форма и расположение отличались от общепринятых.

Фактически каждый пиксел матрицы SuperCCD SR представлял собой пару фотоэлементов, "накрытых" общей микролинзой. В этой паре первый из элементов обладал небольшой светочувствительной областью, посему чувствительность у него была невысокой, а вероятность переполнения потенциальной ямы была минимальной. Второй элемент снабжался светочувствительной областью, площадь которой была в несколько раз больше, а чувствительность - значительно выше. Разумеется, заметно больше был и риск переполнения потенциальной ямы "крупногабаритного" элемента. После считывания данных матрицы сначала в усилитель, а затем в АЦП, оцифрованный снимок в памяти камеры обрабатывался микропроцессором. В процессе данной обработки данные о заряде ям "малого" и "большого" фотоэлементов пиксела суммировались, при этом за белый свет максимальной яркости принимался заряд, равный сумме предельных значений зарядов потенциальных ям обоих фотоэлементов. В итоге даже при переполнении ямы "крупногабаритного" фотоэлемента определённую часть полезной информации можно было снять с малого фотоэлемента. Считалось, что вместо яркой белой точки, наблюдаемой в матрицах классической конструкции, пиксель SuperCCD SR мог иметь вполне реальные значения цвета и яркости. Выяснилось, что так происходит далеко не всегда, а перед разработчиками возник целый ряд проблем.

Расположение светочувствительных элементов в матрице SuperCCD SR

При переходе к "двухэлементному" пикселу значительно усложняется задача борьбы с блюмингом. С одной стороны, при организации вертикального дренажа фотоэлементов с совершенно разной чувствительностью дренажный потенциал, прилагаемый на подложку, для каждого из элементов должен быть своим. В свою очередь, близкое расположение фотоэлементов допускает влияние более высокого дренажного потенциала на "чужую" яму, поэтому в подложку может "утечь" информационный заряд. В то же время при организации бокового дренажа размер "потерь" светочувствительной области будет в два раза выше, чем в матрице обычной конструкции.

Помимо дренажа, часть светочувствительной площади пиксела будет "съедена" дополнительными буферными регистрами, число которых вырастет вдвое. Следует помнить, что в матрицах с буферизацией строк светочувствительная область равняется лишь 30 процентам от общей площади сенсоров. Итак, при прочих равных параметрах чувствительность "двухэлементного" пиксела будет заметно меньше, чем у "классической" конструкции.

Известно, что, помимо теплового шума и темнового тока, в генерации шума фиксированного распределения принимают участие электроды матрицы, точнее несогласованность при подаче на них управляющих потенциалов. В матрицах SuperCCD SR их количество возрастёт вдвое, причём значения потенциалов (вследствие разницы в чувствительности и в размерах потенциальных ям) будут заметно отличаться друг от друга, что, в свою очередь, так же приведёт к росту шума фиксированного распределения.

Следует помнить также, что резервы по "углублению" потенциальной ямы фотоэлемента не безграничны, поэтому накопительная способность пиксела тоже связана с его линейными размерами. А это значит, что глубина обоих потенциальных ям "двухэлементного" пиксела даже в сумме будет заметно меньше, чем у обычного пиксела тех же габаритов.

Если свести описание матриц обычной структуры и SuperCCD SR к крайне упрощенному виду, то можно говорить о ведре (потенциальной яме), выставленном под дождь (поток фотонов). Причём в "двухэлементном" пикселе одно из вёдер ("малый" фотоэлемент) накрыто крышкой с отверстиями, которая замедляет процесс его заполнения.

Однако за счёт вышеперечисленных особенностей технологии производства ПЗС-матриц необходимо помнить, что у описанных вёдер толщина стенок (дренаж и буферный регистр) достигает порядка 70 процентов от общего объёма тары. Очевидно, что при ограничении площади, предназначенной для размещения ведер, одно ведро всегда будет собирать больший объём воды, чем пара.

По результатам эксплуатации фотоаппарата с новым сенсором, Fuji Finepix F700, выяснилось, что надежды разработчиков Fuji не оправдались. Новая модель зачастую выдавала сплошные белые пятна в тех областях снимка, в которых камерам с обычным сенсором удавалось зарегистрировать оттенки вполне определенного цвета. Причём в ряде случаев Finepix F700 уступала заведомо более дешевым фотоаппаратам вроде Canon PowerShot A70.

Впрочем, неудача разработчиков Fuji не значит, что нелинейный режим накопления заряда пиксела - не решаемая задача. Ещё раньше, чем Fuji, с ней справилась фирма FillFactory, занимающая одни из ведущих позиций по проектированию и разработке КМОП-матриц для студийных и профессиональных цифровых камер.

Для начала следует вспомнить, чем КМОП-матрицы отличаются от ПЗС-матриц. В КМОП-матрицах внутренний фотоэффект, обуславливающий превращение фотонов в электроны, протекает так же, как и в ПЗС-матрицах, только вот преобразование накопленного потенциальной ямой заряда в напряжение происходит непосредственно внутри пиксела. В результате есть возможность считать данные как всей матрицы, так и отдельных столбца, строки и даже элемента, отпадает необходимость во всех регистрах сдвига и управляющих микросхемах и заметно сокращается энергопотребление.

Однако присутствующие в каждом пикселе преобразователь заряд-напряжение и компоненты, предназначенные для считывания напряжения ("обвязка"), при обработке сигнала добавляют к нему помехи, именуемые электронным шумом. Причем для каждого элемента матрицы уровень электронного шума разный. Кроме того, "обвязка" размещается вокруг пикселя, что приводит к малой площади светочувствительного элемента, даже по сравнению с ПЗС-матрицами с буферизацией строк, поэтому чувствительность КМОП-матриц довольно скромная.

В итоге КМОП-сенсоры основного успеха достигли в профессиональных фотоаппаратах и студийных камерах. В данной технике, как уже было сказано выше, используются матрицы с большими габаритами, благодаря этому площадь светочувствительной области получается больше размеров "обвязки" каждого пикселя, а чувствительность достигает приемлемых значений.

Чтобы расширить динамический диапазон элементов КМОП-матрицы, разработчики FillFactory применили схему с нелинейным режимом накопления заряда. Для этого в "обвязку" пиксела в добавлен элемент, отслеживающий "объём заполнения" ямы. Как только уровень заряда достигает определённой величины, данный элемент "переключает" пиксел в режим, при котором интенсивность наполнения потенциальной ямы заметно ослаблена, а риск её переполнения заметно снижен.

Предложенное разработчиками FillFactory решение, обеспечивающее "адаптивную чувствительность", выглядит предпочтительнее, чем манипуляций с формой и размерами фотоэлементов. Так или иначе, только время в состоянии показать чья технология более перспективна. Как показывает пример со "слоёными" матрицами Foveon, любое инженерное решение вовсе не обязательно должно быть "оригинальным" и "доступным для понимания широким массам" - главное, чтобы оно давало реальный, а не придуманный маркетологами результат.

Дополнительные материалы

• Тенденции в цифровой фотографии. Часть 1 (Объективы)
• Тенденции в цифровой фотографии. Часть 2 (Вспышки)
• Тенденции в цифровой фотографии. Часть 3 (ПЗС-матрицы)