Logo Море(!) аналитической информации!
IT-консалтинг Software Engineering Программирование СУБД Безопасность Internet Сети Операционные системы Hardware
Обучение от Mail.Ru Group.
Онлайн-университет
для программистов с
гарантией трудоустройства.
Набор открыт!
2007 г.

Твердотельные датчики изображения

Сергей Ярошенко
"IT News", #03/2007

История твердотельных датчиков изображения берет свое начало в 1963 году, когда С. Р. Моррисон из компании Honeywell Co. изобрел «полупроводниковое фоточувствительное устройство» — фотосканер. В 1970 году благодаря разработкам инженеров Bell Laboratory на свет появился Charge Coupled Device (CCD) — прибор с зарядовой связью (ПЗС).

С этого момента начинается процесс непрерывного улучшения характеристик CCD. Так, спустя всего два года коллектив инженеров Bell Laboratory объявил о создании улучшенного варианта датчика — Buried Channel CCD (BCCD). С тех пор регулярно, с интервалом в несколько лет, различные исследовательские лаборатории всего мира сообщают о все новых усовершенствованиях в конструкции и технологии производства датчиков изображения на основе технологии CCD.

Так, в 1993 году лаборатория NASA заявляет о практической реализации твердотельного датчика изображения, построенного с использованием CMOS Active-Pixel—архитектуры, о преимуществах которой в теории было известно еще с 1960 года. Это изобретение открыло новые возможности для снижения стоимости и улучшения потребительских характеристик современных видеокамер.

Сенсорная технология

Принцип создания изображения одинаков и в цифровой камере, и в пленочной: обе обеспечивают запись объекта съемки, используя энергию света, которая воздействует на светочувствительный материал. Основное же отличие состоит в том, что в цифровых камерах свет попадает на светочувствительный электронный сенсор, а в традиционных аппаратах — на чувствительную к свету пленку. Кроме того, процесс получения изображения в первом случае происходит прямо внутри устройства (съемка, обработка и сохранение в виде файла), а во втором — внутри камеры осуществляется только съемка, в то время как обработка и сохранение отснятого материала производятся, как правило, вне камеры.

Матрица (сенсор), запоминающая изображение в цифровой камере, состоит из массива светочувствительных ячеек. Каждая ячейка действует аналогично фотоэкспонометру — вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности попадающего на нее светового потока (независимо от цветовой составляющей). Именно поэтому большинство современных сенсоров способно воспринимать наш мир только в черно-белых тонах. Для того чтобы преобразовать полученное черно-белое изображение в цветное, используются различные ухищрения. В большинстве сенсоров каждая ячейка «покрыта» красным, синим или зеленым фильтром. Последние собраны в группы по четыре, причем на два зеленых приходится по одному красному и одному синему (такой тип организации фильтров называется «шаблоном Байера»). Это сделано потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету. Каждый фильтр пропускает на светочувствительную ячейку преимущественно свою составляющую света. Теперь каждая ячейка содержит информацию не только о яркости, но и о цвете отдельного элемента изображения. Остается преобразовать электрический сигнал в цифровой, обработать его и сохранить на карточке памяти или микродрайве.

Чтобы создать цветное изображение, программное обеспечение камеры анализирует все три массива полученной цветовой информации, сопоставляет значения соседних ячеек и по сложному алгоритму рассчитывает итоговый цвет каждой ячейки (пикселя) — этот процесс называется цветовой интерполяцией. Сенсоры различаются по способу, которым информация собирается со светочувствительной матрицы. В CCD-сенсорах информация считывается последовательно из каждой ячейки, ряд за рядом. Поэтому сделать следующий снимок можно лишь тогда, когда предыдущий уже полностью сформирован. CMOS-матрицы устроены иначе: информация из каждой ячейки считывается индивидуально. Для каждой ячейки заданы координаты в матрице (X,Y), используя их, можно получить индивидуальный доступ к отдельной ячейке. Это позволяет использовать CMOS-матрицу не только непосредственно для съемки, но и для экспонометрии и работы автофокуса.

CMOS от Canon

В отличие от большинства производителей цифровых камер, вынужденных покупать на стороне CCD- и CMOS-датчики, Canon с 1987 года, времени появления пленочных камер EOS, производит собственные датчики. Это обстоятельство в сочетании с контролем над полным циклом производства датчиков дает моделям компании неоспоримые технологические и финансовые преимущества перед камерами других марок, где применяются компоненты сторонних производителей. В то время (как, впрочем, и до сих пор) датчики использовались в работе системы автофокусировки: для создания цифровых версий изображения в видоискателе и отслеживания резкости в плоскости пленки. Технология BASIS стала частью системы, определившей первенство Canon в автофокусировке.

Использование собственных CMOS-датчиков Canon начала с однообъективной зеркальной камеры EOS-3, где технология CMOS была применена в системе 45-точечной автофокусировки. Установка датчиков такого типа в этой и других компактных и зеркальных камерах, а также широкие перспективы развития рынка сделали собственное производство датчиков оправданным, и компания продолжила их разработку с целью применения в системах автофокусировки и автоэкспозиции компактных моделей.

В 2000 году, начав с цифровой однообъективной зеркальной камеры EOS D30, Canon стала использовать CMOS-датчики для регистрации изображения. В модели был установлен датчик с 3,3 млн пикселей с максимальным разрешением 2160×1440. Однако прежде компании понадобилось освоить ряд технологий, обеспечивших ей качественный прорыв, так как CMOS-датчики имели ряд ограничений, мешавших их применению в устройствах захвата изображения. Ранние прототипы имели невысокую чувствительность и значительный уровень шума по сравнению с CCD-датчиками. Уровень шумов в CMOS-датчиках, казалось, исключал их применение в камерах высокого класса, которые предусматривают длинные выдержки и возможность работы при слабой освещенности. Взявшись за решение этих проблем с трех сторон, Canon нашла эффективное решение.

Первая проблема — высокий уровень шумов — присуща CMOS-датчику ввиду неодинаковости прохождения сигнала через усилители его элементов. Сделать так, чтобы все 3,3 млн усилителей работали одинаково, слишком сложная задача, поэтому инженеры Canon подошли к проблеме с другой стороны. Сняв собственный шумовой сигнал со всего множества усилителей, внутренняя система обработки сравнивает этот шум с сигналом при съемке изображения. Значение начального шума вычитается из этого сигнала, обеспечивая бесшумовую картинку.

Неодинаковость отклика каждого пикселя — это не только проблема несбалансированности усилителей, но и неравные начальные условия. Оказалось, что отдельные пиксели, соответствующие одному и тому же оттенку, посылали различные сигналы вследствие того, что на некоторых из них еще оставался заряд от предыдущего изображения. То есть некоторые пиксели оказывались экспонированными дважды: остаточный заряд с предыдущего кадра складывался с новым зарядом со следующего. С созданием системы, обеспечивающей полный перенос заряда с каждого элемента формирования изображения и восприятие нового изображение «с нуля», проблема была снята.

Хотя CMOS-датчик и отличался низким уровнем шумов при нормальных условиях, оставалась проблема его слабой собственной светочувствительности. Ответом стала разработка нового типа усилителя с переменным усилением поступающих с пикселей сигналов. Эти усилители с программируемым коэффициентом усиления позволили довести в популярной зеркальной камере EOS 350D эквивалентную чувствительность до ISO 1600.

В датчик камеры EOS 350D встроен фильтр, отсекающий инфракрасное излучение и уменьшающий эффект затуманивания. Датчик содержит такой же трехслойный оптический фильтр нижних частот, как и в камере EOS 20D. Фильтр нижних частот в сочетании с процессором EOS 350D DIGIC II уменьшает эффект «ложного цвета», который имеет место, например, при съемке структур, близких к размеру пикселя датчика. Заставить CMOS-датчик хорошо работать вопреки его собственной природе — задача, согласитесь, нелегкая, проще было поставить во все камеры CCD-датчик. Однако неоспоримые преимущества CMOS-датчика: малое энергопотребление и высокая скорость — щедро вознаградили его разработчиков. И с тех пор компания Canon неуклонно инвестирует в CMOS-технологии.

Canon EOS 5D изнутри

Super CCD от Fuji

Корпорация Fuji Photo Film Co. Ltd. тоже уже давно идет по пути совершенствования конструкции светочувствительных матриц для цифровых фотокамер, разрабатывая серию сенсоров Super CCD (Charge Coupled Device — прибор с зарядовой связью). Изготовление сенсоров началось в 1999 году, а уже в 2000-м публике были представлены две камеры со светочувствительными матрицами Super CCD первого поколения.

Идея, лежащая в основе технологии Super CCD, напоминает принцип функционирования негативной цветной фотопленки, а еще более — живого глаза, способного различать цвета. Обычная светочувствительная матрица получает информацию о цвете и освещенности точки из одного и того же сенсорного элемента. При съемке с такой матрицей незначительные различия цвета и освещенности в каких-то зонах изображения (самых светлых или затененных, в зависимости от режима съемки) теряются, и на итоговом снимке эти зоны отображаются одним цветом. Фотопленка и живой глаз работают иначе: крупные зерна фотопленки и так называемые клетки-«колбочки» сетчатки реагируют главным образом на различие в цвете. А мелкие зерна фотопленки и клетки-«палочки» лучше различают освещенность.

По этому же принципу работает матрица Super CCD. Чувствительные элементы сгруппированы в ней попарно: большие (S-типа) и маленькие (R-типа). S-элементы из-за своей большой площади при освещении насыщаются быстро, получая информацию о цвете точки. В это же время R-элементы с меньшей площадью насыщаются гораздо медленнее, отчего они лучше определяют освещенность. Чувствительные элементы (фотодиоды) в матрице Super CCD выполнены в форме восьмигранников и располагаются по диагонали, и поверхность матрицы похожа на соты. Воспринимаемые чувствительными элементами (фотодиодами) световые сигналы делятся на горизонтальные и вертикальные составляющие, а затем комбинируются, что позволяет достичь большего разрешения по обеим осям. Кроме того, сотовое расположение светодиодов позволяет разместить их в большем количестве на той же площади.

В результате появляется возможность получить снимок, имеющий в два раза большее разрешение по сравнению с обычным фотодиодом. Информация с Super CCD-матрицы формируется на основе одного канала яркости и трех каналов, описывающих цвет (RGB). Задача процессора камеры (или специальной компьютерной программы, способной обрабатывать «сырые» данные, получаемые с матрицы в RAW-формате) — скомбинировать сигналы с двух типов сенсоров и получить изображение, одинаково контрастное и детальное во всех областях. Информация, соответствующая «пустой» клетке, высчитывается исходя из знания уровня заряда, накопленного в соседних элементах. К слову, в стандартной фотопленке светочувствительное зерно имеет неодинаковый от слоя к слою размер и характеризуется разным диаметром светочувствительных частиц. Поэтому технология Super CCD лучше учитывает «природные» законы кибернетики, нежели та, что применяется в стандартных CCD-сенсорах.

В результате применения технологии Super CCD стало возможным довольно значительно увеличить динамический диапазон камеры. В свою очередь должно было заметно возрасти и реальное качество передачи деталей высококонтрастных изображений, а от сенсора ожидали хороших результатов по вертикальному и горизонтальному разрешениям, к которым привык человеческий глаз. Новый тип сенсора, разработанный инженерами Fuji, казался им революционным: ведь имея всего 2,4 млн S- и R-элементов, он позволял получать фотографии с 4,3 млн пикселей.

Однако на практике получилось не совсем так, как задумывали инженеры Fuji. Первые камеры с матрицами Super CCD были разрекламированы как «прорыв в технологии цифровой съемки», однако прорыва-то как раз и не получилось. Снимки выходили неплохими, и только, говорить о революции в качестве не приходилось. Что подвело: программное обеспечение камер или аналого-цифровой преобразователь матрицы — неизвестно, но цветопередача и динамический диапазон снимков остались на обычном уровне.

Инженеры Fuji не сдавались, и в 2001 году появилось второе поколение светочувствительных матриц серии Super CCD. Работали они эффективнее, однако улучшения носили тот же характер, что и у «традиционных» конкурентов: повысилась чувствительность, увеличилось разрешение, снизились шумы. Обещанного расширения динамического диапазона опять не произошло. Специалисты в области цифровой фотографии начали говорить о том, что избранное Fuji технологическое направление ведет в тупик. Упадочные настроения подкрепил выход в 2002 году камер, в которых была применена матрица серии Super CCD третьего поколения. Снимки, сделанные этими фотокамерами, отличались только улучшенной цветопередачей.

В январе 2003 года компания Fuji представила на рынок светочувствительную матрицу серии Super CCD четвертого поколения. Очередная реинкарнация матрицы шла по двум направлениям: HR и SR. Конструктивно светочувствительные элементы в HR- и SR-матрицах между собой не отличались. Различие состояло в обработке и преобразовании сигналов, получаемых с матриц. В устройствах с индексом HR (High Resolution, то есть «высокое разрешение») данные с дополнительных чувствительных элементов использовались для улучшения разрешения камеры, которое достигало в этом режиме 12 млн пикселей. Подобные матрицы Fuji решила устанавливать в камеры для «продвинутых непрофессионалов». Матрицы же с индексом SR предназначались для профессиональных камер и обладали долгожданным расширенным динамическим диапазоном (Super Dynamic Range). Сенсоры Super CCD IV SR устанавливались в зеркальной камере FinePix S3 Pro и в компактной цифровой камере FinePix S20 Pro. Однако в обоих сенсорах — как в Super CCD HR, так и в Super CCD SR — сохранился элемент «вычисления» результирующей картинки, присущий технологии Super CCD.

Четвертое поколение матриц Super CCD развеяло сомнения в эффективности избранной компанией Fuji технологии. Однако и здесь обнаружился подводный камень. Дело в том, что HR-матрицы, разрешение которых заявлено как 12 млн пикселей, не обеспечивают этого разрешения путем простого сложения элементов обоих типов (R и S). Эти матрицы — всего лишь маркетинговый ход фирмы Fuji, направленный на то, чтобы окупить затраты на разработку технологии путем расширения границ ее применимости. С матрицами типа SR все обстоит несколько лучше, так как в них пусть и не в четыре раза, но имеет место расширение динамического диапазона в сравнении с предыдущими моделями. Наилучшие результаты дает съемка такой матрицей в формате RAW с разрешением 6,4 млн пикселей с возможностью последующей обработки фотографий на компьютере и ручной подборки параметров преобразования в TIFF или JPEG.

1/1.7 Zoll Super CCD SR Sensor и 23,0.15,5 мм Super CCD SR Sensor

Foveon X3 от Foveon

Калифорнийская компания Foveon — совместное предприятие компаний National Semiconductor и Synaptics — была основана в 1997 году Карвером Мидом (Carver Mead), одним из пионеров технологии полупроводниковых микросхем и соавтором архитектуры VLSI (или СБИС, «схемы сверхбольшой интеграции»). Можно утверждать, что именно Foveon является создателем оригинальной технологии, применяемой в цифровой фотографии.

Структуру матрицы Foveon Х3 можно сравнить с трехслойным пирогом. В основе технологии производства и применения матриц, разработанных компанией Foveon, лежит известное дисперсное свойство кремния поглощать свет с интенсивностью, зависящей от длины волны на разной глубине кристалла. Синий цвет, имеющий самую короткую длину волны, поглощается раньше других, и «синий» фотодетектор (специальный слой матрицы) находится ближе всего к поверхности кристалла. Самые длинные — красные — волны поглощаются в последнюю очередь, поэтому фотодетекторы, настроенные на красный цвет, находятся глубже всего. Ну а «зеленые» детекторы расположены в середине.

Таким образом, матрица обрела «третье измерение» и стала похожа на трехслойный пирог. Очевидно, что подобное решение позволяет увеличить разрешающую способность сенсоров: ведь теперь детекторы, настроенные на один цвет, не разбросаны по всей поверхности матрицы, а просто лежат друг под другом. Поэтому название нового сенсора — Foveon Х3 — подчеркивает его «трехмерность» или «трехцветность». По оценкам специалистов, из-за отказа от использования мозаичного фильтра, разлагающего свет на три составляющие, чувствительность сенсоров матрицы Foveon Х3 должна была увеличиться. И, как и в случае перехода от CMOS-матриц к Super-CCD-матрицам, с увеличением чувствительности сенсоров должен уменьшаться и цветовой шум, поскольку уровень полезного сигнала становится выше.

Однако с учетом эффекта поглощения света при прохождении его через кристалл кремния выигрыш в светочувствительности оказался не столь значительным, как это представлялось вначале. Вероятно, Foveon пришлось использовать оригинальные алгоритмы коррекции получаемого цветного изображения (тем более что применяемые алгоритмы были существенно проще, поскольку вместо сопоставления цветов соседних сенсоров по всей поверхности матрицы достаточно было коррекции интенсивности каждого цвета). В результате электроника цифровой камеры упростилась. Разработчики сенсора Foveon Х3 отмечали еще одно интересное свойство своего детища — изменяемый размер пикселя (Variable Pixel Size). Малый его размер позволял делать снимки высокого разрешения и качества, а больший — давал возможность снимать при слабом освещении. Кроме того, способность сенсоров легко менять разрешение матрицы позволяла создавать «гибридные» камеры, одинаково хорошо выполняющие как статичные фотографии с высоким разрешением, так и видео с меньшей детализацией картинки. При этом объединение сенсоров в пиксели могло производиться программно, без смены самой матрицы.

Foveon X3

Зная о недостатках своего детища — матрицы Foveon X3, калифорнийские инженеры в конце 2003 года представили на суд общественности усовершенствованную версию фотодатчика Foveon X3 Pro 10M. Новая матрица отличалась от прежней версии в первую очередь тем, что каждый ее сенсор был дополнительно «накрыт» микролинзой. Это усовершенствование позволило существенно повысить восприимчивость сенсоров и, как следствие, резко улучшить цветопередачу фотографируемого объекта. Имея 3,46 млн сенсоров в каждом слое матрицы, новый фотодатчик Foveon X3 Pro 10M содержал 10,6 млн чувствительных элементов — в три раза больше, чем CMOS- или CCD-аналоги. Однако это не делало его 10-мегапиксельным, так как из-за неизбежных потерь мощности при прохождении светового потока через слои и фильтры фиксируемая картинка давала примерно 70% того качества, которого можно было ожидать от матрицы с 10 млн сенсоров. Таким образом, разрешение нового фотодатчика было примерно эквивалентно 7-мегапиксельному CMOS- или CCD-аналогу. Именно поэтому компания Foveon весьма аккуратно обходила вопрос о разрешении Foveon X3 Pro 10M, подчеркивая, что поскольку фотодатчик был построен на основе уникальной технологии, то и мерить его достоинства нужно уникальными «линейками». Новая матрица нашла свое применение в цифровой зеркальной фотокамере Sigma Digital SLR SD10.

Super HAD CCD от Sony

Еще одна проблема светочувствительных матриц фотокамер — некорректная цветопередача. В отличие от пленки, где каждый чувствительный слой фиксирует только волны определенной длины, каждый активный элемент сенсора камеры воспринимает энергию светового луча, зависящую также от длины волны. Подавляющее большинство цифровых камер оснащено матрицами, «понимающими» лишь три цвета: красный, зеленый и синий (по базовой палитре RGB). Все остальное «додумывает» процессор камеры. Эта базовая палитра цветов способна отобразить практически любой оттенок, существующий в реальном мире. Однако при обработке информации, поступающей с матрицы камеры, цвета могут исказиться.

Для тех, кто очень чувствителен к недостаткам цветопередачи на снимках, Sony предложила принципиально новый подход к цифровому отображению цвета — инновационное решение Super HAD CCD, матрицу, содержащую четырехцветный фильтр (к трем основным цветам прибавился изумрудный). Качественно новый уровень цветности достигается в ней не только за счет использования четырехцветной фильтрации, но и за счет процессорной обработки изображения в режиме реального времени. После добавления изумрудного пикселя новый графический процессор фотокамеры конвертирует четырехцветный сигнал обратно в традиционные три цвета посредством линейной матричной системы (следовательно, для сохранения снимка используется также трехцветная схема RGB).

Тем не менее оказалось, что дополнительная информация от матрицы Super HAD CCD позволяет достичь более точного разложения цветового диапазона на базовые цвета. По сравнению с традиционным, трехцветным, дополнительный фильтр делает изображение более близким к адекватному восприятию его человеческим глазом при различных условиях съемки. Добавка к трехцветному фильтру светло-голубого, или, как называет его сама компания, изумрудного (emerald), позволяет создавать изображение более естественных цветов, приближая его характеристики к тем, что характерны для человеческой зрительной системы. (Изумрудный фильтр пропускает всю коротковолновую часть видимого спектра, включающую в себя синий и зеленый, и с физической точки зрения должен бы называться голубым.)

Super HAD CCD

Кроме того, новая четырехцветная система позволяет совершенствовать скорость съемки и воспроизведение сине-зеленых и красных оттенков. По словам инженеров Sony, специализированный процессор повышает скорость срабатывания затвора. Это обусловлено тем, что сокращается время вычислений (на 40%), в результате появляется возможность захватывать 8-мегапиксельное изображение за время, вдвое меньшее, чем требуется для этих же целей, например, 5-мегапиксельной камере.

На рынке присутствует цифровая камера Sony Cyber-shot DSC-F828, построенная с использованием светочувствительной матрицы Super HAD CCD. Однако в своей топовой модели Sony Cybershot DSC-R1 компания Sony использовала CMOS-матрицу формата APS-C с разрешением 10,8 млн пикселей.

Конструкция Sony Cyber-shot DSC-F828

CMOS-матрицы от FillFactory

Компания FillFactory основана в 1999 году, однако разработками CMOS-матриц занималась еще с 1987 года, будучи подразделением IMEC (Европейского независимого центра микроэлектронных технологий). И, как и компания Canon, при производстве светочувствительных матриц на основе CMOS-технологии инженеры FillFactory столкнулись со значительными методическими и технологическими трудностями.

Так, для борьбы с недостатками CMOS-технологии они в первую очередь решили значительно расширить светочувствительную область пикселя. Дело в том, что в CMOS-матрицах падающие фотоны «выбивают» электроны на всей поверхности пикселя. Полученные электроны притягиваются либо так называемой «обвязкой», расположенной на поверхности матрицы, либо ее подложкой. Поэтому электроны, рождающиеся вокруг светочувствительной области пикселя, в процессе создания заряда не участвуют. Инженеры FillFactory предложили генерировать электростатическое поле, образующее «барьер», препятствующий проникновению электронов в подложку либо «обвязку». В результате рождающиеся электроны не поглощаются ни «обвязкой», ни подложкой, а «всасываются» потенциальной ямой фотоэлемента. Чувствительность матрицы возрастает в несколько раз, при этом исчезает необходимость в использовании устройств значительных размеров.

Еще одну из своих новаций FillFactory использовала для расширения динамического диапазона CMOS-матриц. Оказалось, что для этого в «обвязку» пикселя необходимо добавить специальные элементы, которые при достижении определенного уровня заряда в потенциальной яме переключают пиксель в состояние «насыщения». В этом состоянии электроны накапливаются в потенциальной яме менее интенсивно, уменьшая риск ее переполнения. Благодаря такому подходу светлые участки фотографии не выглядят «засвеченными», а темные — «недодержанными». Кроме того, не требуется высокая разрядность АЦП и уменьшается размер снимков.

Среди основных партнеров FillFactory был концерн Creo, использующий CMOS-сенсоры от FillFactory в своих студийных приставках («задниках») к среднеформатным пленочным аппаратам серии «Valeo»: Valeo-11 и Valeo-22 (с разрешением 11 и 22 мегапикселя соответственно). Первые Valeo с 11-мегапиксельной матрицей появились в России у профессиональных фотографов в начале этого тысячелетия.

CCD-матрицы от Eastman Kodak

Компания Eastman Kodak известна не только как потребитель, но и как п роизводитель светочувствительных матриц. Условно ее изделия делят на три большие группы:
  • CCD-линейки для студийных сканирующих приставок к крупноформатным фотоаппаратам;
  • CCD-матрицы для студийной и профессиональной техники;
  • CCD- и CMOS-матрицы для любительских фотокамер.

Фотосенсоры от Kodak уровня любительских моделей используются, за редким исключением, в «родных» фотоаппаратах Kodak. Зато матрицы, предназначенные для студийных камер, применяются практически всеми производителями этой категории устройств. Заслугой инженеров Kodak является внедрение в полнокадровых матрицах бокового антиблюмингового дренажа, позволившего значительно увеличить динамический диапазон CCD-матриц по сравнению с сенсорами, в которых применен вертикальный дренаж.

Суть усовершенствования заключается в следующем: если количество электронов, образованных падающими на поверхность светочувствительной матрицы фотонами, превышает максимальную глубину потенциальной ямы, заряд начинает «растекаться» по соседним сенсорам. При этом на фотографии наблюдаются белые пятна правильной формы, размер которых зависит от степени «засветки». Данное явление называется «блюминг» (от англ. blooming — «размывание»). Для предотвращения блюминга используется так называемый электронный дренаж, обеспечивающий отвод избыточных электронов из потенциальной ямы.

По методу технической реализации различают вертикальный и боковой дренаж. Вертикальный осуществляется подачей напряжения на подложку светочувствительной матрицы, причем его значение подбирается таким образом, чтобы при достижении уровня переполнения «лишние» электроны стекали через подложку из потенциальной ямы. Как побочный эффект — уменьшение глубины потенциальной ямы и, как следствие, сужение динамического диапазона светочувствительного элемента. При боковом дренаже сток электронов осуществляется в специальные шлюзы. В отличие от вертикального дренажа, глубина потенциальной ямы светочувствительного элемента при этом не меняется, но зато уменьшается светочувствительная площадь пикселя. Однако применение микролинз несколько ослабляет возникающий негативный эффект. В CCD-матрицах Kodak электрод, расположенный над светочувствительной областью пикселя, изготавливался на основе оксида индия и диоксида олова (технология BluePlus). За счет этого повышается коэффициент пропускания электрода, и в итоге вырастает чувствительность сенсора, особенно в традиционно «трудных» для светочувствительных матриц «синей» и «фиолетовой» областях спектра.

Применение дренажных устройств усложняет конструкцию матриц, однако вред изображению, наносимый блюмингом, считается превалирующим. Сегодня на рынке присутствуют две зеркальные цифровые камеры — Kodak DCS Pro SLR/c и Kodak DCS Pro SLR/n, построенные с использованием полноформатной светочувствительной CMOS-матрицы компании FillFactory.

LBCAST-сенсор от Nikon

LBCAST-сенсор — первая разработка CMOS-датчиков изображения, сделанная инженерами компании Nikon. До этого компания использовала матрицы сторонних производителей, например Sony. С ростом популярности цифровой фотографии компания приняла решение продвигать на рынок собственные технологические разработки для цифровых зеркальных фотокамер. Изготовленный ею по LBCAST-технологии фотосенсор обеспечивает удвоенную скорость считывания изображения по сравнению с CMOS-сенсорами. SLR-фотокамеры с LBCAST-матрицей способны производить серийную съемку со скоростью 8 кадров в секунду, что вдвое быстрее, чем у конкурирующих цифровых зеркальных камер начального и среднего уровня.

Исследования по созданию LBCAST-сенсора начались десять лет назад в департаменте фотоэлектронных технологий — он входит в состав Главного технологического центра компании Nikon, расположенного в Японии. Еще на этапе проектирования предполагалось использовать перспективные сенсоры в устройствах со сменной оптикой. В итоге детище Nikon воплотило в себе преимущества LBCAST-технологии и оригинальный дизайн, сделавшие его оптимальным компонентом для объективов Nikkor. Новый сенсор базируется на уже доказавшем свою состоятельность типе полупроводниковой архитектуры JFET (Junction Field Effect Transistor). Как и CMOS-матрица (complementary metal-oxide semiconductor), LBCAST-матрица (lateral buried charge accumulator and sensing transistor array — «матрица с боковыми скрытыми накопителями заряда и чувствительными транзисторами») использует светочувствительные полупроводниковые элементы. Однако ключевое преимущество технологии JFET перед CMOS состоит в том, что для работы такому сенсору нужно меньше дополнительных схемных элементов. Более простая схемотехника обеспечивает минимальное энергопотребление и низкий уровень шума. В процессе разработки сенсора LBCAST — от его проектирования в исследовательских лабораториях до создания устройства, пригодного к использованию в зеркальных фотокамерах Nikon, — были тщательно проанализированы требования к этим устройствам. В результате на свет появился сенсор с низким уровнем шума, мгновенной готовностью к работе, высокой скоростью считывания и однородным качеством восприятия изображения.

Поскольку структура LBCAST-элементов более проста, чем у CMOS-элементов, удалось обеспечить миниатюризацию матрицы при улучшении качества ее работы — увеличенная площадь поверхности светочувствительных элементов позволила улучшить глубину цвета и контрастность фиксируемого изображения. Слово lateral («боковой») в названии матрицы означает, что основной поток электронов идет по горизонтали, а не по вертикали. Это обеспечивает короткий путь от оптической поверхности сенсора, который может содержать собирающие микролинзы и различные цветные и оптические фильтры, собственно к фотодиоду, преобразующему фотоны в электроны. Сокращение расстояния улучшает чувствительность, уменьшает муар и артефакты и обеспечивает существенные преимущества вкупе с соответствующим оптическим дизайном (так называемым выходным зрачком) объективов Nikkor с байонетом F. Элементы полупроводникового устройства получают путем добавления присадок в кремниевую подложку и помещением ее в печь с определенным газовым составом или напылением алюминия на поверхность кремниевой пластины.

Слово buried («скрытый») — часть термина «скрытый слой», обозначающего то обстоятельство, что одна из плоскостей кристалла заперта в горизонтальном «сандвиче» между двумя другими слоями. Оба слова — «боковой» и «скрытый» — характеризуют технологию изготовления того, что обозначают заключительные буквы аббревиатуры LBCAST, — «накопителей заряда и чувствительных транзисторов». Последние, собственно, и хранят электроны, представляющие собой фотографическое изображение, падающее обычно на плоскость пленки.

Схема Nikon CP8800

Новости мира IT:

Архив новостей

Последние комментарии:

Релиз ядра Linux 4.14  (6)
Пятница 17.11, 16:12
Apple запустила Pay Cash (2)
Четверг 09.11, 21:15
Loading

IT-консалтинг Software Engineering Программирование СУБД Безопасность Internet Сети Операционные системы Hardware

Информация для рекламодателей PR-акции, размещение рекламы — adv@citforum.ru,
тел. +7 985 1945361
Пресс-релизы — pr@citforum.ru
Обратная связь
Информация для авторов
Rambler's Top100 TopList liveinternet.ru: показано число просмотров за 24 часа, посетителей за 24 часа и за сегодня This Web server launched on February 24, 1997
Copyright © 1997-2000 CIT, © 2001-2015 CIT Forum
Внимание! Любой из материалов, опубликованных на этом сервере, не может быть воспроизведен в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав. Подробнее...