Как это работает: матрица в фотоаппарате
Оригинальный пост http://www.livejournal.ru/omg/learn/id/81
Сердцем любой цифровой камеры является фотосенсор - матрица светочувствительных элементов, преобразующих падающий на них свет в электрический сигнал за счет внутреннего фотоэффекта в кремниевой структуре.
ohmygadget
Сердцем любой цифровой камеры является фотосенсор - матрица светочувствительных элементов, преобразующих падающий на них свет в электрический сигнал за счет внутреннего фотоэффекта в кремниевой структуре.
История фотосенсоров берет свое начало с 60-х годов прошлого века, когда ученые отрыли светочувствительные свойства полупроводника. Разработки в этой области стимулировались потребностями времен холодной войны, в том числе поиском альтернативы пленке в спутниковых съемочных системах. В 1969 году учеными Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом из Bell Laboratory был создан первый Charge Coupled Device (CCD) - прибор с зарядовой связью (ПЗС). И вот уже более 40 лет технология создания фотосенсоров непрерывно совершенствуется. Почти одновременно с изобретением ПЗС-матрицы была разработана концепция CMOS-сенсора, однако создать такой прибор удалось лишь в 1993 году в лабораториях NASA.
Уиллард Бойл и Джордж Смит
Технологии фотосенсоров потребовалось более 20 лет, чтобы обосноваться в сфере профессиональной фототехники, и почти 30 лет для выхода на массовый потребительский рынок. За эти годы было создано несколько разновидностей как CCD, так и CMOS- сенсоров. Сегодня матрицы используются повсюду - в медицинской технике, спутниковых фотокамерах, компьютерных мышках, веб-камерах, смартфонах, видеокамерах и, конечно, в фотоаппаратах всех мастей.
Принцип работы фотосенсора довольно прост - свет, представляющий собой поток фотонов, падает на фоточувствительные пиксели матрицы, в пикселе происходит превращение фотонов в электроны. Чем больше света попало на светочувствительную ячейку, тем больше электронов в ней образовалось, тем выше напряжение выходного сигнала. Сигнал каждой отдельной ячейки затем преобразуется в цифровой код специальными аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Далее с цифровыми значениями каждого пикселя производится ряд математических операция - и в конце концов получается обычный JPEG-файл, доступный для просмотра на любом компьютере.
Как видим, матрица реагирует только на интенсивность света, игнорируя цвет. Как же раскрашивается изображение в цветных сенсорах? Секрет кроется в использовании цветных светофильтров, которые покрывают пиксели сверху. В большинстве современных матриц каждый пиксель покрыт красным, зеленым или синим светофильтром. Каждый такой пиксель уже несет информацию не только о яркости, но и о цвете. Покрытые фильтрами пиксели организованы в группы по четыре, причем на два зеленых приходится по одному красному и одному синему. Такая несправедливость объясняется неодинаковой чувствительностью наших глаз к различным цветам. Данная схема организации пикселей называется шаблоном Байера и имеет обозначение RGGB (Red-Green-Green-Blue). Она была изобретена в 1976 доктором Брайсом Байером, сотрудником компании Eastman Kodak, и используется в производстве сенсоров по сей день.
Все сенсоры делятся по способу сбора накопленного заряда пикселей на две большие группы - CCD и CMOS.
В CCD-сенсорах информация считывается последовательно из каждой ячейки, строчка за строчкой. Накопленные заряды ячеек строки одновременно перемещаются в соседнюю нижнюю строку и так далее - вплоть до попадания в горизонтальный считывающий регистр. В этом регистре заряды завершают свой путь по матрице, освобождая место для новой партии зарядов. Сделать следующий снимок можно только после того, как все строки последовательно будут считаны, а ячейки очищены от зарядов. ПЗС-матрицы по способу считывания кадра делятся на чересстрочные, полнокадровые, матрицы с буфером хранения, матрицы ВЗН (временной задержки и накопления). Среди модификаций ПЗС особо стоит выделить сенсор Foveon X3 - только он позволяет регистрировать все три цветовые составляющие изображения одновременно в каждом пикселе. Структура такого пикселя напоминает трехслойный пирог - каждый слой воспринимает излучение одного из трех цветов. Такие сенсоры обладают не только реалистичной цветопередачей, но и высоким уровнем собственных шумов.
CMOS-матрицы работают принципиально по-другому - здесь заряд, накопленный каждым пикселем, считывается и обрабатывается независимо от остальных. Пиксель такого сенсора имеет собственный встроенный усилитель и АЦП. Большая часть работы по формированию изображения проводится прямо на кристалле. Благодаря независимости пикселей CMOS-матрицу можно использовать и для замера экспозиции, и для автофокусировки, что успешно реализовано в современных камерах. Такой набор функций на одном чипе - основное преимущество технологии CMOS над CCD. При этом также сокращается количество различных внешних компонентов и банально экономится место. Кроме того, КМОП-технология позволяет выпускать сенсоры, потребляющие в разы меньше энергии, что особо критично для телефонов, планшетов и ноутбуков. Но вместе с этим в структуре пикселя кроются и недостатки CMOS-сенсоров: такие сенсоры обладают более низкой светочувствительностью из-за меньшей площади пикселя, более высокие шумы из-за невозможности создать несколько миллионов идентичных усилителей и АЦП в сенсоре. Для повышения светочувствительности над каждым пикселем помимо светофильтров изготавливается микролинза, собирающая и фокусирующая пучок света прямо на светочувствительную зону пикселя. Относительно новым и эффективным методом повышения светочувствительности CMOS-сенсоров является технология обратной засветки (BSI).
Для изготовления традиционных CCD-датчиков необходимо дорогостоящее оборудование, а также специализированные технологические процессы. В то же время изготовление датчиков изображения по CMOS-технологии позволяет использовать стандартное промышленное оборудование, которое применяется при производстве большинства существующих микросхем - от процессоров до модулей памяти.
Несмотря на преимущества CMOS-технологии, в системах, где самым важным считается качество, лидерами все же остаются ПЗС-матрицы, так как они чувствительнее к свету, имеют больший динамический диапазон и меньший уровень шумов. Наилучшим примером их использования являются съемочные системы спутников, на которые устанавливаются исключительно CCD-cенсоры.
На сегодняшний день существует множество фотосенсоров различного типа - да еще и изобретаются новые. Зеркалки, системные камеры, мыльницы и телефоны - везде используются разные по величине матрицы. Размеры матрицы принято обозначать в виде дроби: например 1/1.8” или 1/2.3”. Чем больше знаменатель такой дроби, тем больше диагональ матрицы. Традиционно все сенсоры по своей площади и диагонали сравниваются с полнокадровым форматом 24х36 мм - это соответствует размеру кадра на 35-миллиметровой пленке.
Важной характеристикой сенсора, говорящей о его размере, является кроп-фактор. Кроп-фактором называют отношение диагонали полного кадра к диагонали сенсора. Чем больше линейные размеры матрицы, тем дороже вам обойдется камера. Это аксиома. А связано это с технологической сложностью изготовления качественных крупных сенсоров. Сенсоры, которые устанавливаются в профессиональные камеры, даже при меньшем разрешении стоят дороже небольших сенсоров, применяющихся в любительских камерах. Интересен тот факт, что полнокадровые сенсоры стали выпускать и использовать в камерах гораздо позже кропнутых.
С физическим размером пикселя и всей матрицы связана ее важнейшая характеристика - разрешение. Современные матрицы обладают гигантским разрешением, измеряемым десятками миллионов пикселей. Следующая характеристика сенсора - его динамический диапазон. Динамический диапазон характеризует способность сенсора улавливать градации яркости и может быть определен как отношение максимального уровня сигнала к уровню шумов. На сегодняшний день динамический диапазон самого качественного сенсора лишь приближается к динамическому диапазону фотопленки.
Как и для любой электронной системы, важной характеристикой является уровень шумов сенсора. Шумы проявляются на снимках в виде ореолов, точек, цветовых искажений, атрефактов и замыливания. Такие эффекты особо заметны при слабом освещении и высоких значениях ISO.
Отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы датчика, называется квантовой эффективностью. Этот параметр имеет очень высокое значение для CCD-датчиков - у самых качественных образцов он достигает 95%. Для сравнения, квантовая эффективность человеческого глаза составляет около 1%, а высококачественных фотопленки - не более 3%.
Дискуссия в журналеОбсудить на сайте