Светочувствительность матрицы

Светочувствительность – это способность фотоматериала реагировать на световое излучение. Она измеряется в относительных единицах. В разных странах действуют различные стандарты, наиболее популярным из них на данный момент в России и Европе является ISO.

Чем больше значение светочувствительности, тем меньшая освещенность потребуется для создания фотоизображения. Для съемки в плохо освещенных помещениях без дополнительных источников света требуется фотоматериал с большей чувствительностью.

Максимальная светочувствительность матрицы является постоянной. Она зависит от размера ячеек. Чем больше размеры пикселя, тем больше света он воспринимает и тем более чувствительной будет матрица.

Изменение значений чувствительности матрицы происходит за счет усиления сигнала. Однако такое изменение чувствительности ведет к ухудшению качества изображения, т.к. усиливается не только полезный сигнал, но и цифровой шум.

Цифровой шум – это появление на фотографии разноцветных точек и пятен, отличных по цвету или по яркости от основного цвета объекта съемки. При увеличении чувствительности фотоматрицы усиливаются и шумы, следовательно, производить съемку лучше всего на минимально допустимых значениях светочувствительности.

Устройство матрицы

Поверхность матрицы заполнена маленькими элементами, каждый из которых по своей сути является преобразователем энергии света в электрический заряд. Под действием света в каждой из ячеек накапливаются свободные электроны, образуется электрический заряд. При этом количество электронов и, соответственно, уровень заряда пропорциональны количеству света, упавшего на поверхность ячейки.

Чем больше ячеек, тем больше информации об объекте съемки будет содержать цифровое изображение, тем выше его качество. Кроме того, от количества ячеек будет зависеть размер фотографии, которую можно будет отпечатать с данного файла. Светочувствительные матрицы цифровых фотоаппаратов жестко встроены в фотоаппарат, поэтому количество ячеек является одним из определяющих факторов при выборе камеры.

Для регистрации падающего света в цифровых фотокамерах используется микросхема с матрицей из фотоэлементов (CCD или CMOS). Это устройство «запоминает» картинку – выполняет в цифровых фотокамерах роль фотоплёнки.

Вообще говоря, по способу регистрации изображения ПЗС и КМОП-матрицы отличаются друг от друга не так уж сильно. Светочувствительный сенсор этих устройств состоит из набора фотоэлементов на основе оксида кремния, называемых пикселями, которые и образуют фотоматрицу. Свет, попадая на поверхность пикселей, вызывает появление свободных электронов, которые аккумулируются в так называемых потенциальных ямах. При этом величина суммарного заряда этих электронов определяется интенсивностью излучения, падающего на элементы матрицы, а также временем, за которое формируется заряд.

На этом сходство в работе ПЗС и КМОП-матриц заканчивается. Для того чтобы получить изображение, необходимо информацию о величине заряда как-то преобразовать и передать управляющим электронным схемам. Способы передачи этой информации и преобразования заряда в напряжение у ПЗС и КМОП-сенсоров принципиально различны.

ПЗС (приборы с зарядовой связью) являются специализированными чипами и используются только для получения изображения. Производят их всего несколько фирм – дочерние компании таких гигантов, как Sony, Philips, Kodak, Matsushita, Fuji и Sharp.

В ПЗС-матрице считывание содержимого потенциальных ям происходит путем переноса заряда от пикселя к пикселю с помощью управляющих электродов. Образуются своеобразные конвейерные цепочки для передачи зарядов вдоль оси матрицы.

Представьте себе скопление людей, которые во время дождя построились в виде прямоугольника, как на военном параде. Каждый человек держит в руках по ведру, куда попадают капли дождя, а затем, по команде, все разом передают ведра друг другу вдоль одной из сторон прямоугольника. Самая крайняя шеренга ставит ведра на ленту транспортера, который их и увозит. И так продолжается до тех пор, пока все ведра не будут увезены... Так же и заряды перетекают вдоль одной оси матрицы из пикселя в пиксель с определенным временным лагом, пока все сигналы не будут считаны управляющей электроникой. Таким образом, формируется один кадр изображения.

В КМОП-матрице заряд преобразуется в напряжение непосредственно в пикселе и может быть сразу считан электроникой. Следуя нашей аналогии с ведрами, к каждому человеку в строю здесь подведен свой собственный транспортер. Система получается на первый взгляд сложнее, но на практике она оказывается значительно дешевле.

Дело в том, что производство ПЗС-матриц сильно отличается от изготовления обычных микросхем, в то время как КМОП-сенсоры могут выпускаться практически на том же конвейере, что и «классические» микросхемы, затраты на перенастройку оборудования при этом минимальны.

Кроме дешевизны производства КМОП-устройства обладают и другими преимуществами. Архитектура КМОП позволяет производить обработку изображений и аналого-цифровые преобразования (АЦП) непосредственно на чипе. КМОП-сенсоры требуют меньше энергии, чем ПЗС, поэтому они более эффективны и не так дороги в эксплуатации. Кроме того, КМОП-камерам не нужно столько лишних схем и плат, поэтому они могут быть величиной меньше наперстка.

КМОП-матрицы реально запрограммировать на различные алгоритмы улучшения отснятого материала – как обычные процессоры, что позволяет делать КМОП-устройства весьма гибкими и интеллектуальными. Также необходимо отметить, что, поскольку в КМОП-сенсоре происходит считывание заряда одновременно со всех пикселей, эти матрицы более быстродействующие и способны производить до 200 кадров в секунду. Столь широкий набор функций, выполняемых всего одной микросхемой, – основное достоинство технологии КМОП.

У большинства (кроме матриц Foveon) фотоматриц пикселем называется отдельный светочувствительный элемент. Все «голые» фотоэлементы воспринимают свет различных длин волн одинаково. Чтобы матрица могла фиксировать изображение в цвете, каждый фотоэлемент закрывается светофильтром. Светофильтры могут наноситься непосредственно на фотослой, или могут быть сделаны в виде матрицы светофильтров, которая накрывает фотоматрицу.

В обзоре передовых методов производства светочувствительных сенсоров нельзя не упомянуть о технологии Super CCD, разработанной компанией Fujifilm. Технология продвигается на рынок под двумя названиями – Super CCD HR и Super CCD SR (Рис. 25)

Фотосенсоры в матрице Super CCD HR (High Resolution) выполнены в виде восьмиугольников. Такое расположение светочувствительных элементов дает возможность записать снимок с разрешением в два раза большим, чем при ином расположении фотодиодов.

 

Рис. 25

Матрицы Fuji Super CCD SR и Fuji Super CCD SR II

Технология Super CCD SR (Super Dynamic Range) позволяет расширить динамический диапазон матрицы. Для этого на поверхность последней нанесены две «сетки» фотоэлементов, имеющие одинаковое количество пикселей. Одна из сеток содержит крупные, а значит, более чувствительные к свету S-пиксели, а вторая – мелкие R-пиксели, которые менее чувствительны к свету. Таким образом, S-пиксели улавливают детали изображения в затемненных участках мизансцены, а R-пиксели фиксируют ярко освещенные участки. Специальный процессор по принципу суперпозиции складывает данные с каждой сетки фотодиодов в единое изображение, выдавая «на выходе» картинку с расширенным в четыре раза динамическим диапазоном.

Мы рассмотрели только видимую часть айсберга. На самом деле различных направлений в технологиях и производстве ПЗС и КМОП-матриц существует великое множество, и они продолжают развиваться.

Каковы прогнозы на будущее для обеих технологий? Согласно данным японской исследовательской компании Techno Systems Research (TSR), мировые поставки КМОП-матриц в 2006 году превысят аналогичные показатели для ПЗС-сенсоров. По предварительным оценкам, поставки ПЗС в указанный период могут достичь 205 млн. шт., в то время как поставки КМОП составят 228 млн. шт. В 2005 году росту использования КМОП-матриц будет способствовать увеличение спроса на мобильные телефоны, оснащенные фотокамерами.

В любом случае можно с уверенностью сказать, что КМОП-матрицы в ближайшее время завоюют рынок мобильных телефонов и фотокамер средней цены. Что касается профессионального фото и видеооборудования, вопрос пока открыт: технология КМОП наступает и здесь, хотя и не так стремительно. Так или иначе, аналитики считают, что в течение двух-трех ближайших лет ПЗС-матрицы будут вытеснены, по крайней мере, из моделей начального и среднего уровня.