ПЗС-матрицы цифровых фотокамер

[Alv]

Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица
Технику, как и людей, принято «встречать по одёжке» – по одному из параметров, принятому в качестве ключевого. Первое впечатление о фотоаппарате принято составлять по его объективу, и оценка эта по большей части будет справедлива даже после её проверки самым тщательным и комплексным тестированием камеры. Однако от характеристик ПЗС-матрицы зависит не только качество регистрации сгенерированного объективом кадра, но и сам процесс формирования изображения в оптическом тракте фотоаппарата.

Общеизвестно, что качество работы любого оптического прибора зависит от его объектива. Однако при использовании какого бы то ни было регистратора изображения, будь то плёнка кинокамеры, электронно-оптический преобразователь прибора ночного видения либо ПЗС-матрица цифрового фотоаппарата, не менее важную роль играют параметры этого устройства. При всех различиях между принципами действия регистраторов существует ряд характеристик, совершенно одинаковым образом влияющих на процесс съёмки. Среди них можно выделить габариты регистратора изображения, его чувствительность и динамический диапазон, точность цветопередачи, минимальный возможный интервал между экспозициями и многое другое. По общепринятому мнению, наибольшее значение для процесса съёмки имеют первые три параметра, причём в ПЗС-матрице все они неразрывно связаны друг с другом.

Size Does Matter

Название этой главы – «Размер имеет значение» – совершенно справедливо для регистратора изображения любого типа. В середине прошлого века любой из фотографов был вынужден искать компромиссное решение, выбирая между разными форматами фотоматериалов. Среднеформатные плёнки (размер кадра 6x4,5; 6x6; 6x7 и 6x9 см) и крупноформатные пластинки (9x12; 13x18 и 18x24 см) считались «выбором профессионала», так как обеспечивали широкий динамический диапазон (интервал между точно воспроизводимыми самым тёмным и самым светлым тоном формируемого объективом изображения) и высокую чёткость снимка. При этом малоформатная, то есть привычная всем 35-миллиметровая пленка, долгое время считалась пригодной только для любительской фотографии, а её профессиональное применение ограничивалось репортажной съёмкой. Однако со временем зернистость малоформатной плёнки становилась все меньше и меньше, обеспечивая постепенный рост разрешения снимка, одновременно расширялся динамический диапазон 35-миллиметрового кадра.

После того как разрешение 35-миллиметровой плёнки перешло определённый порог, малоформатная фототехника стала стремительно вытеснять среднеформатные камеры. Причиной тому стали не только заметно меньшие габариты 35-миллиметровых фотоаппаратов и сравнительная простота их эксплуатации, но и сопутствующая выгода от перехода на меньший размер кадра. Преимущества заключались, во-первых, в возможности сократить фокусное расстояние оптической системы (и уменьшить размеры и вес объектива), при этом величина объекта в кадре не изменялась. Во-вторых, при уменьшении габаритов кадра возрастает глубина резкости объектива (отрезок пространства перед объективом – все объекты, попавшие в этот отрезок, будут отображены на плоскости регистратора изображения с достаточной резкостью). Возросшая глубина резкости, в свою очередь, позволяет компенсировать ошибки фокусировки либо «приоткрыть» при съёмке диафрагму, в результате можно использовать более «короткую» выдержку и заметно снизить шанс «сдергивания» снимка. В-третьих, размер кадра прямо пропорционален минимальной дистанции съёмки, таким образом, малоформатные камеры имеют преимущество при макросъёмке (фотографировании мелких объектов со сверхмалой дистанции, от 50 см и менее).

Примерно так же обстоят дела с цифровой фототехникой, только вот габариты основных типов регистраторов изображения значительно меньше. В частности, ПЗС-матрицы, по размеру соответствующие кадру среднеформатной плёнки, тоже используются в цифровой технике, однако высокая стоимость обусловила слабую распространённость данного типа сенсоров. Фактически сегмент рынка цифровой техники «среднего формата» составляет лишь несколько процентов от той доли, которая приходилась в своё время на плёночные среднеформатные камеры, а основной парк цифровых фотоаппаратов состоит из профессиональных и любительских моделей.

Первые образцы профессиональных камер представляли собой 35-миллиметровые «зеркалки», у которых столик для плёнки был заменён ПЗС-матрицей. Профессиональные модели последних лет заметно отличаются от своих плёночных «собратьев», однако в целом их конструкция содержит ряд объединяющих черт:
- байонетный разъём для сменных объективов;
- подъёмное зеркало, направляющее в окуляр видоискателя изображение, сформированное объективом;
- ПЗС-матрица размером от 36x24 до 18x13,5 мм.

Любительские модели появились одновременно с профессиональными камерами, и их основные отличительные особенности тоже сохранились неизменными:
- постоянный объектив;
- ПЗС-матрица размером от 8,6x6,5 до 5,2x3,9 мм.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

Оттенками синего отмечены ПЗС-матрицы профессиональных камер, оттенками красного – сенсоры любительской техники
На иллюстрации со сравнительными габаритами ПЗС-матриц использован термин «формфактор», требующий дополнительного объяснения. Матрицы любительских фотоаппаратов с момента их появления принято характеризовать числом, указывающим на диагональ сенсора в долях дюйма (1/2,5, 1/1,8, 2/3 и так далее). Данное число, именуемое формфактором, не соответствует реальной диагонали матрицы, составляющей примерно 2/3 от формфактора. Например, ПЗС-матрица с формфактором 1/1,8 имеет диагональ 9 мм. Несовпадение это вызвано тем, что термин формфактор, описывающий размер регистрирующего элемента, перекочевал в цифровую фотографию из телетехники. В телекамерах для регистрации изображения использовались электронно-лучевые трубки, у которых из всей фронтальной площади колбы использовалась прямоугольная область с соотношением сторон 4:3, диагональ которой составляла примерно 2/3 от диаметра колбы. Именно этот виртуальный «диаметр колбы» и используется в качестве параметра, описывающего физический размер ПЗС-матрицы любительских фотоаппаратов.

Как видно из приведённых данных, пропорция между габаритами сенсоров, используемых в профессиональной и любительской технике, примерно соответствует соотношению кадров среднеформатной и 35-миллиметровой плёнки. В свою очередь, процентное отношение рынков профессиональных и любительских цифровых камер практически такое же, какое было у сегментов среднеформатной и 35-миллиметровой техники, ну а плюсы малогабаритных регистраторов изображения в цифровой фототехнике выражены даже более наглядно, чем в классической фотографии:
- были разработаны сверхкомпактные любительские модели с объективом «перископной» схемы, полностью спрятанным внутри корпуса. Благодаря такому решению удалось создать пылевлагозащищённые камеры, выдерживающие получасовое пребывание под водой на глубине полтора метра;
- у «дальнобойных» любительских камер вариообъективы с фантастическим диапазоном фокусного расстояния (с кратностью 14х) и системой оптической стабилизации по своим габаритам не превышают 35-миллиметровую оптику стандартного диапазона (с кратностью 3х). В результате любознательный турист вместо крупногабаритного кофра обходится компактным чехлом;
- при макросъёмке минимальная дистанция фотографирования большинства любительских моделей не превышает нескольких сантиметров. В сочетании с высоким разрешением ПЗС-матриц это обеспечивает высочайшую детализацию самых миниатюрных объектов съёмки.
Однако плата за все эти «удовольствия» чрезвычайно высока.

Отличие «химии» от «физики»

В отличие от фотоплёнки, у которой чёткость регистрируемого изображения зависит только от технологических возможностей наносящего светочувствительную эмульсию оборудования, ПЗС-матрица имеет значительно больше ограничений по росту разрешения. Вызвано это тем, что регистрирующие свет элементы матрицы, именуемые пикселями, работают не так, как светочувствительный слой плёнки. Фотоны, падающие на поверхность плёнки, вызывают модификацию химического состава светочувствительных зёрен без каких-либо дополнительных устройств, а изменение прозрачности и цвета с эмульсии обеспечивается дальнейшей обработкой специальными реактивами.

В пикселе преобразование света в электрический заряд невозможно без так называемой обвязки – совокупности электронных компонентов, обеспечивающих хранение и считывание накопленного пикселем заряда, сброс избыточного заряда, а также ряд других необходимых функций. В зависимости от типа ПЗС-матрицы на долю обвязки может приходиться от 30 до 70% всей площади пикселя. Из-за этого сокращается как светочувствительная область пикселя, так и его способность аккумулировать электрический заряд. Первое приводит к уменьшению чувствительности (восприимчивости регистратора изображения к световому излучению), второе – к сужению динамического диапазона. Разумеется, совершенствование технологий позволяет компенсировать потери чувствительности и динамического диапазона, обусловленные обвязкой. Однако при увеличении разрешения матрицы с сохранением её габаритов площадь каждого пикселя уменьшается – с соответствующими для чувствительности и динамического диапазона последствиями. Если при этом ещё и размер обвязки остаётся прежним, то доля светочувствительной области пикселя уменьшается ещё сильнее, усугубляя негативный эффект.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

Матрица с более высоким разрешением (справа) отличается меньшей относительной площадью светочувствительных областей пикселей
Именно поэтому каждый скачок разрешения ПЗС-матриц любительских фотокамер сопровождается упорной борьбой разработчиков за сохранение чувствительности и динамического диапазона. В профессиональной фототехнике размер каждого пикселя в несколько раз больше, поэтому динамический диапазон и чувствительность этих камер выгодно отличает их от любительских моделей. Это обстоятельство обусловило высокую популярность профессиональных моделей начального уровня – предложенные рынку несколько лет назад камеры ценой до тысячи долларов с самого своего появления пользовались повышенным спросом, а постоянно снижающаяся цена на эти фотоаппараты привела к исчезновению сразу нескольких типов любительской фототехники.

«Меньше» — не всегда «хуже»

В 2002 году появилась спецификация стандарта Four Thirds, использующего ПЗС-матрицу в два раза меньшей площади, чем 35-миллиметровый кадр, а также соответствующих габаритов сменную оптику. Согласно утверждениям разработчиков стандарта, такое решение должно было обеспечить объективам Four Thirds уменьшение массогабаритных характеристик в два раза. За прошедшее время появился достаточно богатый ассортимент оптики данного стандарта, поэтому можно констатировать, что предположение создателей Four Thirds полностью оправдалось.

Тем не менее в стандарте Four Thirds технику производят всего две фирмы – Olympus и Panasonic. Все остальные производители при разработке цифровых «зеркалок» ориентируются на 35-миллиметровую оптику, полагая при этом, что заметно более широкий ассортимент «классических» объективов должен компенсировать проигрыш по массогабаритным характеристикам. Однако большинство ПЗС-матриц, используемых в профессиональной технике, меньше стандартного кадра 35-миллиметровой плёнки. Практически все сенсоры выполнены в габаритах кадра плёнки APS (Advanced Photo System) – подававшего большие надежды, но так и не принятого рынком стандарта. Размер этого кадра составляет порядка 25,1x16,7 мм, при этом используемые некоторыми производителями сенсоры могут быть чуть меньше либо чуть больше. Применение 35-миллиметровой оптики приводит к тому, что часть формируемого объективом изображения оказывается в буквальном смысле «за кадром». В итоге снимки получаются такими, как если бы их делали объективом с большей длиной фокусного расстояния. Таким образом, вариообъектив 28-50 мм, используемый в профессиональной камере с ПЗС-матрицей, в полтора раза меньшей 35-миллиметрового кадра, приобретает диапазон фокусного расстояния 42-75 мм.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

При регистрации центральной области кадра получается эффект длиннофокусного объектива
Условное «увеличение» фокусного расстояния зависит от размеров матрицы и выражается с помощью величины, именуемой коэффициентом фокусного расстояния (в англоязычной литературе используется термин crop-factor). В ранних профессиональных камерах, оснащённых совсем уж маленькими матрицами, этот коэффициент достигал 2,5. При использовании ПЗС-матрицы «формата APS» коэффициент равен 1,5. Большинство профессиональных камер фирмы Canon оснащены сенсором чуть меньших габаритов (22,2x14,8 мм), поэтому имеют коэффициент 1,6, однако среди моделей высшего уровня имеется серия с матрицей стандарта APS-H, то есть APS-High Definition. Размер этого сенсора составляет 28,7x19,1 мм, а коэффициент фокусного расстояния равен 1,3.

То, что часть светового изображения остаётся «за кадром», имеет как плюсы, так и минусы. Например, уменьшается угловое поле объектива, поэтому тяжелее вести широкоугольную съёмку. Следует учесть также, что короткофокусная оптика стоит немалых денег – и чем меньше фокусное расстояние, тем объектив дороже. Однако объективы для телесъёмки тоже недёшевы, и чем больше их фокусное расстояние, тем, как правило, меньше максимальное относительное отверстие и светосила. При коэффициенте фокусного расстояния 1,5 недорогой «телевик» 200 мм f/4,5 превращается в 300-миллиметровый объектив. В то же время у большинства «настоящих» 300-миллиметровых «телевиков» диафрагму можно раскрыть максимум на f/5,6, тогда как у «конвертированного» 200-миллиметрового объектива она остаётся прежней – f/4,5.

Практически каждый объектив в той или иной степени страдает от геометрических аберраций, искажающих очертания объектов съёмки, причём особенно сильно их присутствие выражено у краёв снимка. Если коэффициент фокусного расстояния больше единицы, то при регистрации ПЗС-матрицей изображения, сформированного объективом, его краевые области в снимок не попадут.

Следует отметить, что некоторые производители всё-таки выпускают оптику, адаптированную к сенсорам APS-габаритов. Например, фирма Nikon, используя свои наработки по производству объективов для APS-камер серии Pronea, анонсировала в 2002 году линейку оптики Nikkor DX, в которой линзы изначально подбирались с тем, чтобы световое изображение было в полтора раза меньше кадра 35-миллиметровой плёнки. Разумеется, в 35-миллиметровой «зеркалке» эти объективы использовать нельзя, но за счёт меньшего диаметра линз удалось снизить массогабариты изделий, кроме того, снизилась стоимость оптики, а это во все времена и для любого товара является едва ли не главным аргументом. Годом позже Canon вышла на рынок с серией EF-S. Отличие этих объективов от линейки EF заключается в более глубоком расположении их выходной линзы внутри корпуса фотоаппарата. Именно поэтому в названии присутствует буква S (short – «короткий»), ведь фокусное расстояние объектива при этом укорачивается, а изображение, формируемое оптикой, уменьшается. Объективы серии EF-S получаются дешевле и легче, чем обычная оптика, однако их можно использовать только в камерах Canon с коэффициентом фокусного расстояния не менее 1,6.

Марин Милчев [Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

Продолжение следует

[Alv]

Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица
Часть вторая
После прочтения предыдущей части у нашего читателя могло сложиться впечатление, что ПЗС-матрица – это некий «чёрный ящик», выдающий «электронный негатив» после того, как на его регистрирующую поверхность было спроецировано созданное объективом световое изображение, и что на качество снимка влияет исключительно размер сенсора.

Той же точки зрения придерживаются продавцы цифровой фототехники, мягко, но настойчиво подталкивающие потенциального покупателя к приобретению модели с как можно более крупногабаритной матрицей, даже если объективных причин для такой покупки нет. Ещё чаще в качестве «наживки» для клиента выступают разного рода «уникальные разработки», использованные при создании матрицы, которые, как ни странно, никем из прочих производителей не применяются.

Начинающему фотолюбителю трудно отличить рекламные обещания от действительно эффективных инженерных находок. В настоящей статье будет сделана попытка «отделить зерна от плевел», однако для начала необходимо ознакомиться с базовыми определениями цифровой фотографии.

Как фотон становится электроном

В приборах с зарядовой связью преобразование фотона в электрон производится в результате внутреннего фотоэффекта: поглощения светового кванта кристаллической решёткой полупроводника с выделением носителей заряда. Это может быть либо пара «электрон + дырка», либо единичный носитель заряда – последнее происходит при использовании донорных либо акцепторных примесей в полупроводнике. Очевидно, что образовавшиеся носители заряда до момента считывания необходимо как-то сохранить.

Для этого основной материал ПЗС-матрицы – кремниевая подложка p-типа – оснащается каналами из полупроводника n-типа, над которыми из поликристаллического кремния изготавливаются прозрачные для фотонов электроды. После подачи на такой электрод электрического потенциала в обеднённой зоне под каналом n-типа создаётся потенциальная яма, назначение которой – хранить заряд, «добываемый» посредством внутреннего фотоэффекта. Чем больше фотонов упадёт на ПЗС-элемент (пиксель) и превратится в электроны, тем выше будет заряд, накопленный ямой.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

Сечение пикселя ПЗС-матрицы

Чтобы получить «электронный негатив», необходимо считать заряд каждой потенциальной ямы матрицы. Данный заряд получил название фототок, его значение довольно мало и после считывания требует обязательного усиления.

Считывание заряда производится устройством, подключённым к самой крайней строке матрицы, которое называется последовательным регистром сдвига. Данный регистр представляет собой строку из ПЗС-элементов, заряды которой считываются поочерёдно. При считывании заряда используется способность ПЗС-элементов к перемещению зарядов потенциальных ям – собственно, именно поэтому данные устройства называются приборами с зарядовой связью. Для этого используются электроды переноса (transfer gate), расположенные в промежутке между ПСЗ-элементами. На эти электроды подаются потенциалы, «выманивающие» заряд из одной потенциальной ямы и передающие его в другую.

При синхронной подаче потенциала на электроды переноса обеспечивается одновременный перенос всех зарядов строки справа налево (или слева направо) за один рабочий цикл. Оказавшийся «лишним» заряд поступает на выход ПЗС-матрицы. Таким образом, последовательный регистр сдвига преобразовывает заряды, поступающие на его вход в виде параллельных «цепочек», в последовательность электрических импульсов разной величины на выходе. Чтобы подать эти параллельные «цепочки» на вход последовательного регистра, опять-таки используется регистр сдвига, но на этот раз параллельный.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

Перенос заряда в матрице

Фактически параллельным регистром является сама ПЗС-матрица, создающая посредством совокупности фототоков электронный «слепок» светового изображения. Матрица представляет собой множество последовательных регистров, называемых столбцами и синхронизированных между собой. В результате за рабочий цикл происходит синхронное «сползание» фототоков вниз, а оказавшиеся «лишними» заряды нижней строки матрицы поступают на вход последовательного регистра.

Как следует из вышесказанного, необходимо достаточно большое количество управляющих микросхем, синхронизирующих подачу потенциалов как на параллельный, так и на последовательный регистры сдвига. Очевидно, что последовательный регистр должен полностью освободиться от зарядов в промежутке между тактами параллельного регистра, поэтому требуется микросхема, синхронизирующая между собой оба регистра.

Из чего состоит пиксель

По указанной выше схеме работает так называемая полнокадровая ПЗС-матрица (full-frame CCD-matrix), её режим работы накладывает некоторое ограничение на конструкцию камеры: если в процессе считывания фототоков экспонирование не прекращается, «лишний» заряд, генерируемый попадающими на пиксели фотонами, «размазывается» по кадру. Поэтому необходим механический затвор, перекрывающий поступление света к сенсору на время, необходимое для считывания зарядов всех пикселей. Очевидно, что такая схема считывания фототоков не позволяет формировать видеопоток на выходе с матрицы, поэтому применяется она только в фототехнике.

Впрочем, избыточный заряд может накопиться в потенциальной яме и при фотосъёмке – например, при слишком «длинной» выдержке. «Лишние» электроны стремятся «растечься» по соседним пикселям, что на снимке отображается в виде белых пятен, размер которых связан с величиной переполнения. Данный эффект именуется блюмингом (от английского blooming – «размывание»). Борьба с блюмингом осуществляется посредством электронного дренажа (drain) – отвода из потенциальной ямы избыточного заряда. Существует два основных вида дренажа: вертикальный (Vertical Overflow Drain, VOD) и боковой (Lateral Overflow Drain, LOD).

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

Схема бокового дренажа

Для реализации вертикального дренажа на подложку ЭОП подаётся потенциал, который при переполнении глубины потенциальной ямы обеспечивает истечение избыточных электронов сквозь подложку. Основной минус такой схемы – уменьшение глубины потенциальной ямы, в результате чего сужается динамический диапазон. А в матрицах с обратной засветкой (в них фотоны проникают внутрь сенсора не сквозь электрод потенциальной ямы, а со стороны подложки) вертикальный дренаж вообще неприменим.

Боковой дренаж осуществляется при помощи специальных «дренажных канавок», в которые «стекают» избыточные электроны. Для формирования этих канавок прокладываются специальные электроды, на которые подаётся потенциал, формирующий дренажную систему. Другие электроды создают барьер, препятствующий преждевременному «бегству» электронов из потенциальной ямы.

Как следует из описания, при боковом дренаже глубина потенциальной ямы не уменьшается, однако при этом урезается площадь светочувствительной области пикселя. Тем не менее без дренажа обойтись нельзя, так как блюминг искажает снимок больше, чем все остальные виды помех. Поэтому производители вынуждены идти на усложнение конструкции матриц.

Таким образом, «обвязка» любого пикселя состоит как минимум из электродов переноса заряда и из компонентов дренажной системы. Однако большинство ПЗС-матриц отличается более сложной структурой своих элементов.

Оптика для пикселя

ПЗС-матрицы, используемые в видеокамерах и в большинстве любительских цифровых фотоаппаратов, обеспечивают непрерывный поток импульсов на своём выходе, при этом перекрытие оптического тракта не происходит. Чтобы при этом не происходило «смазывание» изображения, используются ПЗС-матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix).

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

Структура матрицы с буферизацией столбцов

В таких сенсорах рядом с каждым столбцом (который представляет собой последовательный регистр сдвига) располагается буферный столбец (тоже последовательный регистр сдвига), состоящий из ПЗС-элементов, покрытых непрозрачными полосками (чаще металлическими). Совокупность буферных столбцов составляет буферный параллельный регистр, причём столбцы данного регистра «перемешаны» с регистрирующими свет столбцами.

За один рабочий цикл светочувствительный параллельный регистр сдвига отдаёт все свои фототоки буферному параллельному регистру посредством «сдвига по горизонтали» зарядов, после чего светочувствительная часть снова готова к экспонированию. Затем идёт построчный «сдвиг по вертикали» зарядов буферного параллельного регистра, нижняя строка которого является входом последовательного регистра сдвига матрицы.

Очевидно, что перенос заряда матрицы в буферный параллельный регистр сдвига занимает малый интервал времени и перекрывать световой поток механическим затвором нет необходимости – ямы не успеют переполниться. С другой стороны, необходимое время экспонирования, как правило, сравнимо со временем считывания всего буферного параллельного регистра. За счёт этого интервал между экспонированием можно довести до минимума – в результате видеосигнал в современных видеокамерах формируется с частотой от 30 кадров в секунду и выше.

В свою очередь, сенсоры с буферизацией столбцов подразделяются на две категории. При считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной развёрткой (progressive scan). Когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй – чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan). Кстати, за счёт сходства звучания английских терминов «матрица с буферизацией столбцов» (interlined) и «чересстрочная матрица» (interlaced) в отечественной литературе сенсоры с буферизацией строк нередко ошибочно называют чересстрочными.

Как ни странно, «размазывание» заряда (smear) происходит и в матрицах с буферизацией столбцов. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму расположенного рядом буферного элемента. Особенно часто это происходит при близких к максимальному уровнях фототока, вызванных очень высокой освещённостью пикселя. В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой точки протягивается светлая полоса, которая портит кадр.

Для противодействия этому явлению увеличивают расстояние между светочувствительным и буферным ПЗС-элементами. В результате усложняется обмен зарядом и увеличивается затрачиваемое на это время, однако искажения кадра, вызываемые «размазыванием», всё же слишком заметны, чтобы ими пренебрегать.

Буферизация столбцов позволяет также реализовать электронный затвор, с помощью которого можно отказаться от механического перекрытия светового потока. С помощью электронного затвора можно получить сверхмалые (до 1/10000 секунды) значения выдержки, недостижимые для механического затвора. Эта возможность особенно актуальна при фотографировании спортивных состязаний, природных явлений и т. п.

Для реализации электронного затвора обязательно необходим антиблюминговый дренаж. При очень коротких выдержках, которые по длительности меньше, чем время переноса заряда из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму буферного, дренаж играет роль «отсечки». Эта «отсечка» предотвращает попадание в яму буферного ПЗС-элемента электронов, возникших в яме светочувствительного элемента по истечении времени выдержки.

Однако схема с буферизацией столбцов не лишена недостатков. Основной минус заключается в том, что буферные регистры сдвига «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю в качестве светочувствительной области достаётся лишь 30% от его общей поверхности. У пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%. Для компенсации этого минуса производители используют микролинзы, располагающиеся над каждым элементом матрицы и фокусирующие весь достающийся пикселю световой поток на сравнительно малую светочувствительную область.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

Структура пикселей – с микролинзой и обычного

Степень концентрации светового потока при прохождении сквозь микролинзу зависит от технологического уровня производителя матрицы. Встречаются довольно сложные конструкции, обеспечивающие максимальную эффективность этим миниатюрным устройствам.

Однако при использовании микролинз значительно сокращается вероятность того, что лучи света, падающие под большим углом к нормали, проникнут в светочувствительную область. А при большом отверстии диафрагмы процент таких лучей довольно велик. Таким образом, уменьшается интенсивность воздействия светового потока на матрицу, то есть основной эффект, ради которого открывают диафрагму.

Впрочем, вреда от таких лучей ничуть не меньше, чем пользы. Дело в том, что, проникая в кремний под большим углом, фотон может войти в матрицу на поверхности одного пикселя, а выбить электрон в теле другого. Это приводит к искажению изображения. Поэтому, чтобы ослабить влияние таких «бронебойных» фотонов, поверхность матрицы, за исключением светочувствительных областей, покрывается непрозрачной маской (чаще металлической), что дополнительно усложняет конструкцию матриц.

Кроме того, микролинзы вносят определённые искажения в регистрируемое изображение, размывая края линий, толщина которых на грани разрешения сенсора. Но и данный негативный эффект может оказаться частично полезным. Такие тончайшие линии могут привести к ступенчатости (aliasing) изображения, возникающей от присвоения пикселю определённого цвета вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. Ступенчатость приводит к появлению в изображении рваных линий с «зазубринами» по краям. Именно из-за ступенчатости камеры с крупногабаритными полнокадровыми матрицами оснащаются фильтрами защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter), и цена этих устройств довольно высока. Ну а матрицам с микролинзами этот фильтр не нужен.

Вследствие различных требований к качеству изображения матрицы с буферизацией столбцов применяются в основном в любительской технике, тогда как полнокадровые сенсоры обосновались в профессиональных и студийных камерах.

Марин Милчев [Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

Продолжение следует

[Alv]

Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица

Часть третья

Итак, читатель ознакомился со структурой прибора с зарядовой связью и регистрирующего устройства (то есть ПЗС-матрицы), построенного из массива таких приборов. Ему понятно, что при прочих равных условиях полнокадровая матрица должна иметь более высокую чувствительность, чем устройство с буферизацией столбцов. Так же очевидно, что при повышении разрешения должен сужаться динамический диапазон и снижаться чувствительность.

Однако в действительности оба эти правила выполняются далеко не всегда. Чтобы разобраться в причине этого явления, необходимо более детально ознакомиться с процессами, протекающими внутри пикселей.

Какой бывает чувствительность?

Большинство фотолюбителей в ответ на такой вопрос лишь пожмут плечами – в их понимании данный параметр однозначно характеризует реакцию регистрирующего устройства на оптическое излучение в обратной пропорциональности (то есть чем меньшее количество световой энергии необходимо для реакции, тем выше светочувствительность регистрирующего устройства). Фотограф-профессионал отметит также, что чувствительность фотоплёнки может зависеть от спектра воздействующего излучения (то есть регистрировать видимый свет или инфракрасные, ультрафиолетовые либо рентгеновские лучи) и влиять на чёткость формируемого негатива: чем выше чувствительность, тем крупнее «зерно» плёнки, огрубляющее тонкие детали снимка. Для измерения светочувствительности плёнки используется светочувствительное число, которое указывается в единицах ISO (International Standards Organization – Международная организация стандартов), например, «ISO 100» либо «ISO 800».

В полупроводниковых приборах, к которым относится ПЗС-матрица, для описания светочувствительности устройства используются несколько другие параметры, отображающие особенности его конструкции. В частности, матрица представляет собой не кусок целлулоида с однородно реагирующим на свет участком эмульсии, а совокупность ПЗС-элементов, каждый из которых регистрирует фотоны по-своему.

Чувствительность собственно ПЗС-элемента можно разделить на две составляющие. Первая – интегральная чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах), обеспечиваемому источником излучения. При этом спектральный состав излучения, используемого при измерении интегральной чувствительности, такой же, как и у вольфрамовой лампы накаливания, а сам параметр служит для оценки суммарной (по всему спектру видимого света) чувствительности пикселя. Второй характеристикой способности ПЗС-элемента реагировать на свет является монохроматическая чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), имеющего строго определённую длину волны. Функция, описывающая зависимость чувствительности от длины волны, то есть способность пикселя фиксировать различные цветовые оттенки, именуется спектральной чувствительностью и представляет собой совокупность всех значений монохроматической чувствительности для данной области спектра.

Таким образом, как интегральная, так и спектральная чувствительность определяется фототоком ПЗС-элемента, то есть зарядом, накопленным потенциальной ямой. Характеристика, описывающая ёмкость ямы, называется глубиной потенциальной ямы (well depth), и именно ею определяется динамический диапазон ПЗС-матрицы. Величина же накопленного заряда зависит от целого ряда параметров.

Например, чем больше площадь светочувствительной области (fill factor) ПЗС-элемента, тем выше доля фотонов, которые могут быть поглощены с созданием носителей заряда. Именно поэтому при росте разрешения матрицы одной из основных задач для разработчиков является обеспечение максимально возможной площади светочувствительной области. Для этого размеры обвязки (электродов переноса, дренажа и буферных столбцов) должны уменьшаться пропорционально росту числа пикселей.

Однако далеко не все фотоны, попавшие на светочувствительную область, преобразуются в носители заряда. Параметр, определяющий эффективность регистрации светового излучения ПЗС-элементом, называется квантовой эффективностью (quantum efficiency) и характеризует отношение количества зарегистрированных носителей заряда к количеству попавших на поверхность светочувствительной области фотонов. Иногда квантовую эффективность путают с квантовым выходом (quantum yield), который на самом деле является общим количеством носителей заряда, создаваемых внутренним фотоэффектом при поглощении определённого числа фотонов. Поскольку далеко не все носители заряда попадают в потенциальную яму, квантовая эффективность более точно характеризует чувствительность пикселя.

Квантовая эффективность зависит от других параметров. В частности, некоторые фотоны отражаются от поверхности светочувствительной области и не могут быть поглощены ПЗС-элементом, для отображения доли таких фотонов используется коэффициент отражения. Среди тех фотонов, что не были отражены поверхностью сенсора, некоторые будут поглощены слишком глубоко, а другие – у самой поверхности. Заряды, полученные в результате внутреннего фотоэффекта этих фотонов, не попадут в потенциальную яму. Поэтому при разработке сенсора следует учитывать коэффициент поглощения, который определяется как материалом матрицы, так и длиной волны регистрируемого света: чем она больше, тем выше проникающая способность фотонов. Очевидно, что коэффициент поглощения должен обеспечивать выбивание носителей заряда вблизи от потенциальной ямы, причем выбивание это должно осуществляться фотонами с длиной волны, попадающей в интервал, соответствующий требуемому спектру излучения. Таким образом, материал ПЗС-матрицы должен отвечать целому ряду требований – иметь минимальный коэффициент отражения и максимальный коэффициент поглощения по отношению к фотонам с требуемой длиной волны и в то же время отражать и не поглощать фотоны из других областей спектра. Поскольку данная задача требует взаимоисключающих решений, отсекание «неугодных» фотонов осуществляется при помощи инфракрасного фильтра, устанавливаемого перед ПЗС-матрицей (стекло, используемое в линзах объектива, непроницаемо для ультрафиолетового излучения).

Наряду с площадью светочувствительной области и квантовой эффективностью на способность пикселя регистрировать фотоны влияет порог чувствительности – величина минимального светового сигнала, который может быть зарегистрирован ПЗС-элементом (чем слабее сигнал, тем выше порог чувствительности). Негативное влияние на порог чувствительности оказывает темновой ток (dark current), возникающий в ПЗС-элементе в момент подачи потенциала на электрод, под которым создаётся потенциальная яма. Название «темновой» обусловлено тем, что данный паразитный заряд образуется «просочившимися» в яму электронами, созданными не внутренним фотоэффектом, а термоэлектронной эмиссией, и при его накоплении световые лучи не падали на поверхность сенсора. Если же интенсивность светового потока низкая, то генерируемый им фототок может оказаться слабее темнового тока.

При этом уровень темнового тока сильно зависит от температуры и возрастает вдвое при нагревании на 9 градусов по Цельсию. Чем теплее матрица, тем большее количество «паразитов» осядет в потенциальной яме. Для ослабления термоэлектронной эмиссии в студийной цифровой фототехнике применяют различные схемы теплоотвода, использующие в качестве теплообменника металлический корпус камеры, игольчатые радиаторы и даже элементы Пельтье. Разумеется, такой подход неприменим к компактным фотоаппаратам, ограниченным по размерам и весу.

Чтобы определить уровень темнового тока и исключить его величину при считывании фототоков пикселей, расположенные по краям столбцы и строки матрицы покрываются непрозрачным материалом. Составляющие их пиксели называются пикселями темнового тока (dark reference pixels), и, поскольку генерируемый ими заряд создан термоэлектронной эмиссией, он используется в качестве «отметки чёрного цвета» для остальных пикселей матрицы. При этом, поскольку при разных условиях (нагрев матрицы, ток питания и так далее) уровень темнового тока будет варьироваться, необходимо для каждого снимка заново считывать заряд пикселей темнового тока.

Не менее губительно, чем темновой ток, на порог чувствительности влияет тепловой шум (thermal noise). Данное явление обусловлено хаотичным движением носителей заряда в толще полупроводника, которое не прекращается и при отключении потенциала, подаваемого на электрод. Блуждая в материале матрицы, электроны либо дырки в конце концов притягиваются потенциальной ямой и оседают в ней. Поскольку перед началом экспонирования потенциальная яма «опустошается», количество захваченных ею в процессе съёмки «паразитов» тем больше, чем продолжительнее выдержка.

Из всего вышесказанного получается, что чувствительность ПЗС-матрицы – это интегральная характеристика, которая определяется чувствительностью каждого пикселя. Так как технологический процесс производства матрицы не может быть идеальным, ряд её элементов будет регистрировать свет хуже, чем остальные, и именно поэтому чувствительность матрицы в целом всегда меньше, чем чувствительность отдельно взятого пикселя.

В характеристиках цифрового фотоаппарата не указывается ни спектральная чувствительность, ни квантовая эффективность, ни порог чувствительности. Вместо этого производитель публикует так называемую эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы, указываемую в общепринятых единицах ISO в виде диапазона («ISO 100-800») либо набора значений («ISO 50, 100, 200, 400»). Вычисляется она каждым производителем по-своему (из-за чего нередко возникают недоразумения), но в основу расчётов положена пара стандартных формул для расчета экспозиционного числа: зная освещенность объекта съёмки, диафрагму и выдержку, можно с высокой долей достоверности определить эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы. Наиболее точно характеризует истинную чувствительность матрицы минимальное из ISO-чисел, так как остальные значения получаются в результате обычного усиления сигнала на выходе матрицы, что-то вроде увеличения громкости радиоприёмника. Чем выше громкость радиоприёмника, тем сильнее слышны помехи, точно так же при повышении чувствительности усиливается уровень шумов матрицы, значительно искажающих «электронный негатив».

Разновидности шумов

Изучая виды шумов в ПЗС-матрице, необходимо чётко различать собственно виды шумов и их визуальное проявление. В общем случае шумы представляют собой искажения фототоков пикселей.

Как уже было сказано, источниками «паразитных» носителей заряда в отдельном пикселе являются темновой ток и тепловой шум. С обоими явлениями борются в первую очередь технологически (путём использования максимально свободных от ненужных примесей материалов), а также конструкционными методами (теплоизоляцией матрицы, применением пикселей темнового тока и так далее). Однако реальный вред наносит не собственно паразитный заряд пикселя, а неповторимость его значения для каждого элемента матрицы. Кроме того, несовершенство технологического процесса при производстве матрицы приводит к индивидуальности каждого ПЗС-элемента по интенсивности генерации фототока.

На негативное влияние флуктуаций по паразитному заряду и фототоку накладываются ошибки при считывании с матрицы – как рассогласование по времени, так и разброс в значении потенциалов, подаваемых на электроды сенсора. Следствием всего этого являются всплески яркости пикселей, рассеянные по всему снимку. Данное явление именуется шумом фиксированного распределения (fixed pattern noise). Наиболее заметные пиксели называются «горячими» (hot pixels) – процесс накопления паразитного заряда в них слишком интенсивен, поэтому их яркость тем выше, чем длиннее выдержка. Единичные пиксели предельной яркости могут присутствовать на снимке и при короткой выдержке. Такие пиксели именуются «залипшими» (stuck pixels) и возникают в результате сочетания сразу нескольких неблагоприятных факторов, приводящего к лавинообразному потоку электронов, который при каждом цикле матрицы устремляется в потенциальную яму.

Визуальные эффекты, сопровождающие шум фиксированного распределения, часто путают с собственно явлением. Именно поэтому в обзорах камер зачастую фигурируют цветовой шум (color noise) и яркостной шум (luminance noise). Цветовой шум, называемый также хроматическим, выражается в появлении пикселей постороннего цвета в однотонных областях снимка, причём чаще всего разноцветные крапинки возникают в теневых участках кадра. Яркостной шум не так заметен и представляет собой не изменение цвета, а резкие скачки яркости рядом расположенных пикселей, которые опять-таки искажают исходное изображение.

Шум фиксированного распределения ослабляется при переходе на короткие выдержки и уменьшении нагрева камеры. Однако такие идеальные условия мало достижимы, поэтому полезным оказывается ключевая особенность шума фиксированного распределения – его повторяемость при одинаковых условиях. Если при каждой экспозиции температура матрицы и длительность выдержки будут одними и теми же, паразитный ток и фототок каждого пикселя тоже будут повторяться. Таким образом, если сразу после фотографирования объекта снять так называемый тёмный кадр (dark frame) с закрытым крышкой объективом, то в результате образуется «маска» из раскиданных на чёрном фоне пикселей различной яркости. Эта маска затем используется для изъятия шума фиксированного распределения из снятого кадра. Данный метод оказался настолько эффективным, что послужил базой для системы шумоподавления с помощью тёмного кадра (dark frame noise reduction). Такой системой оснащается большинство современных любительских камер. При её использовании фотоаппарат сначала делает обычный снимок, а затем при закрытом затворе считывает маску, полученную с той же выдержкой.

В большинстве реализаций данной системы шумоподавления при слишком высоком уровне паразитного заряда конкретного пикселя камера считает недостоверным значение его фототока и исключает его из процесса формирования кадра. «Выбитые» таким образом элементы матрицы заменяются интерполированными значениями соседних пикселей, поэтому при избыточном количестве «горячих» пикселей изображение становится «акварельным» – слишком много в нём появляется размытых деталей.

Ещё более «размытым» становится изображение, в котором шум подавляется без использования «тёмного кадра», – программное обеспечение фотоаппарата производит «сглаживание» яркости пикселей, слишком отличающихся от «соседей». Очевидно, что при таком подходе не могут не пострадать мелкие контрастные участки светового изображения, от которых в первую очередь зависит чёткость снимка.

Причиной шума, помимо конструкции ПЗС-элемента, является также способ регистрации цвета, используемый в большинстве цифровых фотокамер. Поскольку ПЗС-элемент может зарегистрировать яркость точки изображения, сформированного объективом, но не его цвет, каждый пиксель снабжается индивидуальным светофильтром (красным, синим либо зелёным) и регистрирует только один из основных цветов. После считывания фототоков для каждого пикселя производится интерполяция двух остальных основных цветов, результатом чего является полноцветное изображение (подробнее об этом будет рассказано в следующей части).

Из-за особенностей восстановления полноцветного изображения в снимке нередко появляется так называемый жёлтый шум. От обычного цветового шума он отличается не хаотичным, а регулярным расположением крапинок жёлтого цвета, при этом шумоподавление с помощью тёмного кадра не помогает избавиться от него. Дело в том, что жёлтый шум возникает при специфических условиях освещения – при использовании светильников, излучение которых имеет смещённый спектральный состав. Например, в спектре ламп накаливания «синие» фотоны представлены крайне скромно. Если в краевых областях видимого участка спектра чувствительность ПЗС-матрицы понижена, то покрытые синими светофильтрами пиксели матрицы (и без того недостаточно качественно регистрирующие фотоны с требуемой длиной волны) при освещении лампами накаливания просто не в состоянии накопить заряд, адекватно описывающий яркость соответствующей точки светового изображения.

В итоге при расчёте полноцветного изображения в точках, соответствующих «синим» пикселям, имеется избыток красной и зелёной составляющих и недостаток синей. Следствием этого является пожелтение восстанавливаемого цвета в указанных точках, и чем ближе данный цвет к нейтральному (белый либо оттенки серого), тем заметнее будет искажение. Поскольку восстановить синюю составляющую из ничего невозможно, единственным способом борьбы с жёлтым шумом является улучшение спектральной чувствительности ПЗС-матрицы.

Немного о техническом прогрессе

Вернёмся к тезисам, упомянутым в начале статьи: всегда ли повышение разрешения неизбежно ведёт к сужению динамического диапазона и снижению чувствительности? Если сравнить снимки, сделанные двухмегапиксельной камерой образца 1999 года (с ПЗС-матрицей формфактора «1/2 дюйма»), с фотографиями, снятыми семимегапиксельным фотоаппаратом 2004 года (с ПЗС-матрицей формфактора «1/1,8 дюйма»), то результат будет отнюдь не в пользу «ветерана». Кадры, отснятые более новой моделью, будут выгодно отличаться не только более детальным (из-за возросшего разрешения) изображением, но и меньшим уровнем цветового, яркостного и жёлтого шума, а также более широким динамическим диапазоном.

Вызвано это тем же, чем и постоянный рост производительности процессоров при сохранении ими прежних габаритов, то есть регулярным переходом на новую технологию производства. В процессорах используются все более миниатюрные транзисторы, что требует повышения чистоты используемых материалов и уменьшения потребляемых токов. В ПЗС-матрицах это ведёт к уменьшению элементов обвязки и снижению уровня паразитных зарядов.

Однако далеко не всегда повышение разрешения сопровождается переходом на новый уровень технологий. В этом случае все перечисленные в данном тексте негативные эффекты многократно усиливаются, значительно искажая «электронный негатив». Более того, нередко производители ПЗС-матриц, вместо того чтобы кропотливо улучшать технологию, начинают полностью менять конструкцию сенсора. В большинстве случаев это сопровождается шумной рекламной кампанией и, к сожалению, практически никогда не ведёт к реальному улучшению параметров изображения.

Марин Милчев [Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

[Alv]

Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица

Часть четвертая

Методы сохранения цвета в классической фотографии

При генерации цветного изображения любое техническое устройство использует цветовой синтез, то есть процесс, при котором смешиваются несколько монохромных (состоящих из оттенков только одного цвета – синего, жёлтого и так далее) сигналов, описывающих изображение в цифровой либо аналоговой форме. Цвет каждого из монохромных сигналов называется основным, так как совокупность сигналов различной интенсивности позволяет воссоздать любой оттенок из всего множества цветов, воспроизводимых посредством данной разновидности синтеза. Наиболее распространены два вида синтеза – аддитивный и субтрактивный.

При аддитивном синтезе основными цветами являются цвета излучений. В частности, при трёхцветном синтезе используются синий (blue – B), зелёный (green – G) и красный (red – R) цвета, а сам синтез обозначается английской аббревиатурой RGB. Эти цвета линейно независимы, то есть ни один из них не может быть получен из двух других путём оптического смешения излучений. С помощью данного смешения синтезируются все другие цвета, которые отличают по цветовому тону, насыщенности и светлоте.

Субтрактивный синтез связан с процессами поглощения и отражения белого света, и потому он использует цвета красителей. При трёхцветном субтрактивном синтезе основными цветами являются жёлтый (yellow – Y), пурпурный (magenta – M) и циановый (зелёно-голубой, cyan – C), а для его обозначения используется аббревиатура CMY. В субтрактивном синтезе основной цвет считается дополнительным к основному цвету аддитивного синтеза, если краситель первого полностью поглощает излучение второго. К примеру, к красному цвету дополнительным будет циановый, к синему – жёлтый, а к зелёному – пурпурный.

Естественным для излучающего устройства (монитора или телевизора) является аддитивный синтез, создающий цветное изображение посредством трёхлучевой (RGB) электронной пушки. Субтрактивный синтез используется в печатающих устройствах, однако в струйных принтерах при использовании только трёх красителей (CMY) во время передачи тёмных тонов избыток чернил приводит к разбуханию бумаги. Поэтому при струйной печати в добавление к основным цветам применяется также чёрный (blacK – K), а цветовой синтез называется CMYK. Генерируемый с помощью синтеза CMY цветовой диапазон уже, чем при использовании RGB-синтеза, так как при субтрактивном синтезе невозможно отобразить наиболее светлые оттенки основных аддитивных цветов.

Первые химические фотоматериалы, как и ПЗС-элементы, были не в состоянии зафиксировать цвет объекта съёмки. Поэтому для регистрации полноцветного изображения использовался мультиэкспозиционный метод, при котором производилось троекратное экспонирование объекта. Каждое экспонирование осуществлялось с установленным перед объективом светофильтром – сначала зелёного, потом синего и затем красного цвета (порядок мог быть произвольным). В результате накапливалась информация обо всех основных цветах фотографируемого объекта. Одним из пионеров цветной фотографии был Сергей Михайлович Прокудин-Горский (1863–1944), результатом его деятельности стал архив из почти 10 000 снимков, на которых с полным сохранением цвета запечатлена Российская империя на рубеже XIX–XX веков.

Фотоаппарат Прокудина-Горского был крупноформатным, в нём использовались необычно вытянутые (88x232 мм) фотопластины. Такая форма обуславливалась мультиэкспозицией, в результате которой на сдвигаемой в вертикальном направлении пластине регистрировались синий, красный и зелёный кадры. При секундном интервале между экспозициями собственно экспонирование каждого кадра требовало 1–3 секунды. Затем при помощи трёх «наведённых» в одну точку проекторов со светофильтрами изображение проецировалось на экран и становилось полноцветным. Сергей Михайлович первым столкнулся с проблемой, связанной со слишком долгим интервалом экспонирования, – малейшее шевеление объекта съёмки приводило к тому, что он регистрировался в разных точках синего, зелёного и красного участков фотопластины. В результате при воспроизведении проектором изображение было смазанным и имело разноцветный ореол. Именно этим объясняется некоторая напряженность сфотографированных людей (не так-то просто замереть на десяток-другой секунд), а также тот факт, что большинство коллекции составляют пейзажи.

Таким образом, мультиэкспозиционный метод совершенно не годился для съёмки движущихся предметов. Впрочем, до появления фотоматериалов с высокой чувствительностью короткие выдержки использовались крайне редко, поэтому большинство снимков фиксировало статичные объекты, а габариты самих камер, регистрировавших изображение при помощи хрупких и громоздких фотопластин, ограничивали мобильность фотографов, вынуждая их обходиться павильонной (студийной) съёмкой. Создание более чувствительных фотоматериалов позволило вести репортажную съёмку, то есть фотографировать движущиеся объекты. В таких условиях необходимо было регистрировать цветное изображение за один раз – желательно при короткой выдержке. И вот в 1907 году фирма «Люмьер» представила фотопластинки, использовавшие автохромный метод, именуемый также растровой фотографией. В данных пластинках над светочувствительным слоем располагался окрашенный растр – набор микроскопических (не больше 0,01 мм) точек, созданных равномерно перемешанными прозрачными зёрнами крахмала оранжевого, зелёного либо фиолетового цвета.

Отснятый кадр состоял из трёх «мозаик» (каждая из оттенков одного из основных цветов), взаимопроникающих одна в другую. За счёт малого размера зёрен человеческий глаз их не замечал, а контуры объектов казались довольно отчётливыми; точно так же зрение не улавливает отдельных капель при просмотре отпечатанной на струйном принтере фотографии, хотя число цветов ограничено тремя, максимум семью. Тем не менее в каждой фотографии на областях одинакового цвета (небо, стены и так далее) был заметен муар из точек постороннего цвета. Избавиться от них удалось только после появления многослойных плёнок.

Следует отметить, что цветное кино существовало и до появления регистрирующих цвет плёнок. В технологии Process 1 фирмы Technicolor, датированной 1917 годом, использовалась дихроичная призма, расщеплявшая световой поток, сформированный объективом, на две части: одна содержала зелёные, а вторая – красные оттенки изображения. Каждый из световых потоков экспонировался на чёрно-белую плёнку, а для демонстрации фильма использовались два проектора (с зелёным и красным светофильтром) и совмещающая два монохромных изображения призма. Первой удачной реализацией многослойных цветных плёнок была серия Kodachrome, представленная концерном Eastman Kodak в 1935 году. В этой плёнке первый слой был чувствителен к жёлтому цвету, затем находился жёлтый фильтр, следующий слой регистрировал пурпурный цвет, а самый нижний предназначался для оттенков циана. Дальнейшие разработки как Kodak, так и других фирм использовали схожий принцип, при этом наибольший интерес представляют четырёхслойные плёнки Fujifilm, использующие в дополнение к слоям, чувствительным к синему, красному и зелёному излучению, четвёртый слой, регистрирующий оттенки цианового цвета.

Регистрация цвета в цифровой фототехнике

Ранние цифровые камеры тоже регистрировали цветное изображение посредством тройного экспонирования, при этом перед объективом располагалось так называемое цветовое колесо, представлявшее собой диск с тремя разноцветными (красной, синей и зелёной) стеклянными вставками. Поворот колеса производился сервоприводом после каждого экспонирования, затем три полученных снимка «складывались» в полноцветное изображение.

Вышеописанная техника, разумеется, совершенно не годилась для фотографирования движущихся объектов. В свою очередь, используемое оборудование представляло собой средне- и крупноформатную фототехнику, в которой вместо фотопластин и кассет с плёнкой устанавливалась цифровая приставка, при этом ПЗС-матрица располагалась в плоскости пластины либо столика с плёнкой. Приставка не имела ни аккумулятора, ни памяти для хранения снимков, поэтому одним кабелем она была связана с источником питания, а другим – с компьютером и применялась только при студийной съёмке. Для репортажной съёмки требовалось другое решение.

После оснащения цифровых приставок аккумуляторами и модулями флеш-памяти была произведена попытка приспособить мультиэкспозиционную схему для съёмки движущихся объектов. Для этого планировалось использовать вместо цветового колеса светофильтры на основе жидкокристаллических элементов (liquid crystal tunable filter, LCTF). Функционирование этих устройств основано на взаимной интерференции световых волн в слоях жидкокристаллических элементов, в результате которой включённый фильтр пропускает свет только с определённой длиной волны – то есть какого-то одного цвета. Если конструкцию выполнить «слоёной» – так чтобы каждый слой пропускал лучи одного из основных цветов (красного, синего или зелёного) – и включать слои по очереди, можно отказаться от громоздкого цветового колеса. Поскольку механических компонентов ЖК-светофильтры не содержат, использующая их система будет проще и надёжнее.

Однако основное преимущество ЖК-светофильтров – это очень высокая скорость работы, на переключение между слоями уходит не более 50 миллисекунд. Сразу же возникла идея использовать мультиэкспозиционные приставки с ЖК-светофильтрами для съёмки «живых» объектов. Но тут выявился ряд серьёзных ограничений. В частности, при использовании импульсных осветителей яркость свечения возрастает и спадает постепенно, поэтому освещённость всех трёх экспозиций будет разная, что приведёт к ошибкам при генерации полноцветного изображения.

Конечно, при съёмке в ярком солнечном свете вспышка не нужна, а в помещении можно использовать постоянный источник света. Но дело в том, что при интервале переключения между слоями 50 миллисекунд и необходимости как минимум двух переключений суммарные затраты времени составляют уже 100 миллисекунд. Если вести съёмку с выдержкой 1/300, то за счёт трёх экспозиций набежит ещё 100 миллисекунд. В конечном итоге полный интервал времени займёт 200 миллисекунд, что при обычной съёмке эквивалентно выдержке 1/5, при которой движущиеся объекты неизбежно оказываются «размазанными» по кадру. В мультиэкспозиционной приставке ситуация будет ещё хуже: при малейшем шевелении камеры даже неподвижные предметы кадра будут «расслоены» на синюю, зелёную и красную составляющие.

Но даже если сократить время переключения на порядок и «укоротить» выдержку до 1/1000, ограничивающим фактором будет скорость считывания с матрицы, которая даже в самых «скорострельных» вариантах профессиональных камер не превышает 10 кадров в секунду. Таким образом, три кадра будут считаны за 0,3 секунды, что как для съёмки с рук, так и для фотографирования подвижных предметов не годится. Все вышеперечисленные обстоятельства привели к тому, что ЖК-светофильтры так и не стали массово применяемым устройством.

Для регистрации цветного изображения за одно экспонирование была предложена схема, схожая с технологией Technicolor Process 1, – с дихроичной призмой, расщепляющей световой поток на красную, синюю и зелёную составляющие. Каждая из этих составляющих регистрировалась своей ПЗС-матрицей, а при их комбинировании получалось полноцветное изображение. Данный вариант отлично подошёл для видеокамер, однако для регистрации статического изображения он не годился. Во-первых, при использовании дихроичной призмы падала яркость светового потока, что требовало удлинения выдержки либо раскрытия диафрагмы. Во-вторых, три матрицы высокого разрешения заметно повышали стоимость фотоаппарата. В-третьих, шумы всех трёх матриц складывались воедино, значительно ухудшая качество снимка.

В конечном итоге наибольшую популярность получили методы с интерполяцией цвета. В их основе лежит тот же принцип, что и в автохромном методе фирмы «Люмьер»: каждая точка регистрирующего элемента благодаря светофильтру фиксирует яркость только одного из основных цветов. Самой известной является аддитивная схема, разработанная в 1976 году доктором Брайсом Байером, сотрудником концерна Eastman Kodak.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]
Схема Байера

В Байеровской схеме каждый пиксель матрицы закрыт светофильтром одного из цветов RGB-синтеза, образуя подобие шахматной доски, в которой вместо белых клеток – зелёные, а вместо чёрных – поровну красные и синие. Избыток зелёных элементов обусловлен тем, что человеческое зрение наиболее чувствительно к зелёным оттенкам, кроме того, спектральная чувствительность ПЗС-матриц выше всего как раз в зелёном диапазоне спектра. Данная схема мозаичного светофильтра имеет обозначение R–G–B–G (red–green–blue–green, красный–зелёный–синий–зелёный).

При съёмке получается изображение, состоящее из 50% зелёной составляющей исходного кадра, а также из 25% синей и из 25% красной составляющих. Снимок представляет собой разноцветную (но не полноцветную) мозаику. В отличие от автохромного метода из этой мозаики создаётся полноцветное изображение, для чего производится интерполяция цвета примерно по следующей схеме.

Имеется синий пиксель, окружённый четырьмя зелёными и четырьмя красными. Берётся среднее значение между верхним и нижним зелёными пикселями, затем среднее между левым и правым. Далее из этих двух средних значений вычисляется третье и присваивается нашему синему пикселю в качестве зелёной составляющей. Подобная процедура повторяется с красными пикселями, после чего получается полноцветный пиксель.

Поскольку светофильтры размещаются в виде регулярной структуры с повторяющимися линейками синих и красных пикселей, в снимках с часто расположенными вертикальными или горизонтальными линиями присутствует муар. Шанс возникновения этого неприятного эффекта уменьшается при переходе к модифицированным Байеровским схемам размещения светофильтров, в которых регулярно повторяется узор не из четырёх (R–G–B–G), а из двенадцати либо двадцати четырёх элементов.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]
Модифицированные схемы Байера

Узор из 12 пикселей более стоек к муару, обусловленному регулярными вертикальными либо горизонтальными линиями объекта. Однако для данного узора сохраняется вероятность появления муара при наличии у объекта линий с наклоном влево, так как мозаичный светофильтр содержит чередующиеся диагонали, в которых избыточными являются то синие, то красные элементы.

Разумеется, в данном случае вычисления при интерполяции цвета оказываются гораздо более сложными, а для их выполнения требуются высокопроизводительные микропроцессоры и большие объёмы памяти. Вызвано это необходимостью учитывать, что у зелёных пикселей окружение из синих и красных элементов не сгруппировано по вертикальной либо горизонтальной оси, – эти «соседи» располагаются весьма причудливым и неповторяющимся образом. Ну а псевдослучайная схема с узором из 24 пикселей, хотя и почти полностью решает вопрос с муаром (плотность размещения синих и красных элементов на всех диагоналях одинакова), требует ещё более сложных расчётов. Поэтому в массовом производстве модифицированные Байеровские схемы практически не применяются.

Ряд производителей использует для мозаичного светофильтра субтрактивную схему, в которой применяется CMY-синтез. Однако, как и в случае со струйными принтерами, используется дополнительный цвет – зелёный, поэтому схема эта обозначается C–Y–G–M (cyan–yellow–green–magenta, циан–жёлтый–зелёный–пурпурный). Появление зелёных светофильтров обусловлено теми же, что и в аддитивной схеме, причинами – чувствительностью к зелёному человеческого зрения и ПЗС-матрицы. Субтрактивные схемы отличаются более точной передачей яркостной характеристики изображения, однако при этом они менее точно регистрируют цветовую составляющую снимка.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]
Субтрактивная схема

Впрочем, в аддитивной схеме зачастую также встречаются «посторонние» цвета. В частности, разработчики Sony в модели DSC-828 половину «зелёных» элементов заменили сине-зелёными, именуемыми emerald («изумрудный»), данный вариант Байеровской схемы получил обозначение R–G–B–E. В отличие от цианового эти цвета отличаются более тёмным оттенком и – по замыслу создателей – должны расширить диапазон регистрируемых оттенков цвета и обеспечить более точную цветопередачу.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]
Аддитивная схема Sony

В 2007 году концерн Eastman Kodak предложил вообще отказаться от светофильтров для половины пикселей, оставив их для регистрации исключительно яркостной характеристики изображения. По словам разработчиков новой технологии, 2/3 светового потока, падающего на ПЗС-матрицу, «съедается» светофильтрами, поэтому отказ от них должен значительно улучшить динамический диапазон снимка.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]
Аддитивные схемы Kodak

Расположение «чистых» (так разработчики Kodak именуют лишённые светофильтров ПЗС-элементы) пикселей может быть самым разным, однако открытым остаётся вопрос, насколько сильно отказ от светофильтров повлияет на цветопередачу снимков.

Следует отметить, что с 2002 года схема с интерполяцией цвета обрела соперника в лице матриц многослойной структуры, в которых цвет регистрируется так же, как и в классической фотографии, – все оттенки основных цветов в каждом пикселе, причём при однократной экспозиции. Основной разработчик сенсоров, использующих «слоёную» технологию, фирма Foveon сравнивает эффект от появления многослойных матриц с эффектом, возникшим при создании трёхслойных цветных плёнок, а существующую схему с интерполяцией цвета, по мнению разработчиков Foveon, должна постигнуть участь автохромного метода, то есть забвение.

В основе новой разработки используется разделение изображения на основные цвета за счёт 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 пикселя состоит из трёх слоев.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]
Матрица Foveon

Слои эти входили друг в друга, как матрёшки. Чередуясь по типу основных носителей (n-типа и p-типа), каждый следующий слой образовывал новую потенциальную яму – в зависимости от слоя, для электронов либо для «дырок». Толщина и материал подбирались таким образом, чтобы разделение проникающих фотонов происходило именно по тем диапазонам спектра, которые содержат основные цвета. Затем потенциалы ям считывались и каждый пиксель получал «истинное неинтерполированное» значение цвета.

Но как у каждой новой технологии, у этой схемы есть ряд побочных эффектов. Хорошо известно негативное влияние блюминга – переполнения потенциальной ямы пикселя с «разливом» избыточного заряда по соседним пикселям. Изучены также сложности, возникающие при нейтрализации этого эффекта. В многослойных матрицах блюминг становится «трёхмерным» – избыточный заряд может перетекать не только в соседние пиксели, но и в «чужие» слои. При этом вертикальный электронный дренаж (то есть подача на подложку матрицы потенциала, «вытягивающего» избыточные электроны из потенциальной ямы) практически невозможен, ведь «разноцветные» ямы пикселя расположены одна над другой. Ну а реализация бокового дренажа (то есть своеобразной канавки рядом с потенциальной ямой, в которую можно «сбросить» избыточный заряд) приводит к значительному уменьшению площади светочувствительной области.

Следует помнить, что при распределении фотонов по слоям часть их неизбежно будет поглощена при переходе из одного слоя в другой. В результате чувствительность матрицы опять-таки ослабляется. При съёмке с максимально открытой диафрагмой увеличивается процент лучей, падающих на поверхность сенсора под большим углом. Даже в обычных матрицах данная проблема требует применения непрозрачной решётки либо микролинз. В многослойных ЭОП преломление света на стыке слоёв матрицы может привести к проникновению в «чужой» слой фотонов, попавших в пиксель под большим углом.

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 пикселей матриц, построенных по Байеровской схеме, всегда будут обладать большей глубиной, чем у «слоёных» 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 освещённые участки представляют собой белые пятна, а тени – чёрные, то такое изображение никто не назовёт удачным снимком – ни профессионал, ни любитель.

Динамика продаж фотоаппаратов Sigma SD9, SD10 и SD14, оборудованных «слоёными» сенсорами Foveon, отнюдь не поражает воображение. В целом вряд ли можно утверждать, что матрицы с интерполяцией цвета в скором времени перестанут пользоваться интересом среди разработчиков цифровой фототехники. Ведь в отличие от автохромных фотопластинок фирмы «Люмьер» цифровые «зёрна крахмала» обладают весьма надёжным тылом в виде производительных процессоров и «хитрых» алгоритмов, позволяющих получить полноцветное изображение объекта съёмки, на 99,99% соответствующее оригиналу.

Наконец, совсем недавно новостной ресурс по цифровой фотографии Digital Photography Review дал ссылку на американский патент №7,138,663, датированный 2003 годом и выданный концерну Nikon. Данный патент описывает схему получения полной информации о цвете для каждого пикселя, однако, в отличие от решения Foveon, разработчики Nikon предложили разделять фотоны на «синие», «красные» и «зеленые» не слоями кремния, а дихроичными зеркалами — как в «трехматричных» видеокамерах.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]
Полноцветный сенсор Nikon

Собранные микролинзой лучи проходят сквозь отверстие в металлической маске ПЗС-матрицы, попадая на первое дихроичное зеркало, пропускающее синюю составляющую на расположенный под ней ПЗС-элемент. Оставшийся свет, проходя сквозь второе дихроичное зеркало, своей зеленой составляющей отражается на следующий ПЗС-элемент, после чего остается лишь зарегистрировать красную составляющую при помощи третьего ПЗС-элемента. При этом под каждой миколинзой располагается «синий» и «зелёный» ПЗС-элементы, а вот «красному» ПЗС-элементу приходится вторгаться в область соседнего пикселя.

В отличие от «слоеной» матрицы, в данной схеме можно практически исключить «перетекание» электронов между слоями и регистрацию электронов «чужого» цвета. Из минусов остаются ослабление светового потока при прохождении сквозь дихроичные элементы и малая светочувствительная область. Самое главное, что такое решение, благодаря разнесению потенциальных ям, позволяет заметно увеличить ее глубину, что означает больший интервал регистрируемых зарядов, а это соответствует расширению динамического диапазона.

В связи с этим возникает вопрос – а нельзя ли углубить и развернуть регистрирующие элементы, чтобы получить более обширную светочувствительную область? Предположим, что мы можно смириться с неполной цветовой информацией об изображении, имея точные данные об его яркостной характеристике. Это значит, что матрица должна регистрировать зеленую составляющую каждого пикселя. Если при этом для одной половины пикселей будет известна синяя составляющая, а для другой — красная, то восстанавливать придется гораздо меньший объем цветовой информации. При Байеровской схеме восстанавливается 50% зеленого цвета и по 75% красного и синего. В нашем случае восстанавливается только по 50% синего и красного цвета.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]
Частичное восстановление цвета

В предлагаемой автором данной статьи схеме дихроичные призмы, расположенные под микролинзами, делятся на две категории: одни расщепляют свет на красную и зеленую составляющие, другие — на синюю и зеленую. Располагаются призмы в шахматном порядке, позволяя восстановить синюю составляющую «красно-зеленого» пикселя путем вычисления среднего значения от расположенных сверху, снизу, слева и справа «сине-зеленых пикселей». При восстановлении красной составляющей используется такой же принцип.

Справа и слева от дихроичной призмы под углом в 45 градусов располагаются светочувствительные области с потенциальными ямами, регистрирующие «зеленые» и «красные» (либо «синие») фотоны. Между регистрирующими областями, точно под центром призмы, находится обвязка бокового дренажа, использующаяся также для реализации электронного затвора. Каждая столбец пикселей разделяется буферным столбцом. При считывании зарядов сначала производится перенос в буферный столбец электронов с «левых» потенциальных ям каждого столбца пикселей, затем, после полного считывания буфера, считываются заряды «правых» потенциальных ям — примерно так же считывается информация с матриц с чересстрочной разверткой.

Наибольшей технологической проблемой в указанной схеме является, во-первых, разработка дихроичных призм столь компактных габаритов, а во-вторых — выращивание на подложке ПЗС-элементов, расположенных под углом в 45 градусов. Среди конструктивных минусов, помимо потери трети цветовой информации (при Байеровской схеме теряется две трети цветовой информации), следует указать неизбежные потери света при прохождении через призмы.

Продолжение следует

Марин Милчев [Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]

[Alv]

Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица

Часть пятая

Большинство мероприятий, предпринимаемых для улучшения качества изображения, представляют собой длительный, кропотливый и малопонятный для неискушённого наблюдателя процесс. Повышение чистоты материала, сокращение механических допусков при монтаже – всё это звучит скучно и не может использоваться для шумной рекламной кампании. А вот использование понятных для всех иллюстраций обязательно привлечёт живое внимание.

Ромб вместо квадрата

Истории любительской цифровой фототехники известны модели, у которых количество строк и столбцов матрицы меньше, чем горизонтальное и вертикальное разрешение файла со снимком. Дело в том, что при малом количестве элементов ПЗС-матрицы производители прибегают к рекламному трюку, указывая интерполированное разрешение. При этом изображение «растягивается» по вертикали и горизонтали, а недостающие точки рассчитываются при помощи математических алгоритмов. Разумеется, качество изображения при этом ниже, чем при съёмке матрицей с более высоким разрешением, кроме того, такое же «улучшение» снимка может быть достигнуто при обработке снимка на компьютере с помощью соответствующего программного обеспечения. Таким образом, необходимо проводить чёткую грань между разрешением ПЗС-матрицы и разрешением снимка. Настоящее качество обеспечивается только реальными столбцами и строками.

В 2000 году компанией FujiFilm была разработана SuperCCD – ПЗС-матрица, пиксели которой имели не стандартную прямоугольную, а восьмиугольную форму.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]
Обычная ПЗС-матрица и SuperCCD

Расположение пикселей также было необычным: два зелёных, синий и красный элементы матрицы находились внутри повернутого на 45° квадрата. Количество столбцов задавалось пикселями в левом и правом углах, а количество строк – в верхнем и нижнем углах данного квадрата. При этом электроды переноса заряда в некотором роде «обтекали» светочувствительные области, позволяя сделать их более крупными и чувствительными к свету.

Разумеется, в цифровом изображении такое расположение точек невозможно, поэтому необходимо «повернуть» на 45° каждый из квадратов. По заявлениям FujiFilm, после выполненного программным обеспечением камеры «поворота» образуются «дополнительные» столбцы и строки. Правда, при этом замалчивалось, что образовывались они исключительно за счёт интерполяции, а сам факт преобразования преподносился как удвоение вертикального и горизонтального разрешения матрицы.

Единственная ситуация, при которой преимущество структуры SuperCCD бесспорно, возникает тогда, когда изображение, формируемое объективом, содержит строго горизонтальные либо вертикальные линии с шагом, меньшим, чем расстояние между строками либо столбцами «классической» матрицы. Впрочем, и в этом случае эти линии будут наполовину состоять из интерполированных точек. Зато диагональные линии столь же частого шага «классическая» матрица обнаружит, а SuperCCD пропустит, хотя именно из них по большей части состоят реальные объекты. Однако тестовые таблицы содержат как раз горизонтальные и вертикальные сетки, да и человеческое зрение активнее реагирует именно на такие линии.

Чтобы определить, обеспечивает ли «хитрое» расположение пикселей SuperCCD двукратный рост разрешения, автором статьи при тестировании шестимегапиксельной фотокамеры FujiFilm FinePix S7000 Zoom был проведён простой эксперимент. Напротив объектива была расположена коробка со штрихкодом, при этом дистанция съёмки подбиралась таким образом, чтобы при «12-мегапиксельном» снимке полученное изображение было на пределе различения деталей. Затем при тех же самых параметрах съёмки разрешение кадра было изменено до «шестимегапиксельного», а полученная фотография была «растянута» в программе Adobe Photoshop до размеров «12-мегапиксельного» изображения. В результате выяснилось, что при всем желании о двукратном росте разрешения говорить нельзя.

Однако повышение чувствительности SuperCCD было очевидным при тестировании камер одинакового года выпуска. В этом случае при последовательном повышении эквивалентной чувствительности фотоаппараты FujiFilm неизменно начинали «шуметь» заметно позже, чем их конкуренты с классическими ПЗС-матрицами.

Следует отметить, что с 2005 года FujiFilm отказалась от использования интерполированного разрешения в камерах, оснащённых матрицей SuperCCD. В частности, появившаяся в феврале того года модель FinePix F10 оснащалась сенсором из 6,3 миллиона элементов, и максимальное разрешение снимков (2848x2136) полностью соответствовало количеству пикселей матрицы. Тем не менее в 2006 году «дурному примеру» FujiFilm последовал крупнейший производитель ПЗС-матриц – концерн Sony. Новинка, КМОП-матрица под кодовым названием ClearVid, тоже имела диагональное расположение элементов, однако, в отличие от серии SuperCCD, пиксели были не октагональными, а ромбическими, в виде развёрнутого на 45° квадрата. Как и в случае с матрицами FujiFilm, маркетинговый отдел Sony прилагал все усилия, чтобы убедить потенциальных покупателей в «возросшем разрешении» нового сенсора.

Отличалась и «раскраска» новой матрицы – на каждую пару «синий пиксель + красный пиксель» приходилось не два, а шесть зелёных пикселей. Такой вариант «раскраски», по замыслу разработчиков, должен обеспечивать большую чувствительность матрицы. Памятуя о проблемах с восстановлением цвета, постигших разработчиков первой цифровой зеркалки Kodak DSC-100 (её соотношение цветов светофильтров было таким же), создатели ClearVid постарались более равномерно распределить синие и красные пиксели по зелёному фону. Прошедший год показал, что КМОП-матрицы ClearVid используются только в видеотехнике Sony, а в цифровых фотоаппаратах этой фирмы продолжают применяться «классические» пиксели.

Когда два меньше одного…

В начале 2003 года FujiFilm объявила о появлении четвёртого поколения сенсоров SuperCCD. Наряду с моделями высокого разрешения (обозначавшимися HR – High Resolution) в ассортименте оказались матрицы с расширенным динамическим диапазоном (с индексом SR – Super Dynamic Range). Показатели были довольно посредственными: при диагонали 1/1,7 дюйма не интерполированное разрешение составляло 2048x1536, то есть 3 мегапикселя, а максимальная чувствительность без уменьшения разрешения – ISO 400. В то же время основной поставщик матриц для любительской техники, Sony, при тех же габаритах сенсора обеспечивает разрешение 2592x1944 (то есть 5 мегапикселей) при максимальной чувствительности ISO 800. Однако в действительности матрица Fuji состояла из 6 миллионов фотоэлементов, другое дело, что их размер и расположение были несколько нестандартными.

[Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]
ПЗС-матрица SuperCCD SR

Дело в том, что каждый пиксель матрицы SuperCCD SR состоял из двух фотоэлементов, расположенных под одной микролинзой. Один из элементов был меньшего размера и отличался низкой чувствительностью, благодаря чему «переполнение» его потенциальной ямы практически не происходило. Рядом располагался элемент большей площади, его чувствительность была значительно выше, равно как и риск «переполнения» его ямы. После того как информация с сенсора считывалась в усилитель, а затем обрабатывалась АЦП, оцифрованный кадр в ОЗУ фотоаппарата обсчитывался встроенным процессором. При этой операции данные о заряде ям «малого» и «большого» фотоэлементов каждого из пикселей складывались таким образом, что белому свету максимальной яркости соответствовала сумма максимальных значений зарядов ям обоих фотоэлементов. Таким образом, даже при «переполнении» ямы большого фотоэлемента какую-то часть полезной информации можно было снять с малого фотоэлемента. И вместо яркой белой точки, наблюдаемой в матрицах классической конструкции, пиксель мог иметь вполне реальные значения цвета и яркости.

Однако при всей оригинальности замысла нельзя не отметить ряд очевидных «узких мест». Во-первых, усложняется задача борьбы с блюмингом. Очевидно, что при организации вертикального дренажа фотоэлементов со столь отличающимися значениями чувствительности прилагаемый на подложку дренажный потенциал для каждого из элементов должен быть разным. Поскольку фотоэлементы расположены очень близко, возможно влияние более высокого дренажного потенциала на «чужую» яму, в результате чего в подложку будет «утекать» полезная информация. Ну а при организации бокового дренажа площадь потерянной светочувствительной области будет в два раза выше, чем у классической матрицы.

Во-вторых, в два раза повышается количество электродов внутри пикселя, отсюда следует рост источников темнового тока. Увеличение численности элементов обвязки негативно сказывается и на шуме фиксированного распределения. Предположим, что разработчикам Fuji каким-то образом удалось решить проблемы – как с блюмингом, так и с уровнем шума. Будет ли в этом случае матрица SuperCCD SR кардинально превосходить классический сенсор с тем же разрешением и габаритами? Вряд ли. В любом случае «классический» пиксель будет превосходить «спарку» FujiFilm как по светочувствительной площади (то есть по чувствительности), так и по объёму потенциальной ямы (то есть по реальному динамическому диапазону).

Заключение

При всём разнообразии технологий, применяющихся при производстве ПЗС-матриц, базовые принципы остаются неизменными на протяжении почти сорока лет – с тех пор как сотрудники AT&T Bell Labs Уиллард Бойл и Джордж Смит открыли возможность переноса заряда под поверхностью полупроводника. Впрочем, нельзя исключать появление новых методик регистрации светового изображения, по сравнению с которыми существующая цифровая фотография окажется таким же анахронизмом, каким нам кажется теперь «химический» процесс съёмки.

Марин Милчев [Только зарегистрированные пользователи могут видеть ссылки]