2004 г.

Механика "цифры"

Александр Лось,
«Экспресс-Электроника» , # 4/2004

«Цифровую» революцию в сфере фотографии, особенно с позиции рядового пользователя, который редко гонится за высококачественной печатью крупноформатных снимков, возможно, кто-то посчитает уже свершившейся. Но если подойти к этому вопросу с точки зрения технологий, станет ясно, что возможности для совершенствования далеко не исчерпаны.

Хотя точная дата рождения цифровой фотографии достоверно неизвестна, некоторые вехи ее развития выделить все же можно. Например, сам по себе фотоэффект (испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения) — явление, без которого существование цифрового фото невозможно — был открыт еще в 1887 году Генрихом Рудольфом Герцем. Несколько позже наш соотечественник Александр Григорьевич Столетов установил, что в возникновении фототока в цепи, содержащей металлические электроды и источник напряжения, существенную роль играет освещение отрицательного электрода и что сила фототока пропорциональна интенсивности света. Затем в 1899 году Филипп Ленард доказал, что при освещении металлов из них испускаются электроны, а первое теоретическое объяснение законов фотоэффекта дал Альберт Эйнштейн в 1905 году.

Что касается первых полупроводниковых светочувствительных сенсоров, являющихся главным компонентом не только цифровых фотоаппаратов, но и сканеров, а также многих других устройств, о них заговорили только в 1960-х годах, когда исследователи заметили, что КМОП-структуры, равно как и металлы, обладают чувствительностью к свету. А второй наиболее распространенный на сегодня тип фоточувствительных элементов – приборы с зарядовой связью (ПЗС) — были изобретены на десяток лет позже, в лабораториях компании Bell, Уильямом Бойлем и Джорджем Смитом. Интересно, что с появлением первых ПЗС-сенсоров о КМОП-фотоэлементах надолго позабыли – настолько технология приборов с зарядовой связью казалась более перспективной. Однако с развитием методик «тонкой» литографии у технологии КМОП-сенсоров открылось второе дыхание, ведь КМОП-элементы светочувствительных матриц можно было существенно уменьшить, что дало возможность развиваться технологии не только в качестве альтернативы сенсорам на базе приборов с зарядовой связью, но и как более энергоэкономичных решений. Интересно, что сегодня и та, и другая технология нашли свое применение в цифровых фотокамерах. Так, ПЗС-матрицы выпускаются и активно используются компаниями Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips и многими другими, а несколько модифицированные КМОП-фотосенсоры, которые представляют собой переходной вариант между ПЗС- и КМОП-технологиями, для своих камер профессиональной линейки производят Canon и Nikon. Кроме того, КМОП-матрицы сегодня получают все большее распространение в сегменте недорогих и среднеуровневых решений. Впрочем, учитывая наибольшее распространение в цифровых камерах ПЗС-технологии, остановимся в первую очередь именно на ней. Но перед этим небольшой экскурс в физику.

Энергия фотона, связанная с частотой (длиной волны) излучения постоянной Планка, может сделать электрон подвижным только в том случае, если она будет больше, чем ширина энергетической щели, разделяющей валентную зону и зону проводимости полупроводника. Только в этом случае электрон при взаимодействии с фотоном может перейти из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие, можно говорить о существовании минимальной длины волны, при которой возможно появление подвижного электрона. Поэтому для того чтобы заставить световое излучение с длиной волны большей, чем минимальная генерировать электроны проводимости, полупроводники легируют различными присадками, что приводит к появлению у них промежуточных энергетических уровней в запрещенной зоне. Электроны проводимости способен генерировать свет в видимом диапазоне волн, а также инфракрасное излучение, точнее та ее часть, что находится ближе к видимой области спектра. При этом количество электронов (квантовый выход) является линейной функцией от числа фотонов, падающих на единицу площади за единицу времени, и может быть меньше за счет отраженных и поглощенных фотонов, а также больше – при бомбардировке поверхности сенсора высокоэнергетическими фотонами.

Известно, что светочувствительный сенсор цифровых фотокамер состоит из набора фотоэлементов, называемых пикселями, которые и образуют фотоматрицу. При попадании света на последнюю, пиксели генерируют электроны, которые собираются в потенциальных ямах. При этом величина аккумулируемого заряда определяется квантовой интенсивностью излучения, падающего на элементы матрицы, а также временем, за которое собирается этот заряд. В таких условиях задача сенсора определяется необходимостью генерации заряда, получаемого от фотона, его переноса, а также преобразования в напряжение, на основе которого будет сформирован сигнал, для получения информации об участке формируемого изображения.

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделенного от силиконовой подложки, в которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Положительное напряжение на электродах создает потенциальную яму, куда устремляются электроны из валентной зоны, сгенерированные уловленными фотонами. При этом сами электроны удерживаются под затворами под влиянием потенциального барьера, возникающего при подаче отрицательного напряжения на соседние электроды. Получается, что первая задача сенсора – уловить и удержать световой заряд, преобразованный в электронный, — выполнена. Далее необходимо каким-то образом передать его на управляющую электронику.

Для этого в ПЗС-матрицах применяются несколько способов, которые построены по схожему принципу. Суть его в том, чтобы заставить поликремниевые затворы, помимо функции электродов, выполнять еще и роль сдвиговых регистров, таким образом, чтобы они образовали конвейерную цепочку вдоль одной оси. При этом если учесть, что обычно один пиксель формируется несколькими, например, четырьмя элетродами, то попеременная подача на них высокого либо низкого напряжения по принципу n+1 (1-2, 2-3, 3-4 и т. д.) позволит накопленному заряду как бы перетекать по выбранной оси, не теряя своей величины. Это становится возможным благодаря тому, что, изменяя конфигурацию потенциального барьера, мы как бы сдвигаем потенциальную яму с накопленными в ней зарядами. Причем описанный цикл повторяется до тех пор, пока все содержимое выбранных осей не «перетечет» к управляющей логике, преобразующей поступивший заряд в определенный уровень напряжения. Собственно, такой способ передачи заряда и дал название фотоматрицам данного типа – приборы с зарядовой связью.

В отличие от ПЗС-, КМОП-матрицы более интеллектуальны, так как помимо сбора информации с фотоэлементов и ее переноса, они производят и обработку изображений, выделение контуров, могут на месте понижать уровень шумов снятого изображения, а также производить преобразование аналог-код. Все приведенные функции в ПЗС-структурах выполняются дополнительными схемотехническими решениями, из-за чего их принято считать более энергоемкими, чем интегрированные КМОП-структуры. Кроме того, КМОП-матрицы могут быть запрограммированы на различные алгоритмы улучшения отснятого материала, как обычные процессоры, что позволяет делать КМОП-устройства весьма гибкими и интеллектуальными.

Стоит сказать, что о КМОП-матрицах как о реальном конкуренте ПЗС-технологии заговорили относительно недавно – лишь в 1993 году, когда одной из лабораторий NASA удалось добавить к каждому активному сенсору транзисторный усилитель для считывания. Эта технология получила название Active Pixel Sensor CMOS. Именно этот прорыв обеспечил доступ к фотоэлементам, подобно применяемому в ячейках ОЗУ, где с помощью алгоритмов произвольного доступа можно производить считывание выбранных групп пикселей. На практике это позволяет быстрее, чем в ПЗС-структурах считывать данные, а кроме того, одновременно усиливать или обрабатывать сигнал. Так, например, не исключена возможность установки усилителей для каждого канала цветности, что должно вывести автоматическую балансировку белого на новый уровень. Не стоит забывать и о более сложной логике соединений в КМОП-устройствах, предполагающей более высокий тепловой режим, из-за чего воздействие тепловых шумов на КМОП-матрицу оказывается значительным.

Впрочем, КМОП-технология содержит в себе ряд сложностей. Среди них все те, что присущи и прочим КМОП-устройствам: токи утечки, остаточный заряд и, как следствие, сравнительно высокий уровень шума. Но эти проблемы в той или иной мере решаемы путем программирования внутренней логики КМОП-матриц.

Поскольку фотокамеры постепенно становятся неотъемлемым атрибутом сотовых телефонов, а к ним предъявляются требования высокого разрешения и качества при низком энергопотреблении, то перспективные КМОП-технологии нашли себе применение именно в данном сегменте цифровой фототехники. Компании Canon, Matsushita и Sony видят решение проблем увеличения разрешения КМОП-сенсоров путем уменьшения размеров элементов, а также путем улучшения качества с помощью применения новых архитектур. Изюминка новых архитектур в том, что теперь одни и те же транзисторы можно использовать для фиксирования сразу нескольких пикселей.

Обычно каждый КМОП-сенсор содержит от трех до четырех транзисторов на пиксель. В новой архитектуре на каждый пиксель придется менее двух транзисторов: Matsushita собирается использовать семь транзисторов на четыре пикселя, при этом размер каждого из них составит 2,25 мк. Такой сенсор компания планирует выпускать по 0,25-мк технологическим нормам. Как утверждают, это будет самый маленький сенсор, в том числе среди ПЗС-матриц. Похожую схему собирается использовать и Canon: на один пиксель придется 1,5 транзистора. Canon утверждает, что в ее схеме тепловой шум — главный бич КМОП-сенсоров — не будет превышать 50 пкА/см2 при температурах до 45 0С. Sony же планирует сделать основную ставку на низкое энергопотребление: компания уверена, что при работе в режиме 60 кадр/с потребление не превысит 49 мВт.

Впрочем, 60 кадр/с не ограничение для КМОП-технологии. Недавно американская компания Micron Technology выпустила новый КМОП-сенсор, способный снимать со скоростью до 200 кадр/с. Сенсор имеет разрешение 659х494 точки, размер элементов составляет 9,9х9,9 мк, встроенный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь с SRAM-памятью и обеспечивает отношение сигнал/шум 45 дБ. Применение фирменного роликового электрического затвора TrueSNAP с повышенной точностью хода позволило добиться того, что все пиксели начинают и заканчивают освещаться одновременно, что в свою очередь, положительно влияет на качество картинки, особенно при съемке быстродвижущихся объектов. Считывать данные с матрицы можно в прогрессивном или чересстрочном режиме или только с определенной области (окна). Так как разрешение сенсора слишком мало даже для самых простых фотокамер, основной областью его применения станет промышленное производство, например, системы машинного зрения.

Относительно новое слово в области формирования изображений принадлежит компании Foveon, разработавшей сенсор Х3. В основе этого светоприемника лежит известное дисперсное свойство кремния — поглощение света в зависимости от длины волны на разной глубине кристалла. Синий цвет, имеющий самую короткую длину волны, поглощается раньше других, и «синий» фотодетектор 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 серединке. Таким образом, матрица обрела «третье измерение». Подобное решение, очевидно, позволяет увеличить разрешающую способность сенсоров — ведь теперь детекторы, настроенные на один цвет, не разбросаны по всей матрице, а просто лежат друг над другом. Название нового сенсора «Х3» означает его «трехмерность» или «трехцветность»

По расчетам специалистов чувствительность сенсоров должна увеличиться главным образом за счет отсутствия разлагающего свет на три составляющие мозаичного фильтра, который и определяет основные потери чувствительности при цветной съемке. Как и в случае перехода от КМОП-матрицы к Super CCD-матрице, с увеличением чувствительности фотодетекторов должен уменьшаться и цветовой шум, поскольку уровень полезного сигнала становится еще выше. Однако если вспомнить о поглощении света при прохождении его через кристалл кремния, то выигрыш в светочувствительности может оказаться не столь значительным, как это представляется поначалу. Скорее всего, компания Foveon использует оригинальные алгоритмы коррекции получаемого цветного изображения. Но эти алгоритмы должны быть существенно проще, поскольку теперь вместо сопоставления цветов соседних сенсоров по всей матрице достаточно коррекции интенсивности каждого цвета. Видимо, и электроника такой цифровой камеры может быть упрощена.

По заявлению разработчиков Foveon, сенсор Х3 имеет еще одно интересное свойство — изменяемый размер пикселя (Variable Pixel Size). Малый размер позволяет делать снимки высокого разрешения и качества, больший — дает возможность снимать при слабом освещении. При этом объединение сенсоров в пиксели может производиться программно, без смены самой матрицы. Заявление несколько странное — и прежде в технологиях CCD и КМОП такая возможность была и называлась она бинированием. Очевидно, с уменьшением количества пикселей (а объединение первичных светочувствительных ячеек не что иное, как уменьшение количества пикселей) разрешение матрицы также будет уменьшаться.

В конце 2003 года компания Foveon выпустила усовершенствованную версию сенсора X3, он называется X3 Pro 10M. Новый сенсор отличается от прежней версии, в первую очередь тем, что каждый пиксель матрицы дополнительно «накрыт» микролинзой, а это позволило существенно повысить его восприимчивость и, как следствие, резко улучшить цветопередачу изображения. При количестве пикселей 3,46 млн новый сенсор X3 Pro 10M содержит в три раза больше фотодетекторов, чем КМОП- и CCD-аналоги — 10,6 млн. Однако это не делает его 10-мегапиксельным, так как создаваемая сенсором картинка из-за неизбежных потерь мощности при проходе светового потока по слоям-фильтрам соответствует примерно 70% того качества, которое можно было бы ожидать от сенсора на 10 Мп. Таким образом, разрешение нового сенсора примерно эквивалентно 7 Мп КМОП- и CCD-аналогов. Именно поэтому компания Foveon весьма аккуратно обходит вопрос о разрешении X3 Pro 10M: поскольку сенсор построен на уникальном принципе, то и мерить его достоинства нужно своими «линейками».

Впрочем, качественно нового уровня цветности можно достичь, в том числе и при использовании четырехцветной фильтрации и процессорной обработки изображения в режиме реального времени. Речь идет о новом фильтре компании Sony, который добавляет пиксель изумрудного цвета к базовому растру, работающему с красным, зеленым и синим цветами. После добавления изумрудного пикселя новый графический процессор камеры конвертирует четырехцветный сигнал обратно в традиционные три цвета посредством линейной матричной системы. По сравнению с традиционным трехцветным, этот фильтр в два раза уменьшает ошибку восприятия и делает изображение более близким к восприятию человеческим глазом при различных условиях съемки. Добавка к традиционному трехцветному фильтру светло-голубого, или, как называет его сама компания, изумрудного, позволяет создавать изображения более естественных цветов, приближая характеристики к человеческой зрительной системе. Новый процессор изображений, соответствующий RGBE-фильтру, обрабатывает каждый из захваченных фильтром сигналов таким образом, чтобы с помощью матричных вычислений создать цвета, наиболее близкие к человеческому восприятию. Плюс к этому новая 4-цветная система позволяет говорить об улучшении таких характеристик, как скорость съемки и воспроизведение сине-зеленых и красных оттенков. Компания собирается встраивать разработанные фильтр и процессор в новые модели цифровых камер, которые появятся в ближайшем будущем. По словам представителей Sony, новый процессор позволит также повысить скорость срабатывания затвора. Уменьшение времени вычислений на 40% дает возможность захватывать 8-мегапиксельное изображение за время, вдвое меньшее, чем требуется для этих же целей, например, 5-мегапиксельной камерой.

Четырехцветная RGBE-технология повышения качества цветопередачи ПЗС-матриц компании Sony — не единственное усовершенствование. В прошлом году компания Fuji Photo Film анонсировала четвертое поколение своей оригинальной методики производства светочувствительных сенсоров для цифровых фотокамер (общее название технологии — Super CCD). До качества передачи изображения, получаемого с помощью фотопленки, им конечно далеко, но, тем не менее, разрешающая способность нового поколения сенсоров увеличилась, а динамический диапазон расширился. Кроме того, важно понимать, что данная технология предлагается для любительских и полупрофессиональных камер. В готовых изделиях новая технология будет продвигаться на рынок под двумя именами — Super CCD HR и Super CCD SR.

Рассмотрим подробнее каждый из этих сенсоров. Первый из них представляет собой уже ставшую традиционной матрицу Super CCD. Напомним, что это такое. Фотодиоды в матрице Super CCD располагаются по диагонали и выполнены в виде восьмигранников. Подобное шахматное расположение элементов дает возможность записать снимок с разрешением в два раза большим, чем позволяет аппаратная возможность сенсора. К слову, в стандартной фотопленке светочувствительное зерно имеет неодинаковый от слоя к слою размер и характеризуется разным диаметром светочувствительных частиц. Поэтому технология Super CCD, если можно так выразиться, более «природная», нежели та, что применяется в стандартных ПЗС-сенсорах. На Super CCD матрице информация, соответствующая «пустой» клетке, высчитывается исходя из знания уровня заряда, накопленного в соседних элементах. Таким образом, технология производства Super CCD HR существенно не изменилась и основным улучшением в новом сенсоре, по отношению к предыдущему поколению матриц от Fuji Photo Film, является то, что светочувствительный элемент стал немного меньше, а стандартный размер матрицы при этом остался прежним. Так, Super CCD HR матрица размером 1/1,7 дюйма содержит 6,63 млн пикселей (интерполируется до 12,3 млн пикселей в записанном изображении), а матрица размером 1/2,7 дюйма вмещает 3,14 млн пикселей (интерполяция до 6 млн пикселей).

Инновационное решение применено при разработке второго представителя в линейке новых сенсоров Fuji Photo Film – Super CCD SR (Super Dynamic Range). Эта светочувствительная матрица, как и Super CCD HR, содержит почти 7 млн пикселей (6,7 млн для матрицы размером 1/1,7 дюйма) и построена по технологии, позволяющей расширить динамический диапазон матрицы. Для этого на ее поверхности нанесена не одна сплошная, а две «сетки» фотоэлементов, каждая из них содержит по 3,35 млн пикселей. Одна из сеток содержит «крупные», а значит, более чувствительные к свету S-пиксели, а вторая – более мелкие R-пиксели, которые менее чувствительны к свету. Таким образом, S-пиксели улавливают детали изображения в затемненных участках сцены, а R-пиксели легко фиксируют ярко освещенные участки. Специальный процессор по принципу суперпозиции складывает данные в единое изображение, полученное с каждой сетки фотодиодов, выдавая на выходе картинку с существенно расширенным динамическим диапазоном (ориентировочно, диапазон расширен в четыре раза). Попутно увеличена и чувствительность сенсоров. Ее максимальное значение (при разрешении 1280x960 пикселей) равняется 1600 единицам ISO.