Издательский дом «Питер» — Электронный каталог. Матрица с обратной засветкой Оценка основных характеристик пзс матрицы

Компания Sony - мировой лидер в разработке и производстве ПЗС- и КМОП-матриц широкого применения, как для любительских фотоаппаратов и камер, так и для рынка профессионального и специализированного оборудования.

Общие сведения

Общий вид ПЗС-матрицы

Фоточувствительная ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрица (англ. CCD - charge-coupled device) - это прибор с переносом заряда, предназначенный для преобразования энергии оптического излучения в электрический сигнал, в котором зарядовые пакеты перемещаются к выходному устройству вследствие направленного перемещения потенциальных ям, и фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам. Преобразование осуществляется с помощью большого количества фотодиодов, расположенных в плоскости матрицы (так называемых пикселей). Отдельно взятый элемент чувствителен во всем видимом спектральном диапазоне, поэтому над фотодиодами цветных ПЗС-матриц используется светофильтр, который пропускает только один из трёх цветов: красного (Red) , зелёного (Green) , синего (Blue) или жёлтого (Yellow) , пурпурного (Magenta) , бирюзового (Cyan) . А в свою очередь в чёрно-белой ПЗС-матрице таких фильтров нет.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ПИКСЕЛЯ

Общий вид пикселя в разрезе

Пиксель состоит из p-подложки, покрытой прозрачным диэлектриком, на который нанесён светопропускающий электрод, формирующий потенциальную яму.

Над пикселем может присутствовать светофильтр (используется в цветных матрицах) и собирающая линза (используется в матрицах, где чувствительные элементы не полностью занимают поверхность).

На светопропускающий электрод, расположенный на поверхности кристалла, подан положительный потенциал. Свет, падающий на пиксель, проникает вглубь полупроводниковой структуры, образуя электрон-дырочную пару. Образовавшиеся электрон и дырка растаскиваются электрическим полем: электрон перемещаются в зону хранения носителей (потенциальную яму), а дырки перетекают в подложку.

Для пикселя присущи следующие характеристики:

Ёмкость потенциальной ямы - это количество электронов, которое способна вместить потенциальная яма.
Спектральная чувствительность пикселя - зависимость чувствительности (отношение величины фототока к величине светового потока) от длины волны излучения.
Квантовая эффективность (измеряется в процентах) - физическая величина, равная отношению числа фотонов, поглощение которых вызвало образование квазичастиц, к общему числу поглощённых фотонов. У современных ПЗС матриц этот показатель достигает 95%. Для сравнения, человеческий глаз имеет квантовую эффективность порядка 1%.
Динамический диапазон - отношение напряжения или тока насыщения к среднему квадратичному напряжению или току темнового шума. Измеряется в дБ.

УСТРОЙСТВО ПЗС-МАТРИЦЫ И ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА

Общий вид трёхфазного регистра сдвига

ПЗС-матрица разделена на строки, а в свою очередь каждая строка разбита на пиксели. Строки разделены между собой стоп слоями (p +), которые не допускают перетекания зарядов между ними. Для перемещения пакета данных используются параллельный, он же вертикальный (англ. VCCD) и последовательный, он же горизонтальный (англ. HCCD) регистры сдвига.

Простейший цикл работы трехфазного регистра сдвига начинается с того, что на первый затвор подается положительный потенциал, в результате чего образуется яма, заполненная образовавшимися электронами. Затем на второй затвор подадим потенциал, выше, чем на первом, вследствие чего под вторым затвором образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перетекут электроны из под первого затвора. Чтобы продолжить передвижение заряда следует уменьшить значение потенциала на втором затворе, и подать больший потенциал на третий. Электроны перетекают под третий затвор. Данный цикл продолжается от места накопления до непосредственно считывающего горизонтального резистора. Все электроды горизонтального и вертикального регистров сдвига образуют фазы (фаза 1, фаза 2 и фаза 3).

Классификация ПЗС-матриц по цветности:

Чёрно-белые
Цветные

Классификация ПЗС-матриц по архитектуре:

Зелёным цветом обозначены фоточувствительные ячейки, серым - непрозрачные области.

Для ПЗС-матрицы присущи следующие характеристики:

Эффективность передачи заряда - отношение количества электронов в заряде в конце пути по регистру сдвига к количеству в начале.
Коэффициент заполнения - отношение площади заполненной светочувствительными элементами к полной площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы.
Темновой ток - электрический ток, который протекает по фоточувствительному элементу, в отсутствие падающих фотонов.
Шум считывания - шум, возникающий в схемах преобразования и усиления выходного сигнала.

Матрицы с полнокадровым переносом (англ. full-frame).
	Преимущества: Простота технологического цикла; Возможность занять 100% поверхности светочувствительными элементами. Недостатки: Частота считывания ограничена скоростями работы последовательного и параллельного регистров сдвига. От этого же зависит интервал перекрытия матрицы затвором.
Матрицы с кадровым переносом. (англ. frame transfer).
	Преимущества: Возможность занять 100% поверхности светочувствительными элементами; Время считывания ниже, чем у матрицы с полнокадровым переносом; Смазывание меньше, чем в ПЗС-матрице с полнокадровым переносом; Имеет преимущество рабочего цикла по сравнению полнокадровой архитектурой: ПЗС-матрица с кадровым переносом всё время собирает фотоны. Недостатки: При считывании данных следует перекрывать затвором источник света, чтобы избежать появления эффекта смазывания; Увеличен путь перемещения заряда, что негативно сказывается на эффективности передачи заряда; Изготовление и производство данных матриц дороже, чем устройств с полнокадровым переносом.
Матрицы с межстрочным переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. Interline-transfer).
	Преимущества: Нет необходимости применять затвор; Отсутствует смазывание. Недостатки: Возможность заполнить поверхность чувствительными элементами не более чем на 50%. Скорость считывания ограничена скоростью работы регистра сдвига; Разрешающая способность ниже, чем у ПЗС-матриц с кадровым и полнокадровым переносом.
Матрицы со строчно-кадровым переносом или матрицы с буферизацией столбцов (англ. interline).
	Преимущества: Процессы накопления и переноса заряда пространственно разделены; Заряд из элементов накопления передаётся в закрытые от света ПЗС-матрицы регистры переноса; Перенос заряда всего изображения осуществляется за 1 такт; Отсутствует смазывание; Интервал между экспонированиями минимален и подходит для записи видео. Недостатки: Возможность заполнить поверхность чувствительными элементами не более чем на 50%; Разрешающая способность ниже, чем у ПЗС-матриц с кадровым и полнокадровым переносом; Увеличен путь перемещения заряда, что негативно сказывается на эффективности передачи заряда.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЗС-МАТРИЦ

	НАУЧНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ для спектроскопии; для микроскопии; для кристаллографии; для рентгеноскопии; для естественных наук; для биологических наук.
	КОСМИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ в телескопах; в звёздных датчиках; в спутниках слежения; при зондировании планет; бортовое и ручное оборудование экипажа.
	ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ для проверки качества сварных швов; для контроля равномерности окрашенных поверхностей; для исследования износостойкости механических изделий; для считывания штрих-кодов; для контроля качества упаковки продукции.
	ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ в жилых квартирах; в аэропортах; на строительных площадках; на рабочих местах; в «умных» камерах, распознающих лицо человека.
	ПРИМЕНЕНИЕ В ФОТОГРАФИРОВАНИИ в профессиональных фотоаппаратах; в любительских фотоаппаратах; в мобильных телефонах.
	МЕДИЦИНСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ в рентгеноскопии; в кардиологии; в маммографии; в стоматологии; в микрохирургии; в онкологии.
	АВТО-ДОРОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ для автоматического распознавания номерных знаков; для контроля скорости; для управления транспортным потоком; для пропуска на стоянку; в полицейских системах наблюдения.

Издание: Цифровые фотоаппараты. 2-е изд.

Глава 3
Электронно-оптические преобразователи

После прохождения оптики световой поток попадает на регистрирующий элемент - электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Как уже упоминалось, в основном в этих целях используются матрицы ПЗС - приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появляются даже на профессиональных моделях, подавляющее большинство фотоаппаратов оснащены именно ПЗС-матрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.

Общие принципы

Для того чтобы понять, каким образом свет преобразовывается в электрический заряд с помощью структуры с p-n-переходом, целесообразно вспомнить, как взаимодействует излучение с полупроводником.

Излучение, падающее на полупроводник, можно разделить на три части - одна отражается от поверхности, другая поглощается на определенной глубине, а третья проходит «навылет». Для устройств, преобразующих «фотоны в электроны», желательно, чтобы в объеме полупроводника поглощалась основная часть падающего излучения, так как отраженное от поверхности либо прошедшее «насквозь» излучение расходуется бесполезно. А при поглощении образуется пара электрон-дырка, если фотон взаимодействовал с атомом кристаллической решетки полупроводника, либо только электрон или дырка, если фотон взаимодействовал с атомами донорных или акцепторных примесей. Данные процессы поглощения называют внутренним фотоэффектом. Однако просто «выбить» электрон либо дырку из полупроводника недостаточно, необходимо его сохранить.

Поэтому в кремниевой подложке p-типа создаются каналы из полупроводника n-типа. Сверху наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона в слой кремния образуется электрон, который в итоге попадает в потенциальную яму, где и хранится. Чем больше фотонов попадает на поверхность (то есть чем интенсивнее световой поток, падающий на поверхность ЭОП), тем выше накапливаемый ямой заряд. Все, что требуется сделать, - считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Элемент ПЗС-матрицы

Для считывания фототоков пикселов используются устройства, называемые последовательными регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученная последовательность образует сигнал, который можно, например, подать на усилитель.

Таким устройством можно считать заряды строки, состоящей из ПЗС-элементов. Собственно, и сам последовательный регистр сдвига представляет собой строку ПЗС-элементов. А его функционирование основано на способности ПЗС к перемещению зарядов потенциальных ям. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод переноса (transfer gate), под который должен переместиться заряд потенциальной ямы. Количество «транзитных» электродов на каждый ПЗС-элемент регистра может варьироваться от 2 до 4, и именно в зависимости от этого количества регистр может называться двухфазным, трехфазным либо четырехфазным.

При перемещении заряды всех ПЗС-элементов регистра сдвигаются синхронно и, проходя последовательно под электродами переноса, оказываются в соседнем ПЗС-элементе. Тот заряд, которому ПЗС-элемента «не хватило», поступает на выход регистра, а затем - на усилитель.

В свою очередь, на вход последовательного регистра попадают заряды, являющиеся «лишними» для совокупности последовательных регистров, расположенных «перпендикулярно» по отношению к считывающему их фототок регистру. Эта совокупность называется параллельным регистром сдвига и в сочетании с последовательным регистром, подающим сигнал на усилитель, представляет собой собственно ПЗС-матрицу.

Функционирование составляющих ПЗС-матрицу «перпендикулярных» последовательных регистров, именуемых столбцами, строго синхронизировано - все заряды параллельного регистра за один его рабочий цикл смещаются одновременно, а самые «нижние» попадают на вход последовательного регистра. Очевидно, что последовательный регистр должен успеть «сбросить» на вход усилителя всю строку зарядов до очередного рабочего цикла параллельного регистра.

Рис. 3.2. Полнокадровая матрица

Поэтому используются дополнительные устройства: микросхемы, подающие потенциалы на электроды переноса как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, микросхема, синхронизирующая работу обоих регистров, а также тактовый генератор.

Описанный тип ЭОП является одним из первых и называется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix) (рис. 3.2). В своей работе он использует механический затвор фотоаппарата, который сначала открывает поверхность ПЗС-матрицы для экспонирования, а после того, как все пикселы накопили заряд (эквивалентный световому потоку, упавшему на них), снова за-крывает ЭОП от лучей света. Если этот затвор убрать, то при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к заряду каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame matrix smear).

Рис. 3.3. Матрица с буферизацией кадра

Скорость считывания кадра в такой схеме ограничено скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. А поскольку в любом случае требуется перекрытие светового потока с объектива до завершения процесса считывания, интервал между экспонированием тоже определяется скоростью считывания.

Несколько уменьшен интервал между экспонированием в матрицах с буферизацией кадра (frame-transfer CCD), правда, при этом падает скорость считывания (рис. 3.3). Для промежуточного хранения данных (буферизации) в этих устройствах используется покрытый непрозрачной (металлической) крышкой второй параллельный регистр сдвига с теми же количеством и размерностью строк.

Заряды из ячеек основной матрицы построчно перемещаются в буферный параллельный регистр, а затем считываются последовательным регистром сдвига, как и в полнокадровой матрице. В тот промежуток, пока происходит считывание данных из буферного параллельного регистра, матрица снова готова к экспонированию. Недостатком данной системы является более высокая стоимость, особенно если учесть, что кардинального увеличения скорости съемки при этом не происходит, да и от механического затвора не удается избавиться.

Чтобы максимально увеличить частоту смены кадров, необходимо предельно сжать интервал между экспонированием, поэтому для видеокамер была разработана система с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix) (рис. 3.4).

В матрицах этого типа, как и в сенсорах с буферизацией кадра, используется буферный параллельный регистр сдвига, накрытый непрозрачной (металлической) крышкой. Однако буферный столбец (последовательный регистр сдвига) подключается к «светочувствительному» столбцу не последовательно, а параллельно. Поэтому «светочувствительный» параллельный регистр за один рабочий цикл «сбрасывает» свои заряды буферному (то есть происходит перемещение зарядов не «сверху вниз», а «слева направо»), освобождая свои ямы для следующего экспонирования. А в это время буферный параллельный регистр переносит заряды по обычной схеме - «сверху вниз», к последовательному регистру сдвига матрицы.

Рис. 3.4. Матрица с буферизацией столбцов

Поскольку «сброс» зарядов в буферный регистр происходит очень быстро, потенциальные ямы светочувствительных элементов не переполняются, таким образом, нет необходимости за- крывать затвор. В то же время экспонирование занимает примерно тот же интервал времени, что и считывание зарядов из буферного параллельного регистра. В целом быстродействие такой системы позволяет обеспечить видеосигнал с приемлемой частотой кадров (от 30 кадров в секунду и выше).

Существует два типа схем с буферизацией столбцов. Если за один такт считываются все строки, то это матрица с прогрессивной разверткой (progressive scan). Если за первый такт считываются нечетные строки, а за второй - четные (или наоборот), то это матрица с чересстрочной разверткой (interlace scan). Следует отметить, что к настоящему моменту обозначение «сенсор с буферизацией столбцов» практически повсеместно вытеснено терминами «матрица с прогрессивной (или чересстрочной) разверткой».

Несмотря на наличие буферного регистра, матрицам с буферизацией столбцов не удалось избежать «размазывания» заряда (interline matrix smear). Причиной тому частичный дрейф электронов из потенциальных ям «светочувствительного» регистра в потенциальные ямы буфера. Чаще всего это происходит при предельных уровнях фототока, вызванных ярким освещением. Визуально это выражается в светлой вертикальной полоске, тянущейся сквозь «яркий» пиксел.

Чтобы избавиться от этого неприятного эффекта, «светочувствительный» и буферный столбцы изготавливают так, чтобы они располагались на большом расстоянии друг от друга. Конечно, это усложняет обмен зарядом, а также увеличивает временные затраты на данную операцию. Тем не менее вред, который наносит изображению «размазывание», не оставляет разработчикам выбора.

Схема с буферизацией столбцов также дает возможность реализации электронного затвора. Данное устройство позволяет, в принципе, обойтись без механического затвора и достичь сверхмалых (до 1/10 000 секунды) значений выдержки, особенно критичных для съемки быстротекущих процессов (спортивные состязания, природа и т. д.). Правда, для реализации электронного затвора необходима функция удаления избыточного заряда пиксела, речь о которой пойдет далее.

Однако система с буферизацией столбцов не лишена недостатков. В результате того, что часть площади матрицы занята регистрами сдвига, размер светочувствительной области каждого пиксела составляет лишь 30 % от его площади, в то время как у полнокадровой матрицы этот параметр равен 70 %. Поэтому производители вынуждены вносить в конструкцию матриц микролинзы, покрывающие пикселы целиком (рис. 3.5). Эти несложные оптические устройства концентрируют световой поток, падающий на всю поверхность элемента сенсора, на относительно небольшую светочувствительную область пиксела.

При применении микролинз удается гораздо эффективнее использовать световой поток, попадающий на поверхность ЭОП. Поэтому со временем этими устройствами стали оснащать и полнокадровые матрицы.

Рис. 3.5. Микролинзы

Однако у микролинз есть и свои минусы. Как любое оптическое устройство, они вносят свою долю искажений в регистрируемое изображение. На практике это выражается в том, что мельчайшие детали кадра теряют резкость, их края становятся более сглаженными.

Впрочем, у этого явления имеется и положительная сторона. Дело в том, что в ряде случаев изображение, формируемое объективом, содержит линии, размер и частота размещения которых совпадают с аналогичными характеристиками пикселов матрицы. В этом случае в кадре зачастую наблюдается ступенчатость (aliasing) - назначение пикселу определенного цвета, вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть, результатом чего являются рваные, зубцеобразные линии. Для решения этой проблемы в камерах с матрицами без микролинз используется дорогостоящий фильтр защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter), а ЭОП с микролинзами в таком фильтре не нуждается - в любом случае за это приходится расплачиваться некоторым снижением разрешающей способности сенсора.

Другим недостатком микролинз является то, что они отсекают значительное количество лучей света, попадающих на поверхность матрицы под крутым углом. В то же время при максимально открытой диафрагме доля таких лучей довольно большая, поэтому эффективность поглощения света матрицей (то, ради чего и открывали диафрагму) значительно сокращается.

Справедливости ради следует сказать, что падающие под крутым углом лучи в ряде случаев тоже создают проблемы. Входя в кремний одного пиксела, фотон с большой длиной волны, обладающий высокой проникающей способностью, может поглотиться материалом другого элемента матрицы, что в итоге приведет к искажению изображения. Для решения этой проблемы поверхность матрицы покрывается непрозрачной (например, металлической) «решеткой», в вырезах которой остаются только светочувствительные зоны пикселов.

Полнокадровые матрицы чаще встречаются в профессиональных камерах, а матрицы с буферизацией столбцов - в любительских фотоаппаратах.

Электроды из поликристаллического кремния частично рассеивают свет, уменьшая тем самым чувствительность ПЗС-элементов. До недавнего времени для специализированной съемки, требующей улучшенной восприимчивости ЭОП к синей и ультрафиолетовой части спектра, применялись матрицы с обратной засветкой, в которых свет проникал со стороны подложки (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Матрица с обратной засветкой

Для этого на высокопрецизионном оборудовании подложка шлифовалась до толщины 10–15 микрометров. Данная стадия обработки сильно удорожала стоимость матрицы, кроме того, устройства получались очень хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. При размещении светофильтров над индивидуальными ячейками ЭОП все действия по увеличению чувствительности теряют смысл, поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в студийных камерах, использующих сменные светофильтры.

Чувствительность

Чувствительность регистрирующего устройства, как было сказано в главе «Оптическая система», - это способность реагировать на свет. Для ПЗС-элемента под такой реакцией следует понимать генерацию заряда. А чувствительность ПЗС-матрицы является суммарной характеристикой и зависит от чувствительности каждого пиксела. При этом чувствительность ПЗС-матрицы зависит от двух параметров.

Во-первых, это интегральная чувствительность - отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания. Этот параметр позволяет оценить чувствительность сенсора в целом.
Во-вторых, это монохроматическая чувствительность - отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определенной длине волны. Совокупность значений монохроматической чувствительности составляет спектральную чувствительность - зависимость чувствительности от длины волны света. Спектральная чувствительность определяет способность сенсора корректно регистрировать оттенки определенного цвета.

Как следует из вышесказанного, единицы измерения и интегральной, и монохромной чувствительности отличаются от общепринятых в фототехнике. Именно поэтому производители цифровой фототехники в характеристиках изделия указывают эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы в единицах ISO. Для того чтобы определить эквивалентную чувствительность, достаточно знать освещенность объекта съемки, диафрагму и выдержку.

Итак, чувствительность матрицы определяется чувствительностью каждого ее пиксела. В свою очередь, чувствительность элемента ПЗС-матрицы зависит, во-первых, от площади светочувствительной области (fill factor), а во-вторых, от квантовой эффективности (quantum efficiency), на которую влияет ряд других параметров.

ПРИМЕЧАНИЕ

Квантовая эффективность - параметр регистрирующего свет устройства, характеризующий эффективность регистрации. Для ЭОП это отношение числа зарегистрированных носителей заряда (электронов либо дырок) к числу упавших на поверхность сенсора фотонов. В первую очередь следует упомянуть коэффициент отраже- ния - величину, отображающую долю тех фотонов, которые отразятся от поверхности сенсора. Чем больше коэффициент отражения, тем меньше процент фотонов, участвующих во внутреннем фотоэффекте.

Оставшиеся фотоны поглотятся, образуя носители заряда, однако часть из них «застрянет» у поверхности, а часть проникнет слишком глубоко в материал ПЗС-элемента, в обоих случаях не влияя на процесс формирования фототока. Глубина проникновения фотонов в полупроводник, именуемая коэффициентом поглощения, зависит как от материала полупроводника, так и от длины волны падающего света - «длинноволновые» частицы проникают гораздо глубже «коротковолновых». При создании ПЗС-элемента необходимо, чтобы для фотонов с длиной волны, соответствующей видимому излучению, коэффициент поглощения обеспечивал фотоэффект в зоне досягаемости потенциальной ямы.

Зачастую вместо квантовой эффективности используют термин квантовый выход (quantum yield), хотя на самом деле этот параметр отображает количество носителей заряда, образующихся при поглощении одного фотона. Хотя при поглощении фотонов основная масса носителей заряда все же попадает в потенциальную яму ПЗС-элемента, определенная часть электронов (или дырок) избегает «ловушки». В числителе формулы, описывающей квантовую эффективность, оказывается именно то количество носителей заряда, которое попало в потенциальную яму.

Еще одним важным параметром ПЗС-матрицы является порог чувствительности.

ПРИМЕЧАНИЕ

Порог чувствительности - параметр регистрирующего свет устройства, характеризующий минимальную величину светового сигнала, который может быть зарегистрирован. Чем меньше этот сигнал, тем выше порог чувствительности. Основным фактором, ограничивающим порог чувствительности, является темновой ток (dark current). Данный ток, являющийся результатом термоэлектронной эмиссии, возникает в ПЗС-элементе при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма, а «темновым» он называется потому, что складывается из электронов, попавших в яму при полном отсутствии светового потока. При малых световых потоках величина фототока близка к величине темнового тока, а порой и меньше.

Поскольку при увеличении температуры на 9 ?С наблюдается рост темнового тока в два раза, для подавления этой помехи применяют различные методы. Иногда проблему решают «в лоб». Чтобы уменьшить влияние температуры, используют различные схемы теплоотвода. В частности, иногда теплообменником служит металлический корпус камеры, в студийной фототехнике работают более сложные схемы.

Однако этот подход не применим к любительским камерам, ограниченным по весу и габаритам, поэтому для них разработан метод, подразумевающий использование «черных» пикселов (dark reference pixels) - столбцов и строк по краям матрицы, покрытых непрозрачным материалом. Усредненное значение заряда, снятого с «черных» пикселов, считается уровнем темнового тока. Разумеется, что при разных условиях эксплуатации (температура окружающей среды и самой камеры, ток аккумуляторов и т. д.), уровень темнового тока будет разным. Если брать его значение за «нулевую отметку», то можно определить истинный заряд «рабочих» пикселов матрицы.

При исключении влияния темнового тока основным фактором, ограничивающим порог чувствительности, становится тепловой шум (thermal noise), вызванный хаотичным движением носителей заряда внутри ПЗС-элемента даже при отсутствии потенциала на электродах. При съемке с «длинной» выдержкой блуждающие носители заряда постепенно накапливаются в потенциальной яме, искажая истинное значение фототока, причем их количество тем больше, чем «длиннее» выдержка.

В отличие от светочувствительности фотопленки, которая не может изменяться от кадра к кадру, чувствительность цифровой камеры может настраиваться индивидуально для каждого кадра. Делается это путем усиления сигнала на выходе с матрицы, такая процедура чем-то сродни повороту регулятора громкости радиоприемника. В результате получается более высокое значение эквивалентной чувствительности.

Таким образом, пользователь может испортить снимок разноцветными пикселами при помощи двух способов - либо повысив эквивалентную чувствительность, либо выбрав «длинную» выдержку. Справедливости ради стоит сказать, что при длительном экспонировании шум фиксированного распределения все-таки менее заметен, чем при усилении сигнала с матрицы. В целом повышение эквивалентной чувствительности следует использовать только в тех случаях, когда фотоаппарат оборудован функцией шумоподавления методом «темного кадра», при этом камера, создавая «маску», следит за соответствием не только выдержки, но и эквивалентной чувствительности.

Динамический диапазон

Чтобы сенсор мог работать и в сумерках, и на ярком солнце, от каждого пиксела требуется довольно емкая потенциальная яма. Эта яма, с одной стороны, должна удержать минимальное количество электронов при слабой освещенности, а с другой - вместить большой заряд, получаемый при попадании на сенсор мощного светового потока. Следует помнить также, что кадр может содержать как ярко освещенные участки, так и глубокие тени, и желательно, чтобы все их оттенки отображались на сформированном сенсором изображении.

Способность сенсора обеспечивать качественное изображение при разных условиях освещения и сильной контрастности объектов съемки называется динамическим диапазоном (рис. 3.7).

ПРИМЕЧАНИЕ

Динамический диапазон - величина, характеризующая способность ЭОП различать в изображении, отображаемом на его регистрирующей поверхности, самые темные тона от наиболее светлых. Чем шире динамический диапазон, тем большее количество оттенков будет присутствовать на снимке, а переходы между ними будут максимально соответствовать реальному изображению.

Рис. 3.7. Влияние динамического диапазона на качество кадра: а - широкий динамический диапазон, б - узкий динамический диапазон

Способность потенциальной ямы удерживать заряд определенной величины именуется глубиной потенциальной ямы (well depth), именно от этой характеристики зависит динамический диапазон сенсора.

Очевидно, что при съемке слабоосвещенных объектов на динамический диапазон влияет также порог чувствительности и, как следствие, величина темнового тока.

При создании сенсора перед разработчиками стоит задача минимизировать потери заряда ямы не только при его накоплении, но и при переносе, который сопровождается рассеиванием электронов, «отставших» от основной группы при ее перетекании под соседний электрод. Чем больше «отстающих», тем меньше эффективность переноса заряда (charge transfer efficiency), отображающая в процентах долю от исходного заряда, перенесенную в следующий пиксел матрицы.

В частности, если эффективность переноса составляет 98 %, то результат будет катастрофическим - при считывании заряда из центрального элемента матрицы с разрешением 1024 ??1024 до выхода сенсора доберется всего лишь (0,981024) ? 100 % = = 0,0000001 % от его начальной величины.

При большом разрешении эффективность переноса должна быть особенно высокой, так как «перетекание» заряда будет производиться особенно часто. Одновременно значительно увеличиваются временные затраты на считывание фототока, поскольку при большей скорости переноса сильно возрастают потери заряда.

Чтобы гарантировать разумные скорости считывания кадра, конструкция ПЗС-матрицы должна обеспечивать более глубокое расположение потенциальной ямы. При такой схеме количество «прилипших» к электродам переноса электронов значительно уменьшается, а эффективность переноса растет. Именно для расположения на большой глубине потенциальной ямы в конструкции ПЗС-элемента присутствует n-канал.

Если в матрице с разрешением 1024 ??1024 эффективность переноса заряда составляет 99,999 %, на выходе сенсора уровень заряда ПЗС-элемента составит 98,98 % от исходного. В сенсорах с более высоким разрешением требуется эффективность переноса заряда 99,99999 %, при этом полученный сигнал обеспечит динамический диапазон, для оцифровки которого необходим 10-битный АЦП (об оцифровке рассказано ниже).

Блюминг

Если количество электронов, образованных падающими на поверхность светочувствительного элемента фотонами, превышает максимальную глубину потенциальной ямы, заряд начинает «растекаться» по соседним элементам. При этом на фотографии наблюдаются белые пятна правильной формы, размер которых зависит от степени «засветки». Данное явление называется блюминг (от английского blooming - размывание).

Для предотвращения блюминга используется так называемый электронный дренаж (drain), обеспечивающий отвод избыточных электронов из потенциальной ямы. По методу реализации различают вертикальный и боковой дренаж - Vertical Overflow Drain (VOD) и Lateral Overflow Drain (LOD).

Рис. 3.8. Вертикальный электронный дренаж

Вертикальный дренаж осуществляется подачей потенциала на подложку ЭОП, причем его значение подбирается так, чтобы при достижении уровня переполнения «лишние» электроны стекали через подложку из потенциальной ямы (рис. 3.8). Побочный эффект - уменьшение глубины потенциальной ямы и, как следствие, сужение динамического диапазона светочувствительного элемента. Кроме того, данная система неприменима в матрицах с обратной засветкой.

При боковом дренаже сток электронов осуществляется в специальные шлюзы (gates) (рис. 3.9). В отличие от вертикального дренажа, глубина потенциальной ямы светочувствительного элемента при этом не меняется, но зато уменьшается светочувствительная площадь пиксела. Впрочем, применение микролинз несколько ослабляет данный негативный эффект.

Разумеется, использование дренажных устройств усложняет конструкцию ЭОП, однако вред изображению, наносимый блюмингом, значительно выше. Кроме того, без дренажа невозможна реализация электронного затвора.

Для удаления таких точек в большинстве современных камер служит специальное программное обеспечение. Его алгоритм сводится к поиску «залипших» пикселов и занесению их координат в служебную память фотоаппарата. В дальнейшем эти точки просто исключаются из процесса формирования изображения, а вместо них берется усредненное значение заряда соседних пикселов. При поиске «залипших» пикселов величина заряда каждого элемента матрицы сравнивается с эталонным значением, также хранящимся в служебной памяти камеры.

ПЗС или КМОП?

В КМОП-матрицах преобразование фотонов в заряд происходит таким же, как и в ПЗС-матрицах, образом. Отличие заключается в том, что преобразование заряда в напряжение посредством компонентов, именуемых обвязкой пиксела, осуществляется прямо внутри элемента матрицы.

ПРИМЕЧАНИЕ

КМОП - аббревиатура, обозначающая технологию производства микросхем - «комплиментарных структур металл-оксид-полупроводник» (CMOS - complementary metal oxide semiconductor). Подавляющее большинство микроэлектронных компонентов производятся по данной технологии. Для синхронизации применяются адресные шины столбцов и строк матрицы. При этом возможно считывание всей матрицы, столбца либо строки и даже отдельного элемента. Более того, отпадает необходимость в регистрах сдвига и управляющих микросхемах. Значительно сокращается также и энергопотребление.

В то время как процесс изготовления ЭОП на основе ПЗС достаточно сложен и требует специализированного оборудования, технология производства КМОП-матриц широко распространена. Практически любой завод радиоэлектронных изделий может в кратчайшие сроки наладить выпуск ЭОП такого типа. Этим определяется невысокая стоимость КМОП-сенсоров.

С момента появления КМОП-матрицы декларируются «наиболее перспективными ЭОП», однако ряд недостатков не позволяют этим устройствам полностью вытеснить ПЗС-сенсоры.

Во-первых, в каждом из элементов матрицы присутствуют преобразователь заряд-напряжение и компоненты, предназначенные для считывания напряжения. Как любые электронные устройства, эта обвязка при обработке сигнала добавляет к нему помехи, именуемые электронным шумом. Причем для каждого пиксела матрицы уровень электронного шума разный.

Второй минус КМОП-сенсоров вызван тем, что «обвязка» размещается вокруг пиксела, что приводит к малой площади (даже по сравнению с ПЗС-матрицами с буферизацией столбцов) светочувствительной области. Следствием этого является низкая чувствительность ЭОП данного типа.

Для борьбы с электронным шумом применяется технология «активных пикселов», разработанная агентством NASA. В матрицах, использующих эту технологию, напряжение, полученное после преобразования заряда, подается на вход усилителя, встроенного в каждый пиксел. Так снижается влияние электронного шума, подмешиваемого той частью «обвязки», которая отвечает за считывание сигнала. Однако при этом усложнение конструкции сенсора приводит к росту себестоимости и увеличению доли брака в производстве. Кроме того, сокращается и без того малая площадь светочувствительной области. Для увеличения чувствительности, как и в ПЗС-сенсорах с буферизацией столбцов, применяются микролинзы. Кроме того, непрерывно ведутся разработки по уменьшению размеров дополнительных компонентов.

Совокупность показателей КМОП-сенсоров является причиной того, что в любительских камерах они чаще встречаются в технике начального уровня - с невысоким разрешением, простой оптикой и, разумеется, привлекательной для покупателя ценой.

Основного успеха сенсоры данного типа достигли в профессиональных фотоаппаратах и студийных камерах. В этой технике используются матрицы с большими габаритами, поэтому площадь светочувствительной области значительно больше размеров «обвязки» каждого пиксела. Благодаря этому достигается высокая чувствительность сенсора. А чтобы расширить динамический диапазон, применяется ряд мер по уменьшению уровня электронного шума.

В целом, несмотря на стремительное завоевание КМОП-матрицами популярности среди профессиональной и студийной техники, вряд ли стоит надеяться на скорое исчезновение ПЗС-сенсоров из любительских фотокамер.

Размер матрицы
по диагонали

Порой среди характеристик фотоаппарата выделяется размер ПЗС-матрицы по диагонали, указываемый в дюймах. Это напрямую связано с размерами оптической системы - чем больше размеры ПЗС-матрицы, тем крупнее должен быть кадр, формируемый объективом. Чтобы достичь этого, требуется увеличить размеры оптических элементов и фокусное расстояние. Если же ПЗС-матрица все-таки больше изображения, генерируемого объективом, то в создании кадра используются не все элементы ЭОП, периферийные области матрицы оказываются невостребованными. Тем не менее в рекламных целях производители фотокамер не спешили уведомлять пользователей, что определенная доля мегапикселей оказывается «за кадром».

В профессиональных камерах, использующих стандартные объективы пленочных «зеркалок», чаще встречается обратная ситуация - когда создаваемая оптикой «картинка» больше ЭОП. Последнее вызвано тем, что размер матрицы, как правило, меньше кадра 35-мм фотопленки. Подробнее об этом, а также о коэффициенте фокусного расстояния будет рассказано в главе, посвященной профессиональным фотоаппаратам.

Размер матрицы влияет также на ее чувствительность. Чем больше площадь каждого элемента, тем больше света попадает на него, соответственно, возрастает чувствительность всего ЭОП. Большой размер пиксела подразумевает также «крупногабаритную» потенциальную яму, следовательно, - широкий динамический диапазон. Особенно это заметно в профессиональных моделях, ЭОП которых традиционно отличается большими габаритами, чувствительность достигает значений порядка ISO 6400 (!), а динамический диапазон требует АЦП с разрядностью 10–12-бит.

А вот в любительских камерах динамический диапазон довольствуется 8-10-битными АЦП, а чувствительность редко превышает ISO 800. Вызвано это особенностями конструкции данной техники. Дело в том, что у фирмы Sony практически нет конкурентов по части производства малогабаритных (1/3, 1/2 и 2/3 дюйма по диагонали) сенсоров для любительской техники. Чтобы добиться такого положения, разработчикам новых матриц высокого разрешения пришлось обеспечить почти полную совместимость с предыдущими моделями - как по габаритам, так и по интерфейсу. В результате производителям фототехники не приходилось заново создавать объектив и «электронную начинку» камеры.

Правда, при росте разрешения буферный регистр (а матрицы Sony изготовлены по схеме с буферизацией столбцов) начинает занимать все большую долю площади сенсора, в результате площадь светочувствительной области уменьшается (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Уменьшение светочувствительной области ПЗС-матрицы при росте разрешения

При уменьшении габаритов пиксела, в свою очередь, уменьшается и глубина потенциальной ямы, что не лучшим образом влияет на динамический диапазон сенсора.

Аналого-цифровой преобразователь

Получив сигнал с усилителя, его необходимо перевести в понятный микропроцессору камеры формат. Для этого используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

ПРИМЕЧАНИЕ

АЦП, аналого-цифровой преобразователь (analog to digital convertor, ADC) - устройство, преобразующее аналоговый сигнал в последовательность цифр. Основной характеристикой является разрядность - количество дискретных уровней сигнала, распознаваемых и кодируемых АЦП. Чтобы вычислить количество уровней, достаточно возвести 2 в степень разрядности. Например, разрядность 8 битов обозначает, что преобразователь в состоянии определить 28 уровней сигнала и отобразить их в виде 256 различных значений. Чем больше разрядность АЦП, тем (теоретически) большей глубины цвета (color depth) можно достигнуть.

ПРИМЕЧАНИЕ

Глубина цвета - разрядность обработки цвета, описывающая максимальное количество цветовых оттенков, которое можно воспроизвести. Обычно выражается в битах, а количество оттенков вычисляется так же, как и количество уровней сигнала АЦП. К примеру, при 24-битной глубине цвета можно получить 16 777 216 оттенков цвета. На практике глубина цвета кадра форматов JPEG либо TIFF, используемых при обработке и хранении изображений на компьютере, ограничена 24 битами (по 8 бит на каждый цветовой канал - синий, красный и зеленый). Так что применяемые в студийных, профессиональных и высококлассных любительских камерах АЦП с разрядностью 10, 12 и даже 16 бит (то есть глубиной цвета 30, 36 и 48 бит) на первый взгляд обладают некоторой избыточностью.

Дело в том, что динамический диапазон ЭОП в таких моделях достаточно широкий, и если фотоаппарат оборудован функцией сохранения кадра в нестандартном формате (30–48 битов), то при дальнейшей обработке на ПК есть возможность манипулировать с «лишними» битами. Поскольку неправильно рассчитанная экспозиция является наиболее распространенной (после неточной фокусировки) ошибкой, весьма кстати оказывается возможность ее корректировки с помощью «нижних» (в случае недодержки) либо «верхних» (при передержке) бит. Если же кадр был снят с правильными диафрагмой и выдержкой, то программное обеспечение в состоянии грамотно «сжать» 30–48 бит в стандартные 24. В этом случае народная мудрость: «много - не мало», абсолютно верна.

Однако следует помнить, что разрядность АЦП должна соответствовать динамическому диапазону ПЗС-матрицы. Понятно, что при узком динамическом диапазоне АЦП с большой разряд- ностью просто нечего будет распознавать. Поэтому фразы про «36-битный» и даже «48-битный» цвет, встречающиеся в описаниях большинства любительских фотоаппаратов, являются просто рекламой. Неплохим критерием, позволяющим определить истинность данных о глубине цвета, может служить размер матрицы по диагонали. Как показывает практика, даже 30-битный цвет требует как минимум матрицу с диагональю 2/3 дюйма.

Расчет цвета в ПЗС-матрицах

Поскольку ПЗС-элементы регистрируют яркость точек создаваемого объективом изображения, но никак не их цвет, используется цветовой синтез - процедура получения цветного снимка посредством обработки данных о каждом из основных цветов кадра.

ПРИМЕЧАНИЕ

Основные цвета - цвета оптических излучений или красителей, используемые для создания цветных изображений. Различают основные цвета аддитивного и субтрактивного синтеза, то есть со сложением и вычитанием цветов. Основные цвета аддитивного синтеза - цвета излучений. В трехцветном (RGB) аддитивном синтезе используются синий (blue - B), зеленый (green - G) и красный (red - R).

Такие основные цвета являются линейно независимыми, так как ни один из них нельзя получить оптическим смешением излучений двух других. Оптическим смешением синтезируют множество цветов, различающихся по цветовому тону, насыщенности и светлоте.

В субтрактивном синтезе используются цвета красителей. В ка-честве основных фигурируют голубой (cyan - C), пурпурный (magenta - M) и желтый (yellow - Y). Основной цвет субтрактивного синтеза называется дополнительным к основному цвету аддитивного синтеза, если красителем первого практически полностью поглощается излучение второго. Например, желтый цвет является дополнительным к синему, пурпурный - к зеленому, голубой (cyan) - к красному.

Аддитивный синтез является «родным» для компьютерных устройств, в первую очередь, для монитора. В нем изображение создается тремя лучами (RGB). А вот принтеры пользуются субтрактивным синтезом, причем в дополнение к CMY-цветам используется также черный, обозначаемый буквой K - blacK. Тео-ретически при смешивании голубого, пурпурного и желтого на белой бумаге в равной пропорции получается черный цвет. Однако в реальном технологическом процессе получение черного цвета путем смешивания трех основных цветов для бумаги неэффективно, поскольку невозможно произвести идеально чистые пурпурные, синие и желтые краски, поэтому цвет получается не чисто черным, а грязно-коричневым. Кроме того, на создание черного цвета с помощью модели CMY тратится в три раза больше краски. Поэтому при печати используется добавка дополнительного черного компонента цвета.

Следует помнить, что диапазон цветов, отображаемых с помощью цветовой модели CMY, меньше, чем множество цветов, генерируемых RGB-синтезом. Тем не менее обе модели применяются при формировании светофильтров для ПЗС-матриц. Данные светофильтры, располагаясь над светочувствительной областью каждого элемента сенсора, образуют своеобразную «мозаику» из пикселов. Поэтому, помимо терминов «чередование элементов» и «интерполяция цвета», часто используется определение «схема с мозаичным светофильтром» .

Рассмотрим, как формируется изображение с использованием так называемой Байеровской схемы размещения элементов. В ней применяется опорная группа из четырех элементов в форме квадрата, в которой светофильтры чередуются следующим образом - верхний ряд R–G, нижний ряд G–B. Однако последовательность эта чаще обозначается R–G–B–G (красный–зеленый–синий–зеленый), а использующая ее схема называется аддитивной Байеровской (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Расположение светофильтров в аддитивной Байеровской схеме

«Лишние» «зеленые» элементы служат для более точной передачи яркости и контрастности изображения, что объясняется двумя обстоятельствами: во-первых, восприимчивостью человеческого зрения именно к этому цвету, а во-вторых, тем, что спектральная чувствительность ПЗС-матриц максимальна как раз в «зеленой» области спектра (рис. 3.12).

В результате получается три «мозаики» - по одной для каждого из цветовых каналов. Сложив их вместе, получаем четвертую «мозаику», в которой половина точек будет зеленой, четверть синей, а четверть - красной (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Окончательная обработка изображения: а - изображение до обработки, б - изображение после обработки

Чтобы ликвидировать данный «эффект мозаики», необходимо восстановить истинный цвет во всех точках изображения. Для этого используется алгоритм интерполяции цвета, основная суть которого сводится к следующему. Например, там, где установлен пиксел с зеленым светофильтром, мы точно знаем только о яркости зеленого цвета. Но среди соседних точек есть пара синего и пара красного цвета, поэтому возможно определить среднее значение каждого из этих цветов, которые будут соответствовать нашему пикселу. Сложив их вместе с уже известной зеленой составляющей, получаем значение исходного цвета в данной точке.

Регулярная структура размещения элементов в некоторых случаях приводит к появлению муара. Возможность появления данного искажения зависит от сложности алгоритма, ответственного за расчет цвета. Если при расчете каждого пиксела используется сплайн-интерполяция с учетом элементов, расположенных на расстоянии 10 и более точек, вероятность возникновения муара очень мала. В идеале для расчета каждой точки желательно использовать информацию обо всех элементах матрицы данного цвета. Разумеется, что для таких интенсивных расчетов требуются высокопроизводительные микропроцессоры и сверхбольшие объемы ОЗУ.

Рис. 3.14. Модифицированные Байеровские схемы

Несколько меньших ресурсов требуют модифицированные Байе-ровские схемы, в которых опорная группа состоит не из четырех, а из 12 либо 24 пикселов (рис. 3.14). Такое псевдо-случайное расположение элементов обеспечивает меньшую склонность к «диагональному» муару, однако при восстановлении цвета программному обеспечению необходимо «помнить» схему размещения опорных групп. Вызвано это тем, что у некоторых «зеленых» пикселов окружение из пар «синих» и «красных» соседей организовано особым образом. Они не сгруппированы по вертикальной либо горизонтальной оси, а находятся «один слева, второй снизу» или же «один справа, другой сверху». В результате растет сложность вычислений и объем используемой памяти.

Следует также отметить, что некоторые производители фотоаппаратов используют субтрактивную Байеровскую схему, в которой применяется цветовая модель CMY (голубой–пурпурный–желтый) и CMYG (голубой–пурпурный–желтый–зеленый) (рис. 3.15). Использование «чужого» для субтрактивного синтеза зеленого цвета обусловлено теми же, что и в аддитивной схеме, причинами.

Рис. 3.15. Расположение светофильтров в субтрактивной Байеровской схеме

Впрочем, в аддитивной схеме зачастую также встречаются «посторонние» цвета, в частности, нередко половина «зеленых» элементов заменяются сине-зелеными, которые отличаются более темным оттенком, нежели голубой (cyan) цвет.

Чтобы понять причины появления субтрактивных схем, необходимо вспомнить, каким образом создаются светофильтры над пикселами. Тонкие пленки, наносимые на элементы матрицы, образуются CMY-красителями. Например, красный - комбинация пурпурного и желтого красителей, синий - пурпурного и голубого (cyan), зеленый - желтого и голубого. Используя только один слой красителя вместо двух, можно улучшить светопроницаемость светофильтра и повысить чувствительность матрицы. Основное препятствие на пути распространения схем CMY и CMYG - некоторая сложность расчета цвета. Достаточно вспомнить диапазон цветов, генерируемых аддитивным и субтрактивным синтезами - с помощью модели RGB оттенков генерируется больше.

Помимо нехватки данных о цвете (75 % для синей и красной составляющих снимка), при восстановлении полноцветного изображения дополнительная сложность вызвана тем, что спектральная чувствительность матрицы отнюдь не равномерна. Поскольку «синий» и «красный» диапазоны попадают на области спада спектральной чувствительности, наибольшие ошибки связаны с пикселами, оснащенными светофильтрами как раз этих цветов. Именно поэтому в шуме фиксированного распределения встречаются в основном синие и красные точки.

Баланс белого цвета

За исключением вышеперечисленных проблем, алгоритм интерполяции цвета справляется с задачей правильной цветопередачи. Однако существуют обстоятельства, затрудняющие этот процесс, в частности, отклонения цветовой температуры - величины, характеризующей спектральный состав излучения источника света.

ПРИМЕЧАНИЕ

Цветовая температура - температура абсолютно черного тела (то есть объекта, полностью поглощающего падающее на него излучение), при которой в его излучении превалирует свет с той или иной длиной волны. Указывается в кельвинах (К). Чем меньше цветовая температура, тем больше красноватых тонов содержится в спектре излучения. Для высокой цветовой температуры характерны синеватые оттенки.

Яркий солнечный свет воспринимается человеком как наиболее естественный. Как ни странно, свет, генерируемый лампами накаливания, кажется более «теплым», то есть содержит больше красных тонов, хотя его цветовая температура ниже. В то же время флуоресцентное освещение отличается избытком синих тонов и поэтому кажется «холодным», несмотря на то, что его цветовая температура выше.

В процессе фотографирования пользователь не замечает отклонений цветовой температуры, так как подсознательно «подстраи-вает» свое восприятие под условия съемки. Однако при просмотре кадров смещение цветов отчетливо проявляется - фотографии, отснятые внутри помещения, имеют уклон в сторону «теплых» либо «холодных» тонов (в зависимости от типа освещения).

Для сведения к минимуму этого негативного явления используется предварительная настройка баланса белого цвета.

ПРИМЕЧАНИЕ

Баланс белого - процедура, выполняемая встроенным программным обеспечением фотоаппарата при создании файла с изображением. Заключается в приведении цветовой гаммы снимка к наиболее естественному для человеческого зрения виду. В профессиональных камерах специальный датчик определяет среднюю длину волны света, попадающего в объектив (иногда этот датчик вынесен на переднюю стенку корпуса), и все дальнейшие расчеты цвета ведутся с учетом этого значения. В любительских камерах вычисляются средние значения для каждого из основных цветов при его максимальной, средней и минимальной яркости, затем выполняется необходимая корректировка.

В большинстве случаев автоматика камеры справляется с расчетом цветового баланса изображения. Однако в некоторых случаях требуется определенная «подсказка» со стороны пользователя, то есть корректировка баланса белого. Она заключается в том, что фотограф предварительно указывает условия съемки, а дальнейшие расчеты цветовой температуры предполагаемого источника света ведутся с учетом этих данных. Наиболее распространены следующие предустановленные значения:

«солнечно» (Sunny) - съемка на улице в ясный солнечный день;
«облачно» (Cloudy) - съемка на улице при облачной погоде (уменьшенный уровень ультрафиолетовых лучей по сравнению с предыдущим пунктом);
«лампы накаливания» (Incandescent) - съемка в помещении, освещение лампами накаливания;
«флуоресцентный свет» (Fluorescent) - съемка в помещении, освещение флуоресцентными лампами.

Альтернативный вариант, который чаще встречается в полупрофессиональных и профессиональных камерах, - указывание цветовой температуры источника освещения в кельвинах, как правило, от 3000 до 7500 К.

В ряде случаев используется ручная корректировка баланса белого, когда пользователь, включив ЖК-дисплей в режиме электронного видоискателя, с помощью управляющих кнопок «на глазок» настраивает цветовую гамму.

Однако при смешанном освещении, например съемке в помещении, освещаемом одновременно сквозь окна солнечными лучами и с потолка лампами накаливания, даже предустановленные значения не могут помочь. В таком случае для корректной цветопередачи некоторые камеры снабжены функцией баланса белого по эталону. При использовании этой функции пользователь наводит камеру на эталон белого, которым может служить обычный лист бумаги, и фиксирует это значение - либо выбором соответствующего пункта меню, либо нажатием специально выделенной кнопки камеры. Чаще всего эта функция применяется при съемке в студии, когда фотограф имеет достаточно времени на подготовку к фотографированию.

Еще одна полезная функция - серия для баланса белого - по-следовательность кадров, каждый из которых снят со своей цветовой температурой источника света. В чем-то эта функция похожа на эксповилку - пользователь указывает диапазон и шаг изменения цветовой температуры и затем выбирает из серии отснятых кадров тот, цветовая гамма которого выглядит наиболее естественной.

Интерполяция пикселов

Интересно, что в некоторых случаях при перемножении количества точек по горизонтали и вертикали, указанного для снимка, можно получить число, большее количества элементов ПЗС-матрицы. В данном случае имеет место обычный рекламный трюк. Когда качества матрицы не хватает на «полноценное» разрешение, оно достигается путем интерполяции разрешения - вставки столбцов и строк, полученных не путем регистрации реального изображения, а в результате математических расчетов. Разумеется, такое же «улучшение» снимка может быть достигнуто с помощью программного обеспечения для обработки изображения на компьютере. Поэтому всегда следует различать количество элементов ПЗС-матрицы и так называемое разрешение файла - о реальном качестве кадра можно судить только по первому значению.

Фирмой FujiFilm в 2000 году была разработана SuperCCD - ПЗС-матрица с элементами октагональной формы (в отличие от обычных сенсоров с прямоугольными пикселами) (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Расположение светочувствительных элементов и буферных регистров: а - в обычной матрице, б - в матрице SuperCCD

При этом каждые четыре пиксела (два зеленых, синий и красный) располагались как бы внутри квадрата, развернутого на 45?. Количество горизонтальных строк определялось пикселами в верхнем и нижнем углах квадрата, количество вертикальных - элементами в левом и правом углах (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Процесс обработки кадра в матрице SuperCCD

Поскольку в файле точки не могут так располагаться, требовалось программно «развернуть» каждый такой квадрат. В результате этой операции за счет дополнительных горизонтальных и вертикальных строк, образуемых точками в левом/правом и верхнем/нижнем углах квадрата, количество точек изображения удваивалось. После этого компанией FujiFilm была проведена обширная рекламная кампания, в процессе которой провозглашалось, что переход на новую матрицу позволит получать изображения с разрешением выше в 2 раза. Однако, поскольку дополнительные пикселы образуются на основе интерполяции, с таким же успехом подобную операцию можно провести и с обычной матрицей.

Возможна лишь единственная ситуация, при которой разрешение SuperCCD будет реально больше. Для этого детали изображения, созданного оптической системой, должны быть меньше расстояния между строками ЭОП. Кроме того, данные детали изображения должны попадать как раз между строками, то есть состоять из строго вертикальных и горизонтальных линий. В этом случае матрица FujiFilm за счет нестандартного расположения элементов может «уловить» промежуточные линии. Большинство тестовых изображений, рассчитанных на измерение разрешения камер, состоит как раз из таких линий, поэтому ожидаемый эффект наблюдался.

В то же время если эти же детали изображения будут ориентированы по диагонали, то обычная матрица их «увидит», а вот SuperCCD «пропустит». Причем большинство реальных объектов содержит как раз наклонные детали. Но человеческое зрение в первую очередь выделяет вертикальные и горизонтальные линии, и именно на эту особенность восприятия и было ориентировано расположение пикселов SuperCCD.

В определенном смысле качество кадра улучшалось - в первую очередь, за счет большего размера элементов реально возросла чувствительность. Однако фирмой FujiFilm анонсировалась модель FinePix 4700 с разрешением файла 4,7 мегапиксела, при этом количество элементов SuperCCD матрицы составляло 2,3 мегапиксела. Возникновение этой модели было своевременным, поскольку остальные производители задерживались с выпуском настоящих трехмегапиксельных камер. С появлением фотоаппаратов с ПЗС-матрицей из 3 мегапикселов стало возможным сравнить получаемые кадры. Выяснилось, что улучшение реальных, а не тестовых изображений по сравнению с «обычной» ПЗС-матрицей того же разрешения составляет 20–30 %, в то время как трехмегапиксельные камеры обеспечивали рост качества любых изображений в 1,5 раза.

ВНИМАНИЕ

Какими бы ни были форма и размещение элементов матрицы, ее настоящее разрешение зависит только от количества пикселов.

Многослойные матрицы

В феврале 2002 года фирма Foveon объявила о создании сенсора принципиально нового типа. Его появление должно было стать таким же технологическим прорывом, каким в свое время стала разработка ПЗС-матриц с маской Байера, так как в новой КМОП-матрице Foveon X3 светофильтры не используются в принципе.

Разделение изображения на основные цвета происходит за счет того, что коэффициент поглощения светового излучения зависит от его длины волны, поэтому фотоны «разного цвета» проникают в слой кремния на разную глубину. Например, «синие волны» обладают наименьшей проникающей способностью, а «красные» - наибольшей. В сенсоре Foveon светочувствительный элемент каждого пиксела состоит из трех слоев (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Структура матрицы Foveon X3

Толщина этих слоев рассчитана так, что они пропускают лучи с определенной длиной волны. При этом в самом нижнем слое поглощаются фотоны с «красной» длиной волны, в среднем регистрируются «зеленые» фотоны, а в самом верхнем - «синие». Образующиеся при этом электроны и «дырки» накапливаются в трех потенциальных ямах - по одной на каждый слой. Таким образом, для любого из пикселов матрицы есть данные по каждому из цветовых диапазонов. Это позволяет отказаться от схемы Байера и связанных с ней потерь данных о цвете.

Но как у каждой новой технологии, у этой схемы есть ряд недостатков. Вот лишь некоторые из них. Ранее было описано негативное влияние блюминга на качество кадра, а также сложности, возникающие при нейтрализации этого эффекта. В многослойных матрицах блюминг становится «трехмерным» - избыточный заряд может перетекать не только в соседние пикселы, но и в «чужие» слои. При этом вертикальный электронный дренаж практически невозможен, а реализация бокового дренажа приводит к значительному уменьшению площади светочувствительной области.

При съемке с максимально открытой диафрагмой увеличивается процент лучей, падающих на поверхность сенсора под большим углом. Даже в обычных матрицах данная проблема требует применения непрозрачной решетки либо микролинз. В многослойных ЭОП преломление света на стыке слоев матрицы может привести к проникновению в «чужой» слой фотонов, попавших в пиксел под большим углом.

Следует помнить, что при распределении фотонов по слоям часть их неизбежно будет поглощена при переходе из одного слоя в другой. В результате чувствительность матрицы ослабляется.

Однако предположим, что разработчикам каким-то образом удалось разрешить все вышеперечисленные проблемы. Означает ли это, что многослойные матрицы при этом раз и навсегда заменят сенсоры «классической» конструкции? Вряд ли.

При одинаковом разрешении и равных габаритах потенциальные ямы пикселов матриц, построенных по Байеровской схеме, всегда будут обладать большей глубиной, чем у «слоеных» сенсоров. Соответственно, шире будет и динамический диапазон. Человеческий глаз устроен таким образом, что яркость для него важнее, чем цвет. И если кадр идеален по цветопередаче, но все освещенные участки представляют собой белые пятна, а тени - черные, то такое изображение никто не назовет удачным снимком - ни профессионал, ни любитель.

Основные производители

В процессе эволюции разрешение цифровых фотокамер увеличилось в несколько раз. Поэтому большое количество производителей ЭОП, изделия которых использовались в ранних моделях фотоаппаратов, в итоге сильно сократилось. Кроме увеличения разрешения на процесс «естественного отбора» влияли и другие причины. Помимо уже рассмотренных характеристик (чувствительность, динамический диапазон и т. д.), для проектировщиков камеры важны также уровень энергопотребления ЭОП и совместимость с существующей элементной базой, а для производителя сенсора - процент брака и себестоимость устройств.

На данный момент можно выделить двух крупнейших производителей ПЗС-матриц для профессиональной и студийной техники - Eastman Kodak в США и Philips в Европе.

Заслугой разработчиков Kodak является внедрение бокового антиблюмингового дренажа в полнокадровых матрицах, позволившего значительно увеличить динамический диапазон ЭОП по сравнению с сенсорами, в которых был применен вертикальный дренаж. В матрицах, изготовленных по технологии BluePlus, электрод, расположенный над светочувствительной областью пиксела, изготавливался на основе оксида индия и диоксида олова. За счет этого значительно повышался коэффициент пропускания электрода, в итоге резко выросла чувствительность сенсора, особенно в традиционно «трудных» для ЭОП «синей» и «фиолетовой» областях спектра.

Всю продукцию Kodak можно разделить на три большие категории:

ПЗС-матрицы для студийной и профессиональной техники;
ПЗС-линейки для студийных сканирующих приставок к крупноформатным фотоаппаратам;
ПЗС-матрицы и КМОП-сенсоры для любительских фотокамер.

Сенсоры для любительских моделей используются, за редким исключением, только в фотоаппаратах Kodak. Зато матрицы, предназначенные для студийных камер, применяются практически всеми производителями этой категории. Последняя разработка фирмы - сенсор с разрешением 22 мегапиксела.

Голландским концерном Philips была сделана попытка минимизировать себестоимость ПЗС-матриц с помощью оригинальной технологии Building Block. При обычном производстве ПЗС-матрица высокого разрешения изготавливается единым блоком и при браке потери велики. Кроме того, максимальный размер ЭОП ограничивается возможностями оборудования. В противоположность этому, методика Building Block (буквально - кирпичи), разработанная Philips, основана на использовании «кирпичиков», состоящих из модулей размером 1000 ??1000 пикселов. Объединяя данные «кирпичики», можно построить сенсор практически неограниченного разрешения. При этом в случае обнаружения дефекта в одном из модулей его можно легко заменить. Таким образом, себестоимость изделия значительно ниже.

Наибольшей популярностью пользовалась шестимегапиксельная матрица FTF 3020 (36 ??24 мм), применявшаяся в большинстве моделей студийных камер. Из новых сенсоров перспективным считается 11-мегапиксельный ЭОП, тоже созданный по технологии Building Block. Его мегапиксельные «кирпичики» по габаритам меньше прежних модулей, поэтому размеры новой матрицы такие же, как и у шестимегапиксельной модели. Благодаря этому студийные фотоаппараты, использовавшие FTF 3020, легко можно оборудовать новым сенсором.

Среди поставщиков сенсоров для любительской техники лидируют японские фирмы FujiFilm и Sony. В конце 2001 года Fuji анонсировала SuperCCD третьего поколения. К отличительным особенностям этой матрицы относится возможность суммировать заряды четырех соседних пикселов одного цвета и за счет этого увеличивать чувствительность. Разумеется, что при этом разрешение кадра уменьшается в два раза как по вертикали, так и по горизонтали.

Четвертое поколение матриц SuperCCD, появившееся в начале 2003 года, помимо моделей с высоким разрешением (HR, High Resolution) включало в себя сенсоры с расширенным динамическим диапазоном (SR, Super Dynamic Range). В матрицах SuperCCD SR каждый пиксел под микролинзой содержал два светочувствительных элемента (каждый со своей потенциальной ямой) различной чувствительности. Элемент, у которого площадь светочувствительной области была больше, быстрее «переполнялся» и служил для регистрации слабоосвещенных деталей изображения. Меньший по площади элемент не так интенсивно реагировал на свет и предназначался для ярких объектов. Сумма предельных зарядов обеих ям представляла собой максимально освещенный пиксел. Поскольку меньший элемент обладал некоторой «инертностью», даже при переполнении ямы большего элемента существовала возможность получения полезной информации.

Однако недостатки схемы перевесили ее преимущества. В частности, «антиблюминговые» меры усложняются тем, что характеристики потенциалов ям большого и маленького элементов заметно различаются - так же, как и потенциалы вертикального дренажа. Элементы пиксела расположены тесно, поэтому высок риск «вытягивания» электронов из чужой ямы. В свою очередь, боковой дренаж в два раза увеличивает потери площади светочувствительной области.

Впрочем, даже при максимальной оптимизации дренажа особых преимуществ у двухэлементного пиксела нет. Ведь в любом случае суммарная глубина потенциальных ям обоих элементов меньше, чем глубина ямы обычного элемента, занимающего такую же площадь. Как показывает опыт тестирования фотоаппарата FujiFilm FinePix F700, снабженного матрицей SuperCCD SR, его динамический диапазон заметно уступает камерам, оснащенным сенсорами обычного типа.

Таким образом, основной особенностью матриц FujiFilm яв-ляются нестандартная форма и расположение элементов, в то же время реальных плюсов данные решения не продемонст- рировали. В результате матрицы этой фирмы, предназначен- ные для любительской техники, применяются только в фото- аппаратах FujiFilm. С другой стороны, ассортимент сенсоров SuperCCD довольно широк и включает в себя разработки как для профессиональной, так и для студийной техники, в частности модель с габаритами 52 x 37 мм и разрешением 20,8 мегапиксела.

Корпорация Sony с самого начала ориентировалась исключительно на рынок техники, предназначенной для массового потребителя. При этом разработчикам данной фирмы удалось внедрить ряд решений, благодаря которым качество кадров значительно улучшилось.

Одной из основных инноваций была технология HAD - Hole-Accumulation Diode. В матрицах HAD носителями информации о заряде пиксела были не электроны, а дырки. При этом отпадала необходимость в полисиликоновом электроде над светочувствительной частью пиксела и значительно увеличивалась чувствительность сенсора, особенно в коротковолновой части спектра. Кроме того, размещение поглощающего «дырки» слоя у поверхности матрицы уменьшало тепловой шум.

Чтобы уловить максимальное количество света, попадающего на микролинзу, разработчики Sony в матрице New Structure CCD использовали дополнительный оптический элемент. Расположенная непосредственно над светочувствительным элементом, внутренняя линза корректировала лучи, входящие под большими углами.

Ассортимент ПЗС-матриц Sony очень велик, причем с увеличением разрешения размер и интерфейсные разъемы сенсора не изменяются, что позволяет при разработке нового фотоаппарата использовать прежнюю оптику и корпус.

С появлением в модельном ряде матрицы ICX413 Sony заняла соответствующую нишу на рынке профессиональных камер. При диагонали 28,4 мм размеры сенсора (23,4 x 15,6 мм) соответствуют кадру пленки формата APS, поэтому он идеально подходит для использования в моделях, создаваемых на базе пленочных «зеркалок». В результате эту шестимегапиксельную матрицу выбрали Nikon и Pentax для своих профессиональных моделей D-100 и *ist D.

Значительных успехов в разработке КМОП-матриц для профессиональных камер добился концерн Canon. Размер сенсора был увеличен до габаритов кадра APS, в результате возросло отношение светочувствительной части пиксела к «обвязке» и, как следствие, значительно увеличилась чувствительность.

Кроме того, в состав компонентов каждого пиксела был включен своеобразный «фильтр», который замерял уровень электронного шума, генерируемого «обвязкой» в нерабочем состоянии (технология BASIS - BAse- Store-type Image Sensor). При съемке «фильтр» каждого элемента автоматически «вычитал» этот шум из сигнала, в результате влияние неравномерно распределенных по матрице электронных помех удалось снизить.

Вслед за Canon к самостоятельной разработке сенсоров приступил его вечный конкурент - концерн Nikon. Сенсор, изготовленный по технологии LBCAST (Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array), что переводится как «массив с расположенными бок о бок накопителем заряда и светочувствительным транзистором». В нем используются элементы JFET (Junction Field Effect Transistor), то есть полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом, в то время как в КМОП-матрицах применяются элементы MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) - полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник. В то же время ряд характеристик роднит новый сенсор именно с КМОП-матрицами, например возможность считывания данных отдельного пиксела и низкое энергопотребление. Есть и собственные отличительные черты, такие как отсутствие электронного затвора, низкий уровень шумов и очень высокая скорость считывания кадра. Благодаря двум последним особенностям новый сенсор нашел применение в профессиональной камере высшей категории Nikon D2H.

Лидирующие позиции в области разработки КМОП-матриц занимает бельгийская фирма FillFactory. Она была основана в 1999 году, но разработками КМОП-матриц занималась еще с 1987 года, будучи подразделением IMEC, Европейского независимого центра микроэлектронных технологий. В итоге в стенах FillFactory появился ряд интересных и эффективных решений, улучшивших показатели КМОП-сенсоров.

В первую очередь удалось значительно увеличить светочувствительную область пиксела. В обычных КМОП-матрицах фотоны «выбивают» электроны на всей поверхности пиксела. Только вот эти «фотоэлектроны» (термин ненаучный, но иногда в оптоэлектронике применяемый) притягиваются либо «обвязкой» (расположенной, кстати, на поверхности матрицы), либо подложкой сенсора. Поэтому «фотоэлектроны», генерируемые поверхностью вокруг светочувствительной области элемента (а это более 70 % всей площади пиксела), в процессе создания заряда никоим образом не участвуют.

Специалисты FillFactory предложили простое и гениальное решение.

Благодаря генерируемому электростатическому барьеру «фотоэлектроны», генерируемые под «обвязкой», не поглощаются ни «обвязкой», ни подложкой, а «всасываются» потенциальной ямой фотоэлемента. Процесс «всасывания» не столь уж и длителен (от 10 до 50 наносекунд), поэтому тепловой шум (обычно заметен при «длинных» выдержках на всех типах сенсоров) практически отсутствует. А вот чувствительность сенсора возрастает в несколько раз, при этом нет необходимости использовать матрицы больших габаритов. Следовательно, данная технология может быть использована и в любительской технике.

Динамический диапазон КМОП-сенсора можно расширить, используя еще одну из наработок FillFactory - нелинейный режим накопления заряда. Для реализации этого режима в «обвязку» пиксела добавлены элементы, которые при достижении определенного уровня заряда в потенциальной яме переключают пиксел в состояние «насыщения». В этом состоянии «фотоэлектроны» накапливаются в потенциальной яме менее интенсивно, уменьшая риск ее переполнения.

Благодаря данной методике происходит адаптивное сжатие динамического диапазона кадра - светлые участки не выглядят «засвеченными», а темные - «недодержанными». Кроме того, не нужна высокая разрядность АЦП, уменьшается также размер кадров.

Разработанные FillFactory КМОП-сенсоры нашли применение как в студийных (Leaf C-Most, Leaf Valeo), так и в профессиональных (Kodak DCS Pro 14n) фотоаппаратах. Возможно, что в недалеком будущем КМОП-матрицы этой фирмы будут использоваться и в любительской технике.

{lang: ‘ru’}

Продолжаю начатый в предыдущей публикации разговор об устройстве .

Одним из главных элементов цифрового фотоаппарата, отличающих его от фотоаппаратов пленочных является светочувствительный элемент, так называемый ЭОП или светочувствительная цифрового фотоаппарата . О матрицах фотоаппаратов уже говорилось , теперь же рассмотрим несколько подробнее устройство и принцип работы матрицы, хотя и достаточно поверхностно, чтобы не слишком утомлять читателя.

В настоящее время большинство цифровых фотоаппаратов оснащены ПЗС-матрицами.

ПЗС-матрица. Устройство. Принцип работы.

Рассмотрим в общих чертах устройство ПЗС- матрицы .

Полупроводники, как известно, делятся на полупроводники n-типа и p-типа. В полупроводнике n-типа имеется избыток свободных электронов, а в полупроводнике p-типа избыток положительных зарядов, «дырок» (а следовательно недостаток электронов). На взаимодействии таких двух типов полупроводников и основана вся микроэлектроника.

Так вот, элемент ПЗС-матрицы цифрового фотоаппарата устроен следующим образом. См. Рис.1:

Рис.1

Если не вдаваться в подробности, то ПЗС-элемент или прибор с зарядовой связью, в английской транскрипции: charge-coupled-device – CCD, представляет собой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) конденсатор. Он состоит из подложки p-типа - слоя кремния, изолятора из двуокиси кремния и пластин-электродов. При подаче на один из электродов положительного потенциала, под ним образуется зона обедненная основными носителями - дырками, т. к. они оттесняются электрическим полем от электрода вглубь подложки. Таким образом под данным электродом образуется потенциальная яма, т. е. энергетическая зона благоприятная для перемещения в нее неосновных носителей – электронов. В этой яме накапливается отрицательный заряд. Он может храниться в данной яме достаточно долго из-за отсутствия в ней дырок и, следовательно, причин для рекомбинации электронов.

В светочувствительных матрицах электродами являются пленки поликристаллического кремния, прозрачного в видимой области спектра.

Фотоны падающего на матрицу света попадают в кремниевую подложку, образуя в ней пару дырка-электрон. Дырки, как сказано выше смещаются вглубь подложки, а электроны накапливаются в потенциальной яме.

Накопившийся заряд пропорционален количеству фотонов падающих на элемент, т. е. интенсивности светового потока. Таким образом на матрице создается зарядовый рельеф, соответствующий оптическому изображению.

Перемещение зарядов в ПЗС-матрице.

В каждом ПЗС-элементе имеется несколько электродов, на которые подаются разные потенциалы.

При подаче на соседний электрод (см. рис. 3) потенциала, большего, чем на данном электроде, под ним образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перемещается заряд из первой потенциальной ямы. Таким образом заряд может перемещаться из одной ПЗС-ячейки в другую. Показанный на рис.3 ПЗС-элемент называется трехфазным, бывают еще и 4-х фазные элементы.

Рис.4. Схема работы трехфазного прибора с зарядовой связью – сдвигового регистра.

Для преобразования зарядов в импульсы тока (фототока) используются последовательные регистры сдвига (см. рис.4). Такой регистр сдвига и является строкой ПЗС-элементов. Амплитуда импульсов тока пропорциональна величине передаваемого заряда, и пропорциональна,таким образом, падающему световому потоку. Последовательность импульсов тока, образующихся при считывании последовательности зарядов, затем подается на вход усилителя.

Линейки близко расположенных друг к другу ПЗС-элементов объединяются в ПЗС-матрицу . Работа такой матрицы основывается на создании и передаче локального заряда в потенциальных ямах, создаваемых электрическим полем.

Рис.5.

Заряды всех ПЗС-элементов регистра синхронно перемещаются в соседние ПЗС-элементы. Заряд, который находился в последней ячейке, поступает на выход из регистра, а затем подается на вход усилителя.

На вход последовательного регистра сдвига подаются заряды перпендикулярно расположенных регистров сдвига, которые в совокупности называются параллельным регистром сдвига. Параллельный и последовательный регистры сдвига и составляют ПЗС-матрицу (см. рис.4).

Перпендикулярные к последовательному регистру сдвиговые регистры носят название столбцов.

Перемещение зарядов параллельного регистра строго синхронизовано. Все заряды одной строки смещаются одновременно в соседнюю. Заряды последней строки попадают в последовательный регистр. Таким образом за один рабочий цикл строка зарядов из параллельного регистра попадает на вход последовательного, освобождая место для вновь образуемых зарядов.

Работа последовательного и параллельного регистров синхронизуется тактовым генератором. В состав матрицы цифрового фотоаппарата также входит микросхема, подающая потенциалы на электроды переноса регистров и управляющая их работой.

ЭОП такого типа носит название полнокадровой матрицы (full-frame CCD-matrix). Для его работы необходимо наличие светонепроницаемой крышки, которая сначала открывает ЭОП для экспонирования светом, затем, когда на него попало количество фотонов, необходимое для накопления достаточного заряда в элементах матрицы, закрывает его от света. Такая крышка является механическим затвором, как в пленочных фотоаппаратах. Отсутствие такого затвора приводит к тому, что при перемещении зарядов в сдвиговом регистре ячейки продолжают облучаться светом, добавляя к заряду каждого пиксела лишние электроны, не соответствующие световому потоку данной точки. Это приводит к «размазыванию» заряда, соответственно к искажению получаемого изображения.

Впервые принцип ПЗС с идеей сохранять и затем считывать электронные заряды был разработан двумя инженерами корпорации BELL в конце 60-х годов в ходе поиска новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на ферритовых кольцах (да – да, была и такая память). Эта идея оказалась бесперспективной, но способность кремния реагировать на видимый спектр излучения была замечена и мысль использовать этот принцип для обработки изображений получила своё развитие.

Начнем с расшифровки термина.

Аббревиатура ПЗС означает "Приборы с Зарядовой Связью" - этот термин образовался от английского "Сharge-Сoupled Devices" (CCD).

Данный тип приборов в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. В быту это цифровые фотоаппараты, видеокамеры, различные сканеры.

Что же отличает ПЗС-приемник от обычного полупроводникового фотодиода, имеющего светочувствительную площадку и два электрических контакта для съема электрического сигнала?

Во-первых , таких светочувствительных площадок (часто их называют пикселами - элементами, принимающими свет и преобразующими его в электрические заряды) в ПЗС-приемнике очень много, от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч и даже нескольких миллионов. Размеры отдельных пикселов одинаковы и могут быть от единиц до десятков микрон. Пиксели могут быть выстроены в один ряд - тогда приемник называется ПЗС-линейкой, или ровными рядами заполнять участок поверхности - тогда приемник называют ПЗС-матрицей.

Раcположение светоприемных элементов (прямоугольники синего цвета) в ПЗС-линейке и ПЗС-матрице.

Во-вторых , в ПЗС-приёмнике, внешне похожем на обычную микросхему, нет огромного числа электрических контактов для вывода электрических сигналов, которые, казалось бы, должны идти от каждого светоприемного элемента. Зато к ПЗС-приемнику подключается электронная схема, которая позволяет извлекать с каждого светочувствительного элемента электрический сигнал, пропорциональный его засветке.

Действие ПЗС можно описать следующим образом: каждый светочувствительный элемент - пиксель - работает как копилка для электронов. Электроны возникают в пикселях под действием света, пришедшего от источника. В течение заданного интервала времени каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света, как ведро, выставленное на улицу во время дождя. По окончании этого времени электрические заряды, накопленные каждым пикселем, по очереди передаются на "выход" прибора и измеряются. Все это возможно за счет определенной структуры кристалла, где размещаются светочувствительные элементы, и электрической схемы управления.

Практически точно так же работает и ПЗС-матрица. После экспонирования (засветки проецируемым изображением) электронная схема управления прибором подаёт на него сложный набор импульсных напряжений, которые начинают сдвигать столбцы с накопленными в пикселях электронами к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный ПЗС-регистр, заряды в котором сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем сигналы, пропорциональные отдельным зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и сообразить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.

Кратко о физике процесса.

Для начала отметим, что ПЗС относятся к изделиям так называемой функциональной электроники, Их нельзя представить как совокупность отдельных радиоэлементов - транзисторов, сопротивлений и конденсаторов. В основе работы лежит принцип зарядовой связи. Принцип зарядовой связи использует два известных из электростатики положения:

одноимённые заряды отталкиваются,
заряды стремятся расположиться там, где их потенциальная энергия минимальна. Т.е. грубо – «рыба ищет там, где глубже».

Для начала представим себе МОП-конденсатор (МОП - сокращение от слов металл-окисел- полупроводник). Это то, что остаётся от МОП-транзистора, если убрать из него сток и исток, то есть просто электрод, отделённый от кремния слоем диэлектрика. Для определённости будем считать, что полупроводник - p-типа, т. е. концентрация дырок в равновесных условиях много (на несколько порядков) больше, чем электронов. В электрофизике «дыркой» называют заряд, обратный заряду электрона, т.е. положительный заряд.

Что будет, если на такой электрод (его называют затвором) подать положительный потенциал? Электрическое поле, создаваемое затвором, проникая в кремний сквозь диэлектрик, отталкивает подвижные дырки; возникает обеднённая область - некоторый объём кремния, свободный от основных носителей. При параметрах полупроводниковых подложек, типичных для ПЗС, глубина этой области составляет около 5 мкм. Напротив, электроны, возникшие здесь под действием света, притянутся к затвору и будут накапливаться на границе раздела окисел-кремний непосредственно под затвором, т. е. сваливаются в потенциальную яму (рис. 1).

Рис. 1
Образование потенциальной ямы при приложении напряжения к затвору

При этом электроны по мере накопления в яме частично нейтрализуют электрическое поле, создаваемое в полупроводнике затвором, и в конце концов могут полностью его скомпенсировать, так что всё электрическое поле будет падать только на диэлектрике, и всё вернётся в исходное состояние - за тем исключением, что на границе раздела образуется тонкий слой электронов.

Пусть теперь рядом с затвором расположен ещё один затвор, и на него тоже подан положительный потенциал, причём больший, чем на первый (рис. 2). Если только затворы расположены достаточно близко, их потенциальные ямы объединяются, и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если она «глубже».
Рис. 2
Перекрытие потенциальных ям двух близко расположенных затворов. Заряд перетекает в то место, где потенциальная яма глубже.

Теперь уже должно быть ясно, что если мы имеем цепочку затворов, то можно, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, передавать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры. Замечательное свойство ПЗС - свойство самосканирования - состоит в том, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трёх тактовых шин. (Термин шина в электронике - проводник электрического тока, соединящиий однотипные элементы, тактовая шина - проводники по которым передается смещенное по фазе напряжение.) Действительно, для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно трёх электродов: одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга, причём одноимённые электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (рис. 3).

Рис. 3
Простейший трёхфазный ПЗС-регистр.
Заряд в каждой потенциальной яме разный.

Это и есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС. Тактовые диаграммы работы такого регистра показаны на рис. 4.

Рис. 4
Тактовые диаграммы управления трёхфазным регистром -- это три меандра, сдвинутые на 120 градусов.
При смене потенциалов происходит передвижение зарядов.

Видно, что для его нормальной работы в каждый момент времени, по крайней мере, на одной тактовой шине должен присутствовать высокий потенциал, и, по крайней мере, на одной - низкий потенциал (потенциал барьера). При повышении потенциала на одной шине и понижении его на другой (предыдущей) происходит одновременная передача всех зарядовых пакетов под соседние затворы, и за полный цикл (один такт на каждой фазной шине) происходит передача (сдвиг) зарядовых пакетов на один элемент регистра.

Для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении формируются так называемые стоп-каналы - узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса (рис. 5).

Рис. 5.
Вид на регистр "сверху".
Канал переноса в боковом направлении ограничивается стоп-каналами.

Дело в том, что от концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обеднённая область (этот параметр есть не что иное, как пороговое напряжение МОП-структуры). Из интуитивных соображений понятно, что чем больше концентрация примеси, т. е. чем больше дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь, т. е. тем выше пороговое напряжение или же, при одном напряжении, тем ниже потенциал в потенциальной яме.

Проблемы

Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла.

Итог

Разные пикселы ПЗС матрицы технологически имеют разную чувствительность к свету и эту разницу необходимо корректировать.

В цифровых КМА эта коррекция называется системой Auto Gain Control (AGC)

Как работает система AGC

Для простоты рассмотрения не будем брать что-то конкретное. Предположим, что на выходе АЦП узла ПЗС есть некие потенциальные уровни. Предположим, что 60 - средний уровень белого.

Для каждого пикселя линейки ПЗС считывается значение при освещении его эталонным белым светом (а в более серьезных аппаратах – и считывание «уровня черного»).
Значение сравнивается с опорным уровнем (например, средним).
Разница между выходным значением и опорным уровнем запоминается для каждого пиксела.
В дальнейшем, при сканировании эта разница компенсируется для каждого пиксела.

Инициализация системы AGC производится каждый раз при инициализации системы сканера. Наверное, вы замечали, что при включении машины через какое-то время каретка сканера начинает совершать поступательно-возвратные движения (елозить у ч/б полоски). Это и есть процесс инициализации системы AGC. Система так же учитывает и состояние лампы (старение).

Так же Вы наверняка обращали внимание, что малые МФУ, снабженные цветным сканером, «зажигают лампу» тремя цветами по очереди: красным, синим и зеленым. Затем только подсветка оригинала зажигается белым. Это сделано для лучшей коррекции чувствительности матрицы раздельно по каналам RGB.

Тест полутонов (SHADING TEST) позволяет инициировать эту процедуру по желанию инженера и привести значения корректировки к реальным условиям.

Попробуем рассмотреть все это на реальной, «боевой» машине. За основу возьмем широкоизвестный и популярный аппарат SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Необходимо отметить, что в нашем случае CCD становится CIS (Contact Image Sensor), но суть происходящего в корне от этого не меняется. Просто в качестве источника света используются линейки светодиодов.

Итак:

Сигнал изображения от CIS имеет уровень около 1,2 В и поступает на АЦП-секцию (САЦП) контроллера аппарата (САЦП). После САЦП аналоговый сигнал CIS будет преобразован в 8-битовый цифровой сигнал.

Процессор обработки изображения в САЦП прежде всего использует функцию коррекции тона, а затем функцию гамма-коррекции. После этого данные подаются на различные модули в соответствии с режимом работы. В режиме Text данные изображения поступают на модуль LAT, в режиме Photo данные изображения поступают на модуль "Error Diffusion", в режиме PC-Scan данные изображения поступают прямо на персональный компьютер через доступ DMA.

Перед осуществлением тестирования положите на стекло экспонирования несколько чистых листов белой бумаги. Само собой разумеется, что оптика, ч/б полоса и вообще узел сканера изнутри должны быть предварительно «вылизаны»

Выберите в TECH MODE
Нажмите кнопку ENTER (Ввод) для сканирования изображения.
После сканирования будет распечатан "CIS SHADING PROFILE" (профиль полутонов CIS). Пример такого листа приведен ниже. Не обязательно, что он должен быть копией Вашего результата, но близок по изображению.
Если распечатанное изображение сильно отличается от изображения, показанного на рисунке, значит CIS неисправен. Обратите внимание – внизу листа отчета написано “Results: OK”. Это означает, что система серьезных претензий к модулю CIS не имеет. В противном случае будут даны результаты ошибок.

Пример распечатки профиля:

Удачи Вам!!

За основу взяты материалы статей и лекций преподавателей СПбГУ (ЛГУ), СПбЭТУ (ЛЭТИ) и Axl. Спасибо им.

Материал подготовлен В. Шеленбергом

В процессе эволюции разрешение цифровых фотокамер увеличилось в несколько раз. Поэтому большое количество производителей ЭОП, изделия которых использовались в ранних моделях фотоаппаратов, в итоге сильно сократилось. Кроме увеличения азрешения на процесс «естественного отбора» влияли и другие причины. Помимо уже рассмотренных характеристик (динамический диапазон, соотношение сигнал/шум и т. д.), для проектировщиков камеры важны также уровень энергопотребления ЭОП и совместимость с существующей элементной базой, а для производителя сенсора - процент брака и себестоимость устройств.

На рубеже тысячелетия можно было выделить двух крупнейших производителей ПЗС-матриц для профессиональной и студийной техники - Eastman Kodak в США и Philips в Европе.

Всю продукцию Kodak можно разделить на три большие категории:

ПЗС-матрицы для студийной и профессиональной техники;
ПЗС-линейки для студийных сканирующих приставок к крупноформатным фотоаппаратам;
ПЗС-матрицы и КМОП-сенсоры для любительских фотокамер.

Голландским концерном Philips была сделана попытка минимизировать себестоимость ПЗС-матриц с помощью оригинальной технологии Building Block. При обычном производстве ПЗС-матрица высокого разрешения изготавливается единым блоком и при браке потери велики. Кроме того, максимальный размер ЭОП ограничивается возможностями оборудования. В противоположность этому, методика Building Block (буквально - кирпичи), разработанная Philips, основана на использовании «кирпичиков», состоящих из модулей размером 1000x1000 пикселов. Объединяя данные «кирпичики», можно построить сенсор практически неограниченного разрешения. При этом в случае обнаружения дефекта в одном из модулей его можно легко заменить. Таким образом, себестоимость изделия значительно ниже.

Наибольшей популярностью пользовалась шестимегапиксель-ная матрица FTF 3020 (36x24 мм), применявшаяся в большинстве моделей студийных камер. Из новых сенсоров перспективным считается 11-мегапиксельный ЭОП, тоже созданный по технологии Building Block. Его мегапиксельные «кирпичики» по габаритам меньше прежних модулей, поэтому размеры новой матрицы такие же, как и у шестимегапиксельной модели. Благодаря этому студийные фотоаппараты, использовавшие FTF 3020, легко могут быть оборудованы новым сенсором.

Как было замечено выше, основной особенностью матриц Fuji-Film являются нестандартная форма и расположение элементов, в то же время реальных плюсов данные решения не продемонстрировали. В результате матрицы этой фирмы применяются только в фотоаппаратах FujiFilm, хотя ассортимент сенсоров довольно широк и включает в себя разработки для профессиональной техники.

Корпорация Sony с самого начала ориентировалась исключительно на рынок массовой техники. При этом разработчикам данной фирмы удалось внедрить ряд решений, благодаря которым качество кадров значительно улучшилось.

Одной из основных инноваций была технология HAD - Hole-Accumulation Diode. В матрицах HAD носителями информации о заряде пиксела были не электроны, а так называемые «дырки». При этом отпадала необходимость в полисиликоновом электроде над светочувствительной частью пиксела и значительно увеличивалась чувствительность сенсора, особенно в коротковолновой части спектра. Кроме того, размещение поглощающего «дырки» слоя у поверхности матрицы уменьшало тепловой шум.

При максимально открытой диафрагме растет процент лучей, падающих на поверхность матрицы под большими углами. После прохождения через микролинзы обычной конструкции эти лучи, как правило, не попадали на светочувствительный элемент. Чтобы уловить максимальное количество света, попадающего на микролинзу, разработчики Sony в матрице New Structure CCD использовали дополнительный оптический элемент. Расположенная непосредственно над светочувствительным элементом внутренняя линза корректировала лучи, входящие под большими углами.

С появлением в модельном ряде матрицы ICX413 Sony заняла соответствующую нишу на рынке профессиональных камер. При диагонали 28,4 мм размеры, сенсора (23,4x15,6 мм) соответствуют кадру пленки формата APS, поэтому он идеально подходит для использования в моделях, создаваемых на базе пленочных «зеркалок». В результате эту шестимегапиксель-ную матрицу выбрал Nikon для своей профессиональной модели D-100.

Значительных успехов в разработке КМОП-матриц для профессиональных камер добился концерн Canon. Размер сенсора был увеличен до габаритов кадра APS, в результате возросло отношение светочувствительной части пиксела к «обвязке» и, как следствие, значительно поднялась чувствительность.

Кроме того, в состав компонентов каждого пиксела был включен своеобразный «фильтр», который замерял уровень электронного шума, генерируемого «обвязкой» в нерабочем состоянии. При съемке «фильтр» каждого элемента автоматически «вычитал» этот шум из сигнала, в результате влияние неравномерно распределенных по матрице электронных помех удалось снизить.

Лидирующие позиции в области разработки КМОП-матриц занимает белый искал фирма Fill Factory. Она была основана в 1999 году, но разработками КМОП-матриц занималась еще с 1987 года, будучи подразделением ШЕС, Европейского независимого центра микроэлектронных технологий. В итоге в стенах FillFactory появился ряд интересных и эффективных решений, улучшивших показатели КМОП-сенсоров.

В первую очередь удалось значительно увеличить светочувствительную область пиксела. В обычных КМОП-матрицах фотоны «выбивают» электроны на всей поверхности пиксела. Только вот эти «фотоэлектроны» (термин ненаучный, но иногда в оптоэлек-тронике применяемый) притягиваются либо «обвязкой» (расположенной, кстати, на поверхности матрицы), либо подложкой сенсора. Поэтому «фотоэлектроны», генерируемые поверхностью вокруг фотоэлемента (а это более 70 % всей площади пиксела), в процессе создания заряда никоим образом не участвуют.

Специалисты FillFactory предложили простое и гениальное решение. Благодаря генерируемому электростатическому барьеру «фотоэлектроны», генерируемые под «обвязкой», не поглощаются ни «обвязкой», ни подложкой, а «всасываются» потенциальной ямой фотоэлемента. Процесс «всасывания» не столь уж и длителен (от 10 до 50 наносекунд), поэтому тепловой шум (обычно заметен при «длинных» выдержках на всех типах сенсоров) практически отсутствует. А вот чувствительность сенсора возрастает в несколько раз, при этом нет необходимости использовать матрицы больших габаритов. Следовательно, данная технология может быть использована и в любительской технике.

Динамический диапазон КМОП-сенсора можно расширить, используя еще одну из наработок FillFactory - нелинейный режим накопления заряда. В этом режиме в «обвязку» пиксела добавлены элементы, которые при достижении определенного уровня заряда в потенциальной яме переключают пиксел в состояние «насыщения». В этом состоянии «фотоэлектроны» накапливаются в потенциальной яме менее интенсивно, уменьшая риск ее переполнения.

Благодаря данной методике происходит адаптивное сжатие динамического диапазона кадра - светлые участки не выглядят «засвеченными», а темные - «недодержанными». Кроме того, не нужна большая разрядность АЦП, сокращается также размер кадров.

Разработанные FillFactory КМОП-сенсоры нашли свое применение как в студийных (Leaf C-Most, Leaf Valeo), так и в профессиональных (Kodak DCS Pro 14n) фотоаппаратах. Возможно, что в недалеком будущем КМОП-матрицы этой фирмы будут использоваться и в любительской технике.

Категории

Выбор редакции

Издательский дом «Питер» — Электронный каталог. Матрица с обратной засветкой Оценка основных характеристик пзс матрицы

Глава 3
Электронно-оптические преобразователи

Общие принципы

Чувствительность

ПРИМЕЧАНИЕ

ПРИМЕЧАНИЕ

Динамический диапазон

ПРИМЕЧАНИЕ

Блюминг

ПЗС или КМОП?

ПРИМЕЧАНИЕ

Размер матрицы
по диагонали

Аналого-цифровой преобразователь

ПРИМЕЧАНИЕ

ПРИМЕЧАНИЕ

Расчет цвета в ПЗС-матрицах

ПРИМЕЧАНИЕ

Баланс белого цвета

ПРИМЕЧАНИЕ

ПРИМЕЧАНИЕ

Интерполяция пикселов

ВНИМАНИЕ

Многослойные матрицы

Основные производители

ПЗС-матрица. Устройство. Принцип работы.

Перемещение зарядов в ПЗС-матрице.

Кратко о физике процесса.

Проблемы

Итог

Как работает система AGC

Итак:

Поиск

Подписка

Популярные записи

Последние записи

Категории

Выбор редакции

Издательский дом «Питер» — Электронный каталог. Матрица с обратной засветкой Оценка основных характеристик пзс матрицы

Глава 3 Электронно-оптические преобразователи

Общие принципы

Чувствительность

ПРИМЕЧАНИЕ

ПРИМЕЧАНИЕ

Динамический диапазон

ПРИМЕЧАНИЕ

Блюминг

ПЗС или КМОП?

ПРИМЕЧАНИЕ

Размер матрицы по диагонали

Аналого-цифровой преобразователь

ПРИМЕЧАНИЕ

ПРИМЕЧАНИЕ

Расчет цвета в ПЗС-матрицах

ПРИМЕЧАНИЕ

Баланс белого цвета

ПРИМЕЧАНИЕ

ПРИМЕЧАНИЕ

Интерполяция пикселов

ВНИМАНИЕ

Многослойные матрицы

Основные производители

ПЗС-матрица. Устройство. Принцип работы.

Перемещение зарядов в ПЗС-матрице.

Кратко о физике процесса.

Проблемы

Итог

Как работает система AGC

Итак:

Поиск

Подписка

Популярные записи

Последние записи

Глава 3
Электронно-оптические преобразователи

Размер матрицы
по диагонали