Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. основные характеристики пзс. Кмоп- и пзс-матрицы Пзс матрица в локации

ПЗС-ма́трица (сокр. от «п рибор с з арядовой с вязью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD , «Charge-Coupled Device») - специализированная аналоговая интегральная микросхема , состоящая из светочувствительных фотодиодов , выполненная на основе кремния , использующая технологию ПЗС - приборов с зарядовой связью.

ПЗС-матрицы выпускаются и активно используются компаниями Nikon , Canon , Sony , Fuji , Kodak , Matsushita , Philips и многими другими. В России ПЗС-матрицы сегодня разрабатывает и выпускает ЗАО "НПП «ЭЛАР», С.-Петербург.

1 История ПЗС-матрицы 2 Общее устройство и принцип работы 2.1 Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа 3 Классификация по способу буферизации 3.1 Матрицы с полнокадровым переносом 3.2 Матрицы с буферизацией кадра 3.3 Матрицы с буферизацией столбцов 4 Классификация по типу развёртки 4.1 Матрицы для видеокамер 5 Размеры фотографических матриц 6 Некоторые специальные виды матриц 6.1 Светочувствительные линейки 6.2 Координатные и угловые датчики 6.3 Матрицы с обратной засветкой 7 Светочувствительность 8 См. также 9 Примечания

История ПЗС-матрицы

Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs ). Лаборатории работали над видеотелефонией (англ. picture phone ) и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (англ. semiconductor bubble memory ). Приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, в которых можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью простых линейных устройств.

Впоследствии под руководством Кацуо Ивама (Kazuo Iwama ) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер.

Ивама умер в августе 1982 года . Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

В январе 2006 года за работы над ПЗС У. Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США (англ. National Academy of Engineering ).

В 2009 году эти создатели ПЗС-матрицы были награждены Нобелевской премией по физике .

Общее устройство и принцип работы

ПЗС-матрица состоит из поликремния , отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов .

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции , тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пикселя .

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Архитектура пикселей у производителей разная.

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС :

1 - Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;

2 - Микролинза субпикселя;

3 - R - красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера ;

4 - Прозрачный электрод из поликристаллического кремния или оксида олова ;

5 - Изолятор (оксид кремния);

6 - Кремниевый канал n-типа. Зона генерации носителей (зона внутреннего фотоэффекта);

7 - Зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей;

8 - Кремниевая подложка p-типа;

Классификация по способу буферизации

[Матрицы с полнокадровым переносом

Матрицы с буферизацией кадра

Матрицы с буферизацией столбцов

Размеры фотографических матриц

Координатные и угловые датчики

Матрицы с обратной засветкой

В классической схеме ПЗС-элемента, при которой используются электроды из поликристаллического кремния, светочувствительность ограничена по причине частичного рассеивания света поверхностью электрода. Поэтому при съёмке в особых условиях, требующих повышенной светочувствительности в синей и ультрафиолетовой областях спектра, применяются матрицы с обратной засветкой (англ. back - illuminated matrix ). В сенсорах такого типа регистрируемый свет падает на подложку, но для требуемого внутреннего фотоэффекта подложка шлифуется до толщины 10-15 мкм . Данная стадия обработки существенно увеличивала стоимость матрицы, устройства получались весьма хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. А при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл. Поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в основном в астрономической фотографии .

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы складывается из светочувствительности всех её фотодатчиков (пикселей) и в целом зависит от:

интегральной светочувствительности , представляющей собой отношение величины фотоэффекта к световому потоку (в люменах) от источника излучения нормированного спектрального состава;

монохроматической светочувствительности" - отношения величины фотоэффекта к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны;

набор всех значений монохроматической светочувствительности для выбранной части спектра света составляет спектральную светочувствительность - зависимость светочувствительности от длины волны света;

Общие сведения о ПЗС матрицах .

В настоящее время в качестве светочувствительного устройства в большинстве систем ввода изображений используются ПЗС (прибор с зарядовой связью, английский эквивалент CCD) матрицы.

Принцип работы ПЗС матрицы следующий: на основе кремния создается матрица светочувствительных элементов (секция накопления). Каждый светочувствительный элемент имеет свойство накапливать заряды, пропорционально числу попавших на него фотонов. Таким образом за некоторое время (время экспозиции) на секции накопления получается двумерная матрица зарядов, пропорциональных яркости исходного изображения. Накопленные заряды первоначально переносятся в секцию хранения, а далее строка за строкой и пиксел за пикселом на выход матрицы.

Размер секции хранения по отношению к секции накопления бывает разный:

• на кадр (матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки);
• на полукадр (матрицы с кадровым переносом для черезстрочной развертки);

Существуют также матрицы, в которых отсутствует секция хранения, и тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления. Очевидно, что для работы таких матриц требуется оптический затвор.

Качество современных ПЗС матриц таково, что в процессе переноса заряд практически не изменяется.

Не смотря на видимое разнообразие телевизионных камер, ПЗС матрицы, используемые в них, практически одни и теже, поскольку массовое и крупносерийное производство ПЗС матриц осуществляется всего несколькими фирмами. Это SONY, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi Kodak.

Основными параметрами, ПЗС матриц являются:

• размерность в пикселях;
• физический размер в дюймах (2/3, 1/2, 1/3 и т.д.). При этом сами цифры не определяют точный размер чувствительной области, а, скорее, определяют класс прибора;
• чувствительность.

Разрешающая способность ПЗС камер .

Разрешающая способность ПЗС камер в основном определяется размерностью ПЗС матрицы в пикселях и качеством обьектива. В какой-то степени на это может влиять электроника камеры (если она плохо сделана это может ухудшить разрешение, но откровенно плохо сейчас делают редко).

Здесь важно сделать одно замечание. В некоторых случаях для улучшения видимого разрешения в камерах устанавливаются высокочастотные пространственные фильтры. В этом случае изображение объекта, полученное с камеры меньшей размерности, может выглядеть даже более резким, чем изображение этого же объекта, полученное объктивно лучшей камерой. Конечно, это приемлемо, в том случае когда камера используется в системах визуального наблюдения, но совершенно не подходит для построения измерительных систем.

Разрешающая способность и формат ПЗС матриц .

В настоящее время различными компаниями выпускается ПЗС матрицы, охватывающие широчайший диапазон размерностей от нескольких сотен до нескольких тысяч. Так сообщалось о матрице с размерностью 10000х10000, причем в этом сообщении отмечалась не столько проблема стоимости этой матрицы, сколько проблемы хранения, обработки и передачи полученных изображений. Как нам известно, сейчас более или менее широко применяются матрицы с размерностью до 2000х2000.

К наиболее широко, точнее массово применяемым ПЗС матрицам, безусловно следует отнести матрицы с разрешением ориентированным на телевизионный стандарт. Это матрицы, в основном, двух форматов:

• 512*576;
• 768*576.

Матрицы 512*576 обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения.

Матрицы 768*576 (иногда чуть больше, иногда чуть меньше) позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала. При этом, в отличии от матриц формата 512*576, они имеют близкую к квадрату сетку расположения светочувствительных элементов, а, следовательно, равную разрешающую способность по горизонтали и вертикали.

Часто фирмы-изготовители телекамер указывают разрешающую способность в телевизионных линиях. Это означает, что камера позволяет разглядеть N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, где N - заявленное число телевизионных линий. Применительно к стандартной телевизионной таблице это предполагает следующее: подбирая растояние и фокусируя изображение таблицы надо добиться того, чтобы верхний и нижний край изображения таблицы на мониторе совпал с внешним контуром таблицы, отмечаемым вершинами черных и белых призм; далее, после окончательной подфокусировки, считывается число в том месте вертикального клина, где вертикальные штрихи в первый раз перестают разрешаться. Последнее замечание очень важно т.к. и на изображении тестовых полей таблицы, имеющих 600 и более штрихов, часто видны перемежающиеся полосы, которые, на самом деле, являются муаром, образованным биением пространственных частот штрихов таблицы и сетки чувствительных элементов ПЗС матрицы. Такой эффект особенно ярко выражен в камерах с высокочастотными пространственными фильтрами (см. выше)!

Хочется заметить, что при прочих равных условиях (в основном на это может повлиять обьектив) разрешающая способность черно-белых камер однозначно определяется размерностью ПЗС матрицы. Так камера формата 768*576 будет иметь разрешающую способность 576 телевизионных линий, хотя в одних проспектах можно найти величину 550, а в других 600.

Обьектив.

Физический размер ПЗС ячеек является основным параметром, определящим требование к разрешающей способности обьектива. Другим таким параметром может явиться требование по обеспечению работы матрицы в условии световой перегрузки, которое будет рассмотрено ниже.

Для 1/2 дюймовой матрицы SONY ICX039 размер пикселя составляет 8.6мкм*8.3мкм. Следовательно обьектив должен иметь разрешение лучше чем:

1/8.3*10e-3= 120 линий (60 пар линий на миллиметр).

Для обьективов, сделанных под 1/3 дюймовые матрицы, это значение должно быть еще выше, хотя это, как ни странно, не отражается на стоимости и таком параметре как светосила, поскольку эти объективы делают с учетом необходимости формирования изображения на меньшем светочувствительном поле матрицы. Отсюда следует и то, что объективы для матриц меньшего размера не подходят к большим матрицам из-за существенно ухудшающихся характеристиках на краях больших матриц. В тоже время объективы для больших матриц могут ограничить разрешение изображений, получаемых с меньших матриц.

К сожалению, при всем современном изобилии обьективов для телекамер, информацию по их разрешающей способности получить очень тяжело.

Вообще, мы не часто занимаемся подбором объективов, поскольку почти все наши Заказчики устанавливают видеосистемы на уже имеющуюся оптику: микроскопы, телескопы и т.д., поэтому наши сведения о рынке объективов носят характер заметок. Можно только сказать, что разрешающая способность простых и дешевых обьективов находится в диапазоне 50-60 пар линий на мм, что вообще- то недостаточно.

С другой стороны у нас есть информация, что специальные объективы производства Zeiss с разрешением 100-120 пар линий на мм стоят более 1000$.

Так, что при покупке объектива необходимо провести предварительное тестирование. Надо сказать, что большинство Московских продавцов дают объективы на тестирование. Здесь ещё раз уместно вспомнить об эффекте муара, наличие которого, как отмечалось выше, может ввести в заблуждение относительно разрешающей способности матрицы. Так вот, наличие муара на изображении участков таблицы со штрихами выше 600 телевизионных линий в отношении объктива свидетельствует о некотором запасе разрешающей способности последнего, что, конечно, не помешает.

Еще одно, может быть, важное замечание для тех, кого интересуют геометрические измерения. Все объективы в той или иной степени имеют дисторсию (подушкообразное искажение геометрии изображения), причем чем короткофокуснее объектив, тем эти искажения, как правило, больше. По нашему представлению приемлимую дисторсиии для 1/3" и 1/2" камер имеют объективы с фокусными расстояниями больше 8-12 мм. Хотя уровень "приемлимости", конечно, зависит от задач, которые должна решать телекамера.

Разрешающая способность контроллеров ввода изображения

Под разрешающей способность контроллеров ввода изображений следует понимать частоту преобразований аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) контроллера, данные которого затем записываются в память контроллера. Очевидно, что есть разумный предел повышения частоты оцифровки. Для устройств, имеющих непрерывную структуру фоточувствительного слоя, например, видиконов, оптимальная частота оцифровки равна удвоенной верхней частоте полезного сигнала видикона.

В отличии от таких светоприемников ПЗС матрицы имеют дискретную топологию, поэтому оптимальная частота оцифровки для них определяется как частота сдвига выходного регистра матрицы. При этом важно, что бы АЦП контроллера работал синхронно с выходным регистром ПЗС матрицы. Только в этом случае может быть достигнуто наилучшее качество преобразования как с точки зрения обеспечения "жесткой" геометрии получаемых изображений так и с точки зрения минимизации шумов от тактовых импульсов и переходных процессов.

Чувствительность ПЗС телекамер

Начиная с 1994 года мы используем в своих устройствах кард-камеры фирмы SONY на основе ПЗС матрицы ICX039. В описании SONY на это устройство указана чувствительность 0.25 лк на объекте при светосиле обьектива 1.4. Уже несколько раз, мы встречали камеры с похожими параметрами (размер 1/2 дюйма, разрешение 752*576) и с декларируемой чувствительностью в 10 а то и в 100 раз большей чем у "нашей" SONY.

Мы несколько раз проверяли эти цифры. В большинстве случаях в камерах разных фирм мы обнаруживали туже самую ПЗС матрицу ICX039. При этом все микросхемы "обвязки" были тоже SONY-вские. Да и сравнительное тестирование показало почти полную идентичность всех этих камер. Так в чем вопрос?

А весь вопрос в том, при каком соотношении сигнал/шум (с/ш) определяется чувствительность. В нашем случае компания SONY добросовестно показала чувствительность при с/ш=46 дб, а другие фирмы либо не указали это, либо указали так, что непонятно при каких условиях производились эти измерения.

Это, вообще, общий бич большинства фирм-изготовителей телекамер - не указывать условия проведения замеров параметров телекамер.

Дело в том, что при уменьшении требования к соотношению с/ш чувствительность камеры возрастает обратно пропорционально квадрату требуемого отношения с/ш:

где:
I - чувствительность;
K - коэффициент пересчета;
с/ш - отношение с/ш в линейных единицах,

поэтому у многих фирм появляется соблазн указывать чувствительность камер при заниженном отношении с/ш.

Можно сказать, что способность матриц лучше или хуже "видеть" определяется количеством зарядов, преобразованных из падающих на её поверхность фотонов и качеством доставки этих зарядов на выход. Количество накопленных зарядов зависит от площади светочувствительного элемента и квантовой эффективности ПЗС матрицы, а качество траспортировки определяется множеством факторов, которые часто сводят к одному - шуму считывания. Шум считывания для современных матриц составляет величину порядка 10-30 электронов и даже менее!

Площади элементов ПЗС матриц различны, но типовое значение для 1/2 дюймовых матриц для телекамер - 8.5мкм*8.5мкм. Увеличение размеров элементов ведет к увеличению размером самих матриц, что повышает их стоимость не столько за счет собственно увеличения цены производства, сколько за счет того, что серийность таких устройств на несколько порядков меньше. Кроме того на площадь светочувствительной зоны влияет топология матрицы в той степени сколько процентов к общей поверхности кристалла занимает чувствительная площадка (фактор заполнения). В некоторых специальных матрицах фактор заполнения заявляется 100%.

Квантовая эффективность (на сколько в среднем изменяется заряд чувствительной ячейки в электронах при падении на её поверхность одного фотона) у современных матриц равна 0.4-0.6 (у отдельных матриц без антиблюминга она достигает 0.85).

Таким образом видно, что чувствительность ПЗС камер, отнесенная к определенному значению с/ш, вплотную подошла к физическому пределу. По нашему заключению типичные значения чувствительности камер общего применения при с/ш=46 лежат в диапазоне 0.15-0.25 лк освещенности на обьекте при светосиле обьектива 1.4.

В связи с этим мы не рекомендуем слепо доверять цифрам чувствительности, указанным в описаниях телекамер, тем более, когда не приведены условия определения этого параметра и, если вы видите в паспорте камеры ценой до 500 $ чувствительность 0.01-0.001 лк в телевизионном режиме, то перед вами образец, мягко говоря, некорректной информации.

О способах повышения чувствительности ПЗС камер

Что же делать, если вам надо получить изображение очень слабого объекта, например, удаленной галактики?

Один из путей решения - накопление изображения во времени. Реализация этого способа позволяет существенно увеличить чувствительность ПЗС. Разумеется этот метод может быть применен для неподвижных обьектов наблюдения или в том случае, когда движение может быть компенсировано, как это делается в астрономии.

Рис1 Планетарная туманность М57.

Телескоп: 60 см, экспозиция - 20 сек., темпеpатуpа во вpемя экспозиции - 20 С.
В центре туманности звездный объект 15 звездной величены.
Изобpажение получено В. Амиpханяном в САО РАH.

Можно утверждать с достаточной точностью, что чувствительность ПЗС камер прямо пропорциональна времени экспозиции.

Например, чувствительность при выдержке 1 сек по отношению к исходной 1/50с увеличится в 50 раз т.е. будет лучше - 0.005 лкс.

Конечно на этом пути есть проблемы, и это, прежде всего, темновой ток матриц, который приносит заряды, накапливаемые одновременно с полезным сигналом. Темновой ток определяется во-первых, технологией изготовления кристалла, во-вторых, уровнем технологии и, конечно, в очень большой степени рабочей температурой самой матрицы.

Обычно для достижения больших времен накопления, порядка минут или десятков минут, матрицы охлаждают до минус 20-40 град. С. Сама по себе задача охлаждения матриц до таких температур решена, но сказать, что это сделать просто нельзя, поскольку всегда есть конструктивные и эксплуатационные проблемы, связанные с запотеванием защитных стекол и сброса тепла с горячего спая термоэлектрического холодильника.

В тоже время технологический прогресс производства ПЗС матриц коснулся и такого параметра, как темновой ток. Здесь достижения весьма значительны и темновой ток некоторых хороших современных матриц очень невелик. По нашему опыту камеры без охлаждения позволяют при комнатной температуре делать экспозиции в пределах десятков секунд, а при компенсации темнового фона и до нескольких минут. Для примера здесь приведена фотография планетарной туманности М57, полученная видеоситемой VS-a-tandem-56/2 без охлаждения с экспозицией 20с.

Второй способ увеличения чувствительности это применение электронно-оптических преобразователей (ЭОП). ЭОПы - это устройства которые усиливают световой поток. Современные ЭОПы могут иметь очень большие величины усиления, однако, не вдаваясь в подробности, можно сказать, что применение ЭОПов может улучшить лишь пороговую чувствительность камеры, а посему его усиление не следует делать слишком большим.

Спектральная чувствительность ПЗС камер

Рис.2 Спектральные характеристики различных матриц

Для некоторых областей применения, важным фактором является спектральная чувствительности ПЗС матриц. Поскольку все ПЗС изготавливаются на основе кремния, то в "голом" виде спектральная чувствительность ПЗС соответствует этому параметру у кремния (см. рис. 2).

Как можно заметить, при всем разнообразии характеристик ПЗС матрицы обладают максимумом чувствительности в красном и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне и совершенно ничего не видят в сине-фиолетовой части спектра. Чувствительность ПЗС в ближнем ИК используется в системах скрытного наблюдения с подсветкой ИК источниками света, а таже при измерении тепловых полей высокотемпературных объектов.

Рис. 3 Типичная спектральная характеристика черно-белых матриц SONY.

Фирма SONY все свои черно-белые матрицы выпускает со следующей спектральной характеристикой (см рис. 3). Как видно их этого рисунка чувствительность ПЗС в ближнем ИК значительно уменьшена, но зато матрица стала воспринимать синюю область спектра.

Для различных специальных целей разрабатываются матрицы чувствительные в ультрафиолетовом и даже рентгеновском диапазоне. Обычно эти устройства уникальны и их цена довально высока.

О прогрессивной и черезстрочной развертке

Стандартный телевизионный сигнал, разрабатывался для системы вещательного телевидения, и имеет с точки зрения современных систем ввода и обработки изображения один большой недостаток. Хотя в телесигнале содержится 625 строк (из них около 576 с видеоинформацией), показываются последовательно 2 полукадра состоящие из четных строк (четный полукадр) и нечетных строк (нечетный полукадр). Это приводит к тому, что если вводится движущееся изображение, то при анализе нельзя использовать разрешение по Y более чем число строк в одном полукадре (288). Кроме этого в современных системах, когда изображение визуализируется на компьютерном мониторе (который имеет прогрессивную развертку), изображение, введенное с черезстрочной телекамеры при движении обьекта наблюдения, вызывает неприятный визуальный эффект раздвоения.

Все методы борьбы с этим недостатком приводят к ухудшению разрешения по вертикали. Единственный способ преодолеть этот недостаток и добиться разрешения, соответствующего разрешению ПЗС матрицы - перейти на прогресивную развертку в ПЗС. Фирмы-изготовители ПЗС выпускают такие матрицы, но из-за малой серийности цена подобных матриц и камер значительно выше чем у обычных. Например цена матрицы SONY с прогрессивной разверткой ICX074 в 3 раза выше чем ICX039 (черезстрочная развертка).

Другие параметры камер

К этим другим можно отнести такой параметр как "блюминг" т.е. расплывание заряда по поверхности матрицы при пересветке отдельных ее элементов. На практике такой случай может встретиться, например, при наблюдении объектов с бликами. Это довольно неприятный эффект ПЗС матриц, поскольку несколько ярких точек могут исказить все изображение. По-счастию, многие современные матрицы содержат антиблюминговые устройсва. Так в описаниях некоторых последних матриц SONY мы нашли 2000, характеризующую допустимую световую перегрузку отдельных ячеек, не приводящую еще к растеканию зарядов. Это достаточно высокое значение, тем более, что добиться этого результата можно, как показал наш опыт, только при специальной подстройке драйверов, управляющих непосредственно матрицей и канала предварительного усиления видеосигнала. Кроме того свой вклад в "растекание" ярких точек вносит и объектив, поскольку при таких больших световых перегрузках даже малое рассеяние за пределы основного пятна дает заметную световую подставку для соседних элементов.

Здесь также необходимо отметить и то, что по некоторым данным, которые мы сами не проверяли, матрицы с антиблюмингом имеют в 2 раза более низкую квантовую эффективность, чем матрици без антиблюминга. В связи с этим, в системах, требующих очень высокой чувствительности, возможно имеет смысл применять матрицы без антиблюминга (обычно это специальные задачи типа астрономических).

О цветных телекамерах

Материалы этого раздела несколько выходят за установленные нами же рамки рассмотрения измерительных систем, тем не менее широкое распространение цветных камер (даже большее чем черно-белых) вынуждает нас внести ясность и в этот вопрос, тем более, что Заказчики часто пытаются использовать с нашими черно-белыми фраймграберами цветные телекамеры, и очень удивляются, когда на полученных изображениях они обнаруживают какие-то разводы, а разрешение изображений оказывается недостаточным. Поясним в чем тут дело.

Существуют 2 способа формирования цветного сигнала:

• 1. использование одноматричной камеры.
• 2. использование системы из 3 ПЗС матриц с цветоделительной головкой для получения R, G, B компоненов цветного сигнала на этих матрицах.

Второй путь обеспечивает наилучшее качество и только он позволяет получить измерительные системы, однако камеры, работающие на этом приципе достаточно дороги (более 3000$).

В большинстве случаев используются одноматричные ПЗС камеры. Рассмотрим их принцип работы.

Как явствует из достаточно широкой спектральной характиристики ПЗС матрицы, она не может определить "цвет" фотона, попавшего на поверхность. Поэтому для того, чтобы вводить цветное изображение перед каждым элементом ПЗС матрицы устанавливается светофильтр. При этом общее число элементов матрицы остается прежним. Фирма SONY, например, выпускает совершенно одинаковые ПЗС матрицы для черно-белого и цветного варианта, которые отличаются только наличием у цветной матрицы сетки светофильтров, нанесенных непосредственно на чувствительные площадки. Существуют несколько схем раскраски матриц. Вот одна из них.

Здесь используются 4 разных светофильтра (см рис. 4 и рис. 5).

Рис 4. Распредение светофильтров на элементах ПЗС матрицы

Рис 5. Спектральная чувствительность элементов ПЗС с различными светофильтрами.

Y=(Cy+G)+(Ye+Mg)

В строке A1 получают "красный" цветоразностный сигнал как:

R-Y=(Mg+Ye)-(G+Cy)

а в строке A2 получают "голубой" цветоразностный сигнал:

-(B-Y)=(G+Ye)-(Mg+Cy)

Отсюда ясно, что пространственное разрешение цветной ПЗС матрицы по сравнению с такой же черно-белой обычно в 1.3-1.5 раза хуже по горизонтали и по вертикали. За счет применения светофильтров чувствительность цветной ПЗС также хуже, чем у черно-белой. Таким образом можно сказать, что, если имеется одноматричный приемник 1000*800, то реально можно получить около 700*550 по яркостному сигналу и 500*400 (возможен вариант 700*400) по цветному.

Отвлекаясь от технических вопросов хочется заметить, что с рекламными целями многие фирмы-изготовители электронных фотоаппаратов сообщают совершенно непонятные данные по своей технике. Например, фирма "Кодак" обьявляет разрешение у своего электронного фотоаппарата DC120 1200*1000 при матрице 850х984 пикселей. Но господа - информация из пустого места не возникает, хотя визуально смотрится и неплохо!

О постранственном разрешении цветового сигнала (сигнала который несет информацию о цвете изображения) можно сказать, что она как минимум в 2 раза хуже, чем разрешение по черно-белому сигналу. Кроме того "вычисленный" цвет выходного пиксела не есть цвет соответствующего элемента исходного изображения, а лишь результат обработки яркостей различных элементов исходной картинки. Грубо говоря, за счет резкого различия яркостей соседних элементов объекта может быть вычислен цвет, которого вовсе здесь и нет, при этом незначительное смещение камеры приведет к резкому изменению выходного цвета. Для примера: граница темного и светлого поля серого цвета будет выглядеть, состоящей из разноцветных квадратиков.

Все эти рассуждения касаются только физического принципа получения информации на цветных ПЗС матрицах, при этом надо учесть, что обычно видеосигнал на выходе цветных камер представлен в одном из стандартных форматов PAL, NTSC, реже S-video.

Форматы PAL и NTSC хороши тем, что могут сразу быть воспроизведены на стандартных мониторах с видеовходом, но при этом надо помнить, что этими стандартами для сигнала цветности предусмотрена существенно более узкая полоса, поэтому правильнее здесь говорить о раскрашенном, а не о цветном изображении. Ещё одной неприятной особенностью камер с видеосигналами, несущими цветовую компоненту, является появление, упомянутых выше, разводов на изображении, полученных черно-белыми фраймграберами. И дело здесь в том, что сигнал цветности находится почти в середине полосы видеосигнала, создавая помеху при вводе кадра изображения. Мы же не видим эту помеху на телевизионном мониторе потому, что фаза этой "помехи" через четыре кадра изменяется на противоположную и усредняется глазом. Отсюда недоумении Заказчика, получающего изображение с помехой, которую он не видит.

Из этого следует, что, если вам необходмо проводить какие-то измерения или дешифровку объектов по цвету, то к этом у вопросу надо подойти с учетом, как сказанного выше, так и других особенностей вашей задачи.

О CMOS матрицах

В мире электроники все меняется очень быстро и хотя область фотоприемников одна из наиболее консервативных, но и тут в последнее время на подходе новые технологии. В первую очередь это относится к появлению CMOS телевизионных матриц.

Действительно, кремний является светочувствитерным элементом и любое полупроводниковое изделие можно использовать как датчик. Использование CMOS технологии дает несколько очевидных преимуществ по сравнению с традиционной.

Во-первых, технология CMOS хорошо освоена и позволяет выпускать элементы с большим выходом годных изделий.

Во-вторых технология CMOS позволяет разместить на матрице кроме светочувствительной области и различные устройства обрамления (вплоть до АЦП), которые раньше устанавливались "снаружи". Это позволяет выпускать телекамеры с цифровым выходом "на одном кристале".

Благодаря этим преимуществам становиться возможен выпуск значительно более дешевых телевизионных камер. Кроме этого значительно расширяется круг фирм производящих матрицы.

В настоящий момент выпуск телевизионных матриц и камер на CMOS технологии только налаживается. Информация о параметрах таких устройств весьма скудна. Можно лишь отметить, что параметры этих матриц не превосходят достигнух сейчас, что же касается цены, то тут их преимущества неоспоримы.

Приведу в качестве примера однокристальную цветную камеру фирмы Photobit PB-159. Камера выполнена на одном кристале и имеет следующие технические параметры:

• разрешение - 512*384;
• размер пикселя - 7.9мкм*7.9мкм;
• чувствительность - 1люкс;
• выход - цифровой 8-ми битный SRGB;
• корпус - 44 ноги PLCC.

Таким образом камера проигрывает в чувствительности раза в четыре, кроме того из информации по другой камере ясно, что в этой технологии есть проблемы со сравнительно большим темновым током.

О цифровых фотоаппаратах

В последние время появился и стремительно растет новый сегмент рынка, использующий ПЗС и CMOS матрицы - цифровые фотоаппараты. Причем в настояший момент происходит резкое повышение качества этих изделий одновременно с резким понижением цены. Действительно еще 2 года назад одна только матрица с разрешением 1024*1024 стоила около 3000-7000$ , а сейчас фотоаппараты с такими матрицами и кучей прибамбасов (ЖК экран, память, вариообьектив, удобный корпус и т.д.) можно купить дешевле 1000$. Это можно обьяснить только переходом на крупносерийное производство матриц.

Поскольку эти фотоаппараты основаны на ПЗС и CMOS матрицах, то все рассуждения в этой статье о чувствительности, о принципах формирования цветного сигнала действительны и для них.

Вместо заключения

Накопленый нами практический опыт позволяет сделать следующие выводы:

• технология производства ПЗС матриц с точки зрения чувствительности и шумов весьма близка к физическим пределам;
• на рынке телевизионных камер можно найти камеры приемлемого качества, хотя для достижения более высоких параметров возможно потребуется подрегулировка;
• не следует обольщаться цифрам высокой чувствительности, приведенным в проспектах на камеры;
• и ещё, цены на абсолютно одинаковые по качеству и даже на просто одинаковые камеры у разных продавцов могут отличаться более чем в два раза!

В процессе эволюции разрешение цифровых фотокамер увеличилось в несколько раз. Поэтому большое количество производителей ЭОП, изделия которых использовались в ранних моделях фотоаппаратов, в итоге сильно сократилось. Кроме увеличения азрешения на процесс «естественного отбора» влияли и другие причины. Помимо уже рассмотренных характеристик (динамический диапазон, соотношение сигнал/шум и т. д.), для проектировщиков камеры важны также уровень энергопотребления ЭОП и совместимость с существующей элементной базой, а для производителя сенсора - процент брака и себестоимость устройств.

На рубеже тысячелетия можно было выделить двух крупнейших производителей ПЗС-матриц для профессиональной и студийной техники - Eastman Kodak в США и Philips в Европе.

Заслугой разработчиков Kodak является внедрение бокового антиблюмингового дренажа в полнокадровых матрицах, позволившего значительно увеличить динамический диапазон ЭОП по сравнению с сенсорами, в которых был применен вертикальный дренаж. В матрицах, изготовленных по технологии BluePlus, электрод, расположенный над светочувствительной областью пиксела, изготавливался на основе оксида индия и диоксида олова. За счет этого значительно повышался коэффициент пропускания электрода, в итоге резко выросла чувствительность сенсора, особенно в традиционно «трудных» для ЭОП «синей» и «фиолетовой» областях спектра.

Всю продукцию Kodak можно разделить на три большие категории:

• ПЗС-матрицы для студийной и профессиональной техники;
• ПЗС-линейки для студийных сканирующих приставок к крупноформатным фотоаппаратам;
• ПЗС-матрицы и КМОП-сенсоры для любительских фотокамер.

Сенсоры для любительских моделей используются, за редким исключением, только в фотоаппаратах Kodak. Зато матрицы, предназначенные для студийных камер, применяются практически всеми производителями этой категории. Последняя разработка фирмы - сенсор с разрешением 22 мегапиксела.

Голландским концерном Philips была сделана попытка минимизировать себестоимость ПЗС-матриц с помощью оригинальной технологии Building Block. При обычном производстве ПЗС-матрица высокого разрешения изготавливается единым блоком и при браке потери велики. Кроме того, максимальный размер ЭОП ограничивается возможностями оборудования. В противоположность этому, методика Building Block (буквально - кирпичи), разработанная Philips, основана на использовании «кирпичиков», состоящих из модулей размером 1000x1000 пикселов. Объединяя данные «кирпичики», можно построить сенсор практически неограниченного разрешения. При этом в случае обнаружения дефекта в одном из модулей его можно легко заменить. Таким образом, себестоимость изделия значительно ниже.

Наибольшей популярностью пользовалась шестимегапиксель-ная матрица FTF 3020 (36x24 мм), применявшаяся в большинстве моделей студийных камер. Из новых сенсоров перспективным считается 11-мегапиксельный ЭОП, тоже созданный по технологии Building Block. Его мегапиксельные «кирпичики» по габаритам меньше прежних модулей, поэтому размеры новой матрицы такие же, как и у шестимегапиксельной модели. Благодаря этому студийные фотоаппараты, использовавшие FTF 3020, легко могут быть оборудованы новым сенсором.

Как было замечено выше, основной особенностью матриц Fuji-Film являются нестандартная форма и расположение элементов, в то же время реальных плюсов данные решения не продемонстрировали. В результате матрицы этой фирмы применяются только в фотоаппаратах FujiFilm, хотя ассортимент сенсоров довольно широк и включает в себя разработки для профессиональной техники.

Корпорация Sony с самого начала ориентировалась исключительно на рынок массовой техники. При этом разработчикам данной фирмы удалось внедрить ряд решений, благодаря которым качество кадров значительно улучшилось.

Одной из основных инноваций была технология HAD - Hole-Accumulation Diode. В матрицах HAD носителями информации о заряде пиксела были не электроны, а так называемые «дырки». При этом отпадала необходимость в полисиликоновом электроде над светочувствительной частью пиксела и значительно увеличивалась чувствительность сенсора, особенно в коротковолновой части спектра. Кроме того, размещение поглощающего «дырки» слоя у поверхности матрицы уменьшало тепловой шум.

При максимально открытой диафрагме растет процент лучей, падающих на поверхность матрицы под большими углами. После прохождения через микролинзы обычной конструкции эти лучи, как правило, не попадали на светочувствительный элемент. Чтобы уловить максимальное количество света, попадающего на микролинзу, разработчики Sony в матрице New Structure CCD использовали дополнительный оптический элемент. Расположенная непосредственно над светочувствительным элементом внутренняя линза корректировала лучи, входящие под большими углами.

Ассортимент ПЗС-матриц Sony очень велик, причем с увеличением разрешения размер и интерфейсные разъемы сенсора не изменяются, что позволяет при разработке нового фотоаппарата использовать прежнюю оптику и корпус.

С появлением в модельном ряде матрицы ICX413 Sony заняла соответствующую нишу на рынке профессиональных камер. При диагонали 28,4 мм размеры, сенсора (23,4x15,6 мм) соответствуют кадру пленки формата APS, поэтому он идеально подходит для использования в моделях, создаваемых на базе пленочных «зеркалок». В результате эту шестимегапиксель-ную матрицу выбрал Nikon для своей профессиональной модели D-100.

Значительных успехов в разработке КМОП-матриц для профессиональных камер добился концерн Canon. Размер сенсора был увеличен до габаритов кадра APS, в результате возросло отношение светочувствительной части пиксела к «обвязке» и, как следствие, значительно поднялась чувствительность.

Кроме того, в состав компонентов каждого пиксела был включен своеобразный «фильтр», который замерял уровень электронного шума, генерируемого «обвязкой» в нерабочем состоянии. При съемке «фильтр» каждого элемента автоматически «вычитал» этот шум из сигнала, в результате влияние неравномерно распределенных по матрице электронных помех удалось снизить.

Лидирующие позиции в области разработки КМОП-матриц занимает белый искал фирма Fill Factory. Она была основана в 1999 году, но разработками КМОП-матриц занималась еще с 1987 года, будучи подразделением ШЕС, Европейского независимого центра микроэлектронных технологий. В итоге в стенах FillFactory появился ряд интересных и эффективных решений, улучшивших показатели КМОП-сенсоров.

В первую очередь удалось значительно увеличить светочувствительную область пиксела. В обычных КМОП-матрицах фотоны «выбивают» электроны на всей поверхности пиксела. Только вот эти «фотоэлектроны» (термин ненаучный, но иногда в оптоэлек-тронике применяемый) притягиваются либо «обвязкой» (расположенной, кстати, на поверхности матрицы), либо подложкой сенсора. Поэтому «фотоэлектроны», генерируемые поверхностью вокруг фотоэлемента (а это более 70 % всей площади пиксела), в процессе создания заряда никоим образом не участвуют.

Специалисты FillFactory предложили простое и гениальное решение. Благодаря генерируемому электростатическому барьеру «фотоэлектроны», генерируемые под «обвязкой», не поглощаются ни «обвязкой», ни подложкой, а «всасываются» потенциальной ямой фотоэлемента. Процесс «всасывания» не столь уж и длителен (от 10 до 50 наносекунд), поэтому тепловой шум (обычно заметен при «длинных» выдержках на всех типах сенсоров) практически отсутствует. А вот чувствительность сенсора возрастает в несколько раз, при этом нет необходимости использовать матрицы больших габаритов. Следовательно, данная технология может быть использована и в любительской технике.

Динамический диапазон КМОП-сенсора можно расширить, используя еще одну из наработок FillFactory - нелинейный режим накопления заряда. В этом режиме в «обвязку» пиксела добавлены элементы, которые при достижении определенного уровня заряда в потенциальной яме переключают пиксел в состояние «насыщения». В этом состоянии «фотоэлектроны» накапливаются в потенциальной яме менее интенсивно, уменьшая риск ее переполнения.

Благодаря данной методике происходит адаптивное сжатие динамического диапазона кадра - светлые участки не выглядят «засвеченными», а темные - «недодержанными». Кроме того, не нужна большая разрядность АЦП, сокращается также размер кадров.

Разработанные FillFactory КМОП-сенсоры нашли свое применение как в студийных (Leaf C-Most, Leaf Valeo), так и в профессиональных (Kodak DCS Pro 14n) фотоаппаратах. Возможно, что в недалеком будущем КМОП-матрицы этой фирмы будут использоваться и в любительской технике.

Впервые принцип ПЗС с идеей сохранять и затем считывать электронные заряды был разработан двумя инженерами корпорации BELL в конце 60-х годов в ходе поиска новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на ферритовых кольцах (да – да, была и такая память). Эта идея оказалась бесперспективной, но способность кремния реагировать на видимый спектр излучения была замечена и мысль использовать этот принцип для обработки изображений получила своё развитие.

Начнем с расшифровки термина.

Аббревиатура ПЗС означает "Приборы с Зарядовой Связью" - этот термин образовался от английского "Сharge-Сoupled Devices" (CCD).

Данный тип приборов в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. В быту это цифровые фотоаппараты, видеокамеры, различные сканеры.

Что же отличает ПЗС-приемник от обычного полупроводникового фотодиода, имеющего светочувствительную площадку и два электрических контакта для съема электрического сигнала?

Во-первых , таких светочувствительных площадок (часто их называют пикселами - элементами, принимающими свет и преобразующими его в электрические заряды) в ПЗС-приемнике очень много, от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч и даже нескольких миллионов. Размеры отдельных пикселов одинаковы и могут быть от единиц до десятков микрон. Пиксели могут быть выстроены в один ряд - тогда приемник называется ПЗС-линейкой, или ровными рядами заполнять участок поверхности - тогда приемник называют ПЗС-матрицей.

Раcположение светоприемных элементов (прямоугольники синего цвета) в ПЗС-линейке и ПЗС-матрице.

Во-вторых , в ПЗС-приёмнике, внешне похожем на обычную микросхему, нет огромного числа электрических контактов для вывода электрических сигналов, которые, казалось бы, должны идти от каждого светоприемного элемента. Зато к ПЗС-приемнику подключается электронная схема, которая позволяет извлекать с каждого светочувствительного элемента электрический сигнал, пропорциональный его засветке.

Действие ПЗС можно описать следующим образом: каждый светочувствительный элемент - пиксель - работает как копилка для электронов. Электроны возникают в пикселях под действием света, пришедшего от источника. В течение заданного интервала времени каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света, как ведро, выставленное на улицу во время дождя. По окончании этого времени электрические заряды, накопленные каждым пикселем, по очереди передаются на "выход" прибора и измеряются. Все это возможно за счет определенной структуры кристалла, где размещаются светочувствительные элементы, и электрической схемы управления.

Практически точно так же работает и ПЗС-матрица. После экспонирования (засветки проецируемым изображением) электронная схема управления прибором подаёт на него сложный набор импульсных напряжений, которые начинают сдвигать столбцы с накопленными в пикселях электронами к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный ПЗС-регистр, заряды в котором сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем сигналы, пропорциональные отдельным зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и сообразить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.

Кратко о физике процесса.

Для начала отметим, что ПЗС относятся к изделиям так называемой функциональной электроники, Их нельзя представить как совокупность отдельных радиоэлементов - транзисторов, сопротивлений и конденсаторов. В основе работы лежит принцип зарядовой связи. Принцип зарядовой связи использует два известных из электростатики положения:

1. одноимённые заряды отталкиваются,
2. заряды стремятся расположиться там, где их потенциальная энергия минимальна. Т.е. грубо – «рыба ищет там, где глубже».

Для начала представим себе МОП-конденсатор (МОП - сокращение от слов металл-окисел- полупроводник). Это то, что остаётся от МОП-транзистора, если убрать из него сток и исток, то есть просто электрод, отделённый от кремния слоем диэлектрика. Для определённости будем считать, что полупроводник - p-типа, т. е. концентрация дырок в равновесных условиях много (на несколько порядков) больше, чем электронов. В электрофизике «дыркой» называют заряд, обратный заряду электрона, т.е. положительный заряд.

Что будет, если на такой электрод (его называют затвором) подать положительный потенциал? Электрическое поле, создаваемое затвором, проникая в кремний сквозь диэлектрик, отталкивает подвижные дырки; возникает обеднённая область - некоторый объём кремния, свободный от основных носителей. При параметрах полупроводниковых подложек, типичных для ПЗС, глубина этой области составляет около 5 мкм. Напротив, электроны, возникшие здесь под действием света, притянутся к затвору и будут накапливаться на границе раздела окисел-кремний непосредственно под затвором, т. е. сваливаются в потенциальную яму (рис. 1).

Рис. 1
Образование потенциальной ямы при приложении напряжения к затвору

При этом электроны по мере накопления в яме частично нейтрализуют электрическое поле, создаваемое в полупроводнике затвором, и в конце концов могут полностью его скомпенсировать, так что всё электрическое поле будет падать только на диэлектрике, и всё вернётся в исходное состояние - за тем исключением, что на границе раздела образуется тонкий слой электронов.

Пусть теперь рядом с затвором расположен ещё один затвор, и на него тоже подан положительный потенциал, причём больший, чем на первый (рис. 2). Если только затворы расположены достаточно близко, их потенциальные ямы объединяются, и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если она «глубже».
Рис. 2
Перекрытие потенциальных ям двух близко расположенных затворов. Заряд перетекает в то место, где потенциальная яма глубже.

Теперь уже должно быть ясно, что если мы имеем цепочку затворов, то можно, подавая на них соответствующие управляющие напряжения, передавать локализованный зарядовый пакет вдоль такой структуры. Замечательное свойство ПЗС - свойство самосканирования - состоит в том, что для управления цепочкой затворов любой длины достаточно всего трёх тактовых шин. (Термин шина в электронике - проводник электрического тока, соединящиий однотипные элементы, тактовая шина - проводники по которым передается смещенное по фазе напряжение.) Действительно, для передачи зарядовых пакетов необходимо и достаточно трёх электродов: одного передающего, одного принимающего и одного изолирующего, разделяющего пары принимающих и передающих друг от друга, причём одноимённые электроды таких троек могут быть соединены друг с другом в единую тактовую шину, требующую лишь одного внешнего вывода (рис. 3).

Рис. 3
Простейший трёхфазный ПЗС-регистр.
Заряд в каждой потенциальной яме разный.

Это и есть простейший трёхфазный регистр сдвига на ПЗС. Тактовые диаграммы работы такого регистра показаны на рис. 4.

Рис. 4
Тактовые диаграммы управления трёхфазным регистром -- это три меандра, сдвинутые на 120 градусов.
При смене потенциалов происходит передвижение зарядов.

Видно, что для его нормальной работы в каждый момент времени, по крайней мере, на одной тактовой шине должен присутствовать высокий потенциал, и, по крайней мере, на одной - низкий потенциал (потенциал барьера). При повышении потенциала на одной шине и понижении его на другой (предыдущей) происходит одновременная передача всех зарядовых пакетов под соседние затворы, и за полный цикл (один такт на каждой фазной шине) происходит передача (сдвиг) зарядовых пакетов на один элемент регистра.

Для локализации зарядовых пакетов в поперечном направлении формируются так называемые стоп-каналы - узкие полоски с повышенной концентрацией основной легирующей примеси, идущие вдоль канала переноса (рис. 5).

Рис. 5.
Вид на регистр "сверху".
Канал переноса в боковом направлении ограничивается стоп-каналами.

Дело в том, что от концентрации легирующей примеси зависит, при каком конкретно напряжении на затворе под ним образуется обеднённая область (этот параметр есть не что иное, как пороговое напряжение МОП-структуры). Из интуитивных соображений понятно, что чем больше концентрация примеси, т. е. чем больше дырок в полупроводнике, тем труднее их отогнать вглубь, т. е. тем выше пороговое напряжение или же, при одном напряжении, тем ниже потенциал в потенциальной яме.

Проблемы

Если при производстве цифровых приборов разброс параметров по пластине может достигать нескольких крат без заметного влияния на параметры получаемых приборов (поскольку работа идёт с дискретными уровнями напряжения), то в ПЗС изменение, скажем, концентрации легирующей примеси на 10% уже заметно на изображении. Свои проблемы добавляет и размер кристалла, и невозможность резервирования, как в БИС памяти, так что дефектные участки приводят к негодности всего кристалла.

Итог

Разные пикселы ПЗС матрицы технологически имеют разную чувствительность к свету и эту разницу необходимо корректировать.

В цифровых КМА эта коррекция называется системой Auto Gain Control (AGC)

Как работает система AGC

Для простоты рассмотрения не будем брать что-то конкретное. Предположим, что на выходе АЦП узла ПЗС есть некие потенциальные уровни. Предположим, что 60 - средний уровень белого.

1. Для каждого пикселя линейки ПЗС считывается значение при освещении его эталонным белым светом (а в более серьезных аппаратах – и считывание «уровня черного»).
2. Значение сравнивается с опорным уровнем (например, средним).
3. Разница между выходным значением и опорным уровнем запоминается для каждого пиксела.
4. В дальнейшем, при сканировании эта разница компенсируется для каждого пиксела.

Инициализация системы AGC производится каждый раз при инициализации системы сканера. Наверное, вы замечали, что при включении машины через какое-то время каретка сканера начинает совершать поступательно-возвратные движения (елозить у ч/б полоски). Это и есть процесс инициализации системы AGC. Система так же учитывает и состояние лампы (старение).

Так же Вы наверняка обращали внимание, что малые МФУ, снабженные цветным сканером, «зажигают лампу» тремя цветами по очереди: красным, синим и зеленым. Затем только подсветка оригинала зажигается белым. Это сделано для лучшей коррекции чувствительности матрицы раздельно по каналам RGB.

Тест полутонов (SHADING TEST) позволяет инициировать эту процедуру по желанию инженера и привести значения корректировки к реальным условиям.

Попробуем рассмотреть все это на реальной, «боевой» машине. За основу возьмем широкоизвестный и популярный аппарат SAMSUNG SCX-4521 (Xerox Pe 220).

Необходимо отметить, что в нашем случае CCD становится CIS (Contact Image Sensor), но суть происходящего в корне от этого не меняется. Просто в качестве источника света используются линейки светодиодов.

Итак:

Сигнал изображения от CIS имеет уровень около 1,2 В и поступает на АЦП-секцию (САЦП) контроллера аппарата (САЦП). После САЦП аналоговый сигнал CIS будет преобразован в 8-битовый цифровой сигнал.

Процессор обработки изображения в САЦП прежде всего использует функцию коррекции тона, а затем функцию гамма-коррекции. После этого данные подаются на различные модули в соответствии с режимом работы. В режиме Text данные изображения поступают на модуль LAT, в режиме Photo данные изображения поступают на модуль "Error Diffusion", в режиме PC-Scan данные изображения поступают прямо на персональный компьютер через доступ DMA.

Перед осуществлением тестирования положите на стекло экспонирования несколько чистых листов белой бумаги. Само собой разумеется, что оптика, ч/б полоса и вообще узел сканера изнутри должны быть предварительно «вылизаны»

1. Выберите в TECH MODE
2. Нажмите кнопку ENTER (Ввод) для сканирования изображения.
3. После сканирования будет распечатан "CIS SHADING PROFILE" (профиль полутонов CIS). Пример такого листа приведен ниже. Не обязательно, что он должен быть копией Вашего результата, но близок по изображению.
4. Если распечатанное изображение сильно отличается от изображения, показанного на рисунке, значит CIS неисправен. Обратите внимание – внизу листа отчета написано “Results: OK”. Это означает, что система серьезных претензий к модулю CIS не имеет. В противном случае будут даны результаты ошибок.

Пример распечатки профиля:

Удачи Вам!!

За основу взяты материалы статей и лекций преподавателей СПбГУ (ЛГУ), СПбЭТУ (ЛЭТИ) и Axl. Спасибо им.

Материал подготовлен В. Шеленбергом

В последние годы в околокомпьютерной (и не только) прессе довольно часто встречаются восторженные обзоры, посвящённые очередному «технологическому чуду, призванному революционным образом повлиять на будущее цифровой фотографии»- это обобщённый вариант фразы, в той или иной форме встречающейся в каждой из подобного рода статей. Но что характерно- спустя всего год первоначальный ажиотаж постепенно сходит на «нет», а большинство производителей цифровой фототехники вместо «передовой разработки» предпочитают использовать проверенные решения.

Рискну предположить, что причина такого развития событий довольно проста - достаточно обратить внимание на «гениальную простоту» того или иного решения. В самом деле, разрешения матрицы недостаточно? А давайте пикселы не столбцами и строками, а диагональными линиями располагать, а потом «повернём» программным путём «картинку» на 45 градусов- вот у нас разрешение сразу в два раза вырастет! Неважно, что таким образом повышается чёткость только строго вертикальных и горизонтальных линий, а наклонные и кривые (из которых и состоит реальное изображение) остаются без изменений. Главное, что эффект наблюдается, значит и громогласно заявить об этом можно.

К сожалению, современный пользователь «избалован мегапикселями». Ему невдомёк, что каждый раз при увеличении разрешения разработчикам «классических» ПЗС-матриц приходится решать сложнейшую задачу по обеспечению приемлемого динамического диапазона и чувствительности сенсора. А вот «решения» вроде перехода с прямоугольной на октагональную форму пикселов рядовому фотолюбителю кажутся вполне понятными и обоснованными- ведь об этом так доступно написано в рекламных буклетах…

Цель данной статьи - попытаться на самом простом уровне объяснить, от чего зависит качество изображения, получаемого на выходе с ПЗС-матрицы. При этом от качества оптики совершенно спокойно можно абстрагироваться- появление уже второй по счёту «зеркалки» стоимостью менее 1000 долларов (Nikon D 70) позволяет надеяться, что дальнейший рост разрешения сенсоров для камер приемлемой ценовой категории не будет ограничиваться «мыльничными» объективами.

Внутренний фотоэффект

Итак, сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых-преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий- он либо «срикошетирует» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только фотон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом . Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается- необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.

Элемент ПЗС-матрицы

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p - типа оснащается каналами из полупроводника n -типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n -типа создаётся потенциальная яма , назначение которой- хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком , и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига , которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.

Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра- то есть усилителю.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига , а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы , а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.

Полнокадровая матрица

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD - matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя- при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full - frame matrix smear).

Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame - transfer CCD).

Матрица с буферизацией кадра

В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания- строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

Матрицы с буферизацией столбцов

Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.

Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD -matrix), в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра- в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром- его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования.

Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров- не менее 30кадров секунду.

Матрица с буферизацией столбцов

Зачастую в отечественной литературе матрицы с буферизацией столбцов ошибочно именуют «чересстрочными». Вызвано это, наверное, тем, что английские наименования «interline » (буферизация строк) и «interlaced» (чересстрочная развёртка) звучат очень похоже. На деле же при считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной разверткой (progressive scan), а когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй- чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной разверткой (interlace scan).

Хотя фототоки основного параллельного регистра сдвига сразу же попадают в буферный регистр, который не подвергается «фотонной бомбардировке», «размазывание» заряда в матрицах с буферизацией столбцов (smear) также происходит. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы «светочувствительного» ПЗС-элемента в потенциальную яму «буферного», особенно часто это происходит при близких к максимальному уровнях заряда, когда освещённость пикселя очень высока. В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой точки протягивается светлая полоса, портящая кадр. Для борьбы с этим неприятным эффектом при проектировании сенсора «светочувствительный» и буферный столбцы располагают на большей дистанции друг от друга. Разумеется, это усложняет обмен зарядом, а также увеличивает временной интервал данной операции, однако вред, который наносит изображению «размазывание», не оставляет разработчикам выбора.

Как уже было сказано ранее, для обеспечения видеосигнала необходимо, чтобы сенсор не требовал перекрытия светового потока между экспозициями, так как механический затвор в таких условиях работы (около 30 срабатываний в секунду) может быстро выйти из строя. К счастью, благодаря буферным строкам есть возможность реализовать электронный затвор , который, во-первых, позволяет при необходимости обойтись без механического затвора, а во-вторых, обеспечивает сверхмалые (до 1/10000секунды) значения выдержки, особенно критичные для съемки быстротекущих процессов (спорт, природа ит.д.). Однако электронный затвор требует также, чтобы матрица обладала системой удаления избыточного заряда потенциальной ямы, впрочем, обо всём будет рассказано по порядку.

За всё приходится платить, и за возможность сформировать видеосигнал- тоже. Буферные регистры сдвига «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю достаётся лишь 30% светочувствительной области от его общей поверхности, в то время как у пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС_матриц поверх каждого пиксела располагается микролинза . Такое простейшее оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела.

Микролинзы

Поскольку с помощью микролинз удаётся гораздо эффективнее регистрировать падающий на сенсор световой поток, со временем этими устройствами стали снабжать не только системы с буферизацией столбцов, но и полнокадровые матрицы. Впрочем, микролинзы тоже нельзя назвать «решением без недостатков».

Являясь оптическим устройством, микролинзы в той или иной мере искажают регистрируемое изображение чаще всего это выражается в потере чёткости у мельчайших деталей кадра- их края становятся слегка размытыми. С другой стороны, такое нерезкое изображение отнюдь не всегда нежелательно - в ряде случаев изображение, формируемое объективом, содержит линии, размер и частота размещения которых близки к габаритам ПЗС-элемента и межпиксельному расстоянию матрицы. В этом случае в кадре зачастую наблюдается ступенчатость (aliasing)- назначение пикселу определённого цвета, вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. В итоге линии объекта на снимке получаются рваными, с зубчатыми краями. Для решения этой проблемы в камерах с матрицами без микролинз используется дорогостоящий фильтр защиты от наложения спектров (anti -aliasing filter), а сенсор с микролинзами в таком фильтре не нуждается. Впрочем, в любом случае за это приходится расплачиваться некоторым снижением разрешающей способности сенсора.

Если объект съёмки освещён недостаточно хорошо, рекомендуется максимально открыть диафрагму. Однако при этом резко возрастает процент лучей, падающих на поверхность матрицы под крутым углом. Микролинзы же отсекают значительную долю таких лучей, поэтому эффективность поглощения света матрицей (то, ради чего и открывали диафрагму) сильно сокращается. Хотя надо отметить, что падающие под крутым углом лучи тоже являются источником проблем- входя в кремний одного пиксела, фотон с большой длиной волны, обладающий высокой проникающей способностью, может поглотиться материалом другого элемента матрицы, что в итоге приведёт к искажению изображения. Для решения этой проблемы поверхность матрицы покрывается непрозрачной (например, металлической) «решёткой», в вырезах которой остаются только светочувствительные зоны пикселов.

Исторически сложилось так, что полнокадровые сенсоры применяются в основном в студийной технике, а матрицы с буферизацией столбцов- в любительской. В профессиональных камерах встречаются сенсоры обоих типов.

В классической схеме ПЗС-элемента, при которой используются электроды из поликристаллического кремния, чувствительность ограничена по причине частичного рассеивания света поверхностью электрода. Поэтому при съёмке в особых условиях, требующих повышенной чувствительности в синей и ультрафиолетовой областях спектра, применяются матрицы с обратной засветкой (back -illuminated matrix). В сенсорах такого типа регистрируемый свет падает на подложку, а чтобы обеспечить требуемый внутренний фотоэффект подложка шлифовалась до толщины 10–15 микрометров. Данная стадия обработки сильно удорожала стоимость матрицы, кроме того, устройства получались очень хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации.

Матрица с обратной засветкой

Очевидно, что при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл, поэтому матрицы с обратной засветкой применяются по большей части в астрономической фотографии.

Чувствительность

Одной из важнейших характеристик регистрирующего устройства, будь то фотоплёнка или ПЗС-матрица, является чувствительность - способность определенным образом реагировать на оптическое излучение. Чем выше чувствительность, тем меньшее количество света требуется для реакции регистрирующего устройства. Для обозначения чувствительности применялись различные величины (DIN ,ASA), однако в конечном итоге прижилась практика обозначать этот параметр в единицах ISO (International Standards Organization- Международная организация стандартов).

Для отдельного ПЗС-элемента под реакцией на свет следует понимать генерацию заряда. Очевидно, что чувствительность ПЗС-матрицы складывается из чувствительности всех её пикселов и в целом зависит от двух параметров.

Первый параметр - интегральная чувствительность , представляющий собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания. Этот параметр позволяет оценить чувствительность сенсора в целом.

Второй параметр - монохроматическая чувствительность , то есть отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны. Набор всех значений монохроматической чувствительности для интересующей части спектра составляет спектральную чувствительность - зависимость чувствительности от длины волны света. Таким образом, спектральная чувствительность показывает возможности сенсора по регистрации оттенков определённого цвета.

Понятно, что единицы измерения как интегральной, так и монохромной чувствительности отличаются от популярных в фототехнике обозначений. Именно поэтому производители цифровой фототехники в характеристиках изделия указывают эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы в единицах ISO. А для того, чтобы определить эквивалентную чувствительность, производителю достаточно знать освещённость объекта съёмки, диафрагму и выдержку, и использовать пару формул. Согласно первой, экспозиционное число вычисляется как log 2 (L *S /C), где L - освещённость, S - чувствительность, а C - экспонометрическая константа. Вторая формула определяет экспозиционное число равным 2*log 2 K - log 2 t ., где K - диафрагменное число, а t -выдержка. Нетрудно вывести формулу, позволяющую при известных L , C , K и t вычислить, чему равняется S .

Чувствительность матрицы является интегральной величиной, зависящей от чувствительности каждого ПЗС-элемента. Ну а чувствительность пиксела матрицы зависит, во-первых, от «подставленной под дождь фотонов» площади светочувствительной области (fill factor), а во-вторых, от квантовой эффективности (quantum efficiency), то есть отношения числа зарегистрированных электронов к числу упавших на поверхность сенсора фотонов.

В свою очередь, на квантовую эффективность влияет ряд других параметров. Во-первых, это коэффициент отражения - величина, отображающую долю тех фотонов, которые «отрикошетируют» от поверхности сенсора. При возрастании коэффициента отражения доля фотонов, участвующих во внутреннем фотоэффекте, уменьшается.

Не отражённые от поверхности сенсора фотоны поглотятся, образуя носители заряда, однако часть из них «застрянет» у поверхности, а часть проникнет слишком глубоко в материал ПЗС-элемента. Очевидно, что в обоих случаях они не примут никакого участия в процессе формирования фототока. «Проникающая способность» фотонов в полупроводник, именуемая коэффициентом поглощения , зависит как от материала полупроводника, так и от длины волны падающего света - «длинноволновые» частицы проникают гораздо глубже «коротковолновых». Разрабатывая ПЗС-элемент, необходимо для фотонов с длиной волны, соответствующей видимому излучению, добиться такого коэффициента поглощения, чтобы внутренний фотоэффект происходил вблизи потенциальной ямы, повышая тем самым шанс для электрона попасть в неё.

Нередко вместо квантовой эффективности используют термин «квантовый выход» (quantum yield), но в действительности данный параметр отображает количество носителей заряда, высвобождаемых при поглощении одного фотона. Разумеется, при внутреннем фотоэффекте основная масса носителей заряда всё же попадает в потенциальную яму ПЗС-элемента, однако определённая часть электронов (или дырок) избегает «ловушки». В числителе формулы, описывающей квантовую эффективность, оказывается именно то количество носителей заряда, которое попало в потенциальную яму.

Важной характеристикой ПЗС-матрицы является порог чувствительности - параметр регистрирующего свет устройства, характеризующий минимальную величину светового сигнала, который может быть зарегистрирован. Чем меньше этот сигнал, тем выше порог чувствительности. Главным фактором, ограничивающим порог чувствительности, является темновой ток (dark current). Он является следствием термоэлектронной эмиссии и возникает в ПЗС-элементе при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма. «Темновым» же данный ток называется потому, что складывается из электронов, попавших в яму при полном отсутствии светового потока. Если световой поток слаб, то величина фототока близка, а порой и меньше, чем величина темнового тока.

Существует зависимость темнового тока от температуры сенсора- при нагревании матрицы на 9 градусов по Цельсию её темновой ток возрастает в два раза. Для охлаждения матрицы используются различные системы теплоотвода (охлаждения) . В полевых камерах, массогабаритные характеристики которых сильно ограничивают применение систем охлаждения, иногда в качестве теплообменника используется металлический корпус камеры. В студийной технике ограничений по массе и габаритам практически нет, более того, допускается достаточно высокое энергопотребление охлаждающей системы, которые, в свою очередь, делятся на пассивные и активные.

Пассивные системы охлаждения обеспечивают лишь «сброс» избыточного тепла охлаждаемого устройства в атмосферу. При этом система охлаждения играет роль максимум проводника тепла, обеспечивающего более эффективное его рассеивание. Очевидно, что температура охлаждаемого устройства не может стать ниже, чем температура окружающего воздуха, в чём и заключается основной недостаток пассивных систем.

Простейшим примером системы пассивного теплообмена является радиатор (heatsink), изготавливаемый из материала с хорошей теплопроводностью, чаще всего- из металла. Поверхность, контактирующая с атмосферой, имеет форму, обеспечивающую как можно большую площадь рассеивания. Общепризнанно максимальной площадью рассеивания обладают игольчатые радиаторы , по форме напоминающие «ежа», утыканного рассеивающими тепло «иголками». Нередко для форсирования теплообмена поверхность радиатора обдувается микровентилятором- похожие устройства, называемые кулерами (cooler, от слова cool- охлаждать), в персональных компьютерах охлаждают процессор. На основании того, что микровентилятор потребляет электроэнергию, использующие его системы называются «активными»., что совершенно неправильно, так как кулеры не могут охладить устройство до температуры меньшей, чем атмосферная. При высокой температуре окружающего воздуха (40градусов и выше) эффективность пассивных систем охлаждения начинает падать.

Активные системы охлаждения за счет электрических либо химических процессов обеспечивают устройству температуру ниже окружающего воздуха. Фактически, активные системы «вырабатывают холод», правда, при этом в атмосферу выделяется как тепло охлаждаемого устройства, так и тепло системы охлаждения. Классическим примером активного охладителя является обычный холодильник. Впрочем, несмотря на довольно высокий КПД, его массогабаритные характеристики неприемлемы даже для студийной фототехники. Поэтому ее активное охлаждение обеспечивается системами Пельтье , работа которых основана на использовании одноименного эффекта, когда при наличии разности потенциалов на концах двух проводников, изготовленных из разных материалов, на стыке этих проводников (в зависимости от полярности напряжения) будет выделяться, либо поглощаться тепловая энергия. Причиной тому ускорение либо замедление электронов за счет внутренней контактной разности потенциалов стыка проводников.

При использовании комбинации полупроводников n-типа и p-типа, в которых теплопоглощение производится за счет взаимодействия электронов и «дырок», возникает максимальный теплопроводный эффект. Для его усиления можно применить каскадное объединение элементов Пельтье, причём, поскольку происходит как поглощение тепла, так и выделение, элементы необходимо комбинировать так, чтобы одна сторона охладителя была «горячей», а другая- «холодной». В результате каскадного комбинирования температура «горячей» стороны наиболее удалённого от матрицы элемента Пельтье значительно выше, чем у окружающего воздуха, а его тепло рассеивается в атмосфере при помощи пассивных устройств, то есть радиаторов и кулеров.

Использующие эффект Пельтье активные системы охлаждения могут понизить температуру сенсора вплоть до нуля градусов, кардинально снижая уровень темнового тока. Однако чрезмерное охлаждение ПЗС-матрицы грозит выпадением конденсата влаги из окружающего воздуха и коротким замыканием электроники. А в ряде случаев предельная разность температур между охлаждаемой и светочувствительной плоскостями матрицы может привести к её недопустимой деформации.

Однако ни радиаторы, ни кулеры, ни элементы Пельтье не применимы к полевым камерам, ограниченным по весу и габаритам. Вместо этого для такой техники используется метод, основанный на так называемых черных пикселах (dark reference pixels).Эти пикселы представляют собой покрытые непрозрачным материалом столбцы и строки по краям матрицы. Усредненное значение для всех фототоков черных пикселов считается уровнем темнового тока . Очевидно, что при разных условиях эксплуатации (температура окружающей среды и самой камеры, ток аккумуляторов и т. д.), уровень темнового тока будет разным. При использовании его в качестве «точки отсчёта» для каждого пиксела, то есть вычитая его значение из фототока, можно определить, какой именно заряд создан упавшими на ПЗС-элемент фотонами.

Подавляя тем или иным способом темновой ток, следует помнить о другом факторе, ограничивающем порог чувствительности. Им является тепловой шум (thermal noise), создаваемый даже при отсутствии потенциала на электродах одним лишь хаотичным движением электронов по ПЗС-элементу. Выдержки большой длительности ведут к постепенному накапливанию блуждающих электронов в потенциальной яме, что искажает истинное значение фототока. И чем «длиннее» выдержка, тем больше «заблудившихся» в яме электронов.

Как известно, светочувствительность плёнки в пределах одной кассеты остаётся постоянной, иными словами- не может изменяться от кадра к кадру. А вот цифровая камера позволяет для каждого снимка устанавливать самое оптимальное значение эквивалентной чувствительности. Достигается это посредством усиления видеосигнала, исходящего с матрицы- в чём-то такая процедура, называемая «повышением эквивалентной чувствительности» , напоминает вращение регулятора громкости проигрывателя.

Таким образом, при слабом освещении перед пользователем встаёт дилемма- либо повышать эквивалентную чувствительность, либо увеличивать выдержку. При этом в обоих случаях не избежать порчи кадра шумом фиксированного распределения. Правда, опыт показывает, что при «длинной» выдержке снимок портится не так сильно, как при усилении сигнала матрицы. Однако большая продолжительность экспонирования грозит другой проблемой- пользователь может «сдёрнуть» кадр. Поэтому, если пользовать планирует частую съёмку в помещении, то ему следует выбирать фотоаппарат с высокой светосилой объектива, а также мощной и «интеллектуальной» вспышкой.

Динамический диапазон

От матрицы требуется способность регистрировать свет как при ярком солнце, так и при слабом комнатном освещении. Поэтому потенциальные ямы матрицы должны быть весьма ёмкими, а также уметь как удерживать минимальное количество электронов при слабой освещенности, так и вмещать большой заряд, получаемый при попадании на сенсор мощного светового потока. Да и изображение, формируемое объективом, зачастую состоит как из ярко освещенных участков, так и из глубоких теней, а сенсор должен уметь регистрировать все их оттенки.

Возможность сенсора формировать хорошей снимок при разной освещённости и высокой контрастности определяется параметром «динамический диапазон» , характеризующим способность матрицы различать в изображении, проецируемом на её регистрирующую поверхность, самые темные тона от самых светлых. При расширении динамического диапазона количество оттенков снимка будет увеличиваться, а переходы между ними будут максимально соответствовать изображению, формируемому объективом.

Влияние динамического диапазона на качество кадра (А - широкий динамический диапазон, Б - узкий динамический диапазон)

Характеристика, описывающая способность ПЗС-элемента накопить определённой величины, называется «глубиной потенциальной ямы» (well depth), и именно от неё зависит динамический диапазон матрицы. Разумеется, при съёмке в условиях слабого освещения на динамический диапазон влияет также порог чувствительности, который, в свою очередь, определяется величиной темнового тока.

Очевидно, что потери электронов, составляющих фототок, происходят не только в процессе накопления заряда потенциальной ямы, но и при его транспортировке к выходу матрицы. Потери эти вызваны дрейфом электронов, «оторвавшихся» от основного заряда при его перетекании под следующий электрод переноса. Чем меньше количество «оторвавшихся» электронов, тем выше эффективность переноса заряда (charge transfer efficiency). Данный параметр измеряется в процентах и показывает долю заряда, сохранившуюся при «переправе» между ПЗС-элементами.

Влияние эффективности переноса можно продемонстрировать на следующем примере. Если для матрицы 1024 X 1024 величина данного параметра составит 98%, то чтобы определить значение фототока центрального пиксела на выходе матрицы необходимо 0,98 (объём переносимого заряда) возвести в степень 1024 (количество «переправ» между пикселами) и умножить на 100 (проценты). Результат совершенно неудовлетворительный - от исходного заряда останется каких-то 0.0000001 %. Очевидно, что при росте разрешения требования к эффективности переноса становятся ещё более жёсткими, так как количество «переправ» возрастает. Кроме того, падает скорость считывания кадра, потому что наращивание скорости переноса (для компенсации увеличившегося разрешения) ведёт к неприемлемому росту числа «оторвавшихся» электронов.

Для того, чтобы достичь приемлемых скоростей считывания кадра при высокой эффективности переноса заряда при конструировании ПЗС-матрицы планируют «заглублённое» размещение потенциальных ям. Благодаря этому электроны не так активно «прилипают» к электродам переноса, и именно для «глубокого залегания» потенциальной ямы в конструкцию ПЗС-элемента вводят n-канал.

Возвращаясь к вышеприведённому примеру: если в данной матрице 1024 X 1024 эффективность переноса заряда составит 99.999 %, то на выходе сенсора от фототока центрального заряда останется 98.98 % его первоначальной величины. Если разрабатывается матрица с более высоким разрешением, то требуется эффективность переноса заряда 99,99999%.

Блюминг

В тех случаях, когда внутренний фотоэффект приводит к избыточному количеству электронов, превышающему глубину потенциальной ямы, заряд ПЗС-элемента начинает «растекаться» по соседним пикселам. На снимках это явление, именуемое «блюмингом» (от английского blooming - размывание), отображается в виде пятен белого цвета и правильной формы, и чем больше избыточных электронов, тем крупнее пятна.

Подавление блюминга осуществляется посредством системы электронного дренажа (overflow drain), основная задача которой- отвод избыточных электронов из потенциальной ямы. Наиболее известны варианты вертикального дренажа (Vertical Overflow Drain, VOD) и бокового дренажа (Lateral Overflow Drain, VOD).

В системе с вертикальным дренажом на подложку матрицы подаётся потенциал, значение которого подбирается так, чтобы при переполнении глубины потенциальной ямы избыточные электроны вытекали из неё на подложку и там рассеивались. Минусом такого варианта является уменьшение глубины потенциальной ямы и, соответственно, сужение динамического диапазона ПЗС-элемента. Очевидно также, что данная система неприменима в матрицах с обратной засветкой.

Вертикальный электронный дренаж

Система с боковым дренажом использует электроды, препятствующие проникновению электронов потенциальной ямы в «дренажные канавки», из которых происходит рассеивание избыточного заряда. Потенциал на этих электродах подбирается в соответствии с барьером переполнения потенциальной ямы, при этом её глубина не меняется. Однако за счёт электродов дренажа сокращается светочувствительная площадь ПЗС-элемента, поэтому приходится использовать микролинзы.

Боковой электронный дренаж

Конечно, необходимость добавлять в сенсор дренажные устройства усложняет его конструкцию, однако искажения кадра, вносимые блюмингом, нельзя игнорировать. Да и электронный затвор невозможно реализовать без дренажа- он играет роль «шторки» при сверхкоротких выдержках, длительность которых меньше интервала, затрачиваемого на перенос заряда из основного параллельного регистра сдвига в буферный параллельный регистр. «Шторка», то есть дренаж, предотвращает проникновение в ямы буферных ПЗС-элементов тех электронов, что образовались в «светочувствительных» пикселах после того, как прошло заданное (и очень короткое) время экспонирования.

«Залипшие» пикселы

Из-за технологических погрешностей в некоторых ПЗС-элементах даже самая короткая выдержка ведёт к лавинообразному накоплению электронов в потенциальной яме. На снимке такие пикселы, именуемые «залипшими» (stuck pixels), очень сильно отличаются от окружающих точек как по цвету, так и по яркости, причём, в отличие от шума фиксированного распределения, они появляются при любой выдержке и вне зависимости от нагрева матрицы.

Удаление залипших пикселов осуществляется посредством встроенного программного обеспечения камеры, обеспечивающего поиск дефектных ПЗС-элементов и запоминание их «координат» в энергонезависимой памяти. При формировании изображения значения дефектных пикселов в расчёт не берутся, их заменяют интерполированным значением соседних точек. Чтобы определить дефектность пиксела в процессе поиска, его заряд сравнивается с эталонным значением, которое тоже хранится в энергонезависимой памяти камеры.

Размер матрицы по диагонали

Иногда в ряду прочих параметров какой-либо цифровой камеры указывается размер ПЗС-матрицы по диагонали (чаще всего в долях дюйма). В первую очередь эта величина связана с характеристиками объектива- чем больше габариты сенсора, тем крупнее должно быть формируемое оптикой изображение. Чтобы данное изображение полностью накрывало регистрирующую поверхность матрицы, размеры оптических элементов приходится увеличивать. Если этого не делать и созданная объективом «картинка» окажется меньше сенсора, то периферийные области матрицы окажутся невостребованными. Однако в ряде случаев производители фотокамер не стали указывать, что в их моделях определенная доля мегапикселей оказалась «не у дел».

А вот в цифровых «зеркалках», созданных на базе 35-милиметровой техники, практически всегда встречается обратная ситуация- изображение, формируемое объективом, перекрывает светочувствительную область матрицы. Вызвано это тем, что сенсоры с габаритами кадра 35-милииметровой плёнки слишком дороги, а приводит к тому, что часть изображения, формируемая объективом, оказывается в буквальном смысле слова «за кадром». В результате характеристики объектива смещаются в «длиннофокусную» область. Поэтому при выборе сменной оптики для цифровой «зеркалки» следует учитывать коэффициент увеличения фокусного расстояния - как правило, он составляет около 1,5. Например, при установке вариообъектива 28–70мм его рабочий диапазон составит 42–105мм.

Упомянутый коэффициент обладает как положительным, так и негативным влиянием. В частности, усложняется съёмка с большим углом охвата, требующая короткофокусных объективов. Оптика с фокусным расстоянием 18мм и менее стоит очень дорого, а в цифровой «зеркалке» она превращается в тривиальные 27мм. Впрочем, длиннофокусные объективы стоят тоже очень дорого, и при большом фокусном расстоянии, как правило, уменьшается относительное отверстие. А вот недорогой 200- миллиметровый объектив при коэффициенте 1,5 превращается в 300-миллиметровый, при этом у «настоящей» 300-миллиметровой оптики диафрагма порядка f/5,6, у 200-миллиметровой светосила выше- f/4,5.

Кроме того, для любого объектива характерны такие аберрации, как кривизна поля и дисторсия, выражающиеся в размытости и искривлении изображения в краевых областях кадра. Если габариты матрицы меньше, чем размер формируемого объективом изображения, «проблемные области» просто не будут зарегистрированы сенсором.

Следует отметить, что чувствительность матрицы связана с габаритами её регистрирующей области. Чем обширнее светочувствительная площадь каждого элемента, тем больше света попадает на него и тем чаще происходит внутренний фотоэффект, таким образом, возрастает чувствительность всего сенсора. Кроме того, пиксел больших габаритов позволяет создать потенциальную яму «повышенной вместимости», что положительно сказывается на широте динамического диапазона. Наглядный тому пример- матрицы цифровых «зеркалок», сравнимые по габаритам с кадром 35-миллиметровой плёнки. Эти сенсоры традиционно отличаются чувствительностью порядка ISO 6400 (!), а динамический диапазон требует АЦП с разрядностью 10-12-бит.

В то же время матрицы любительских камер обладают динамическим диапазоном, для которого достаточно 8-10-битного АЦП, а чувствительность редко превышает ISO 800. Причиной тому особенности конструкции данной техники. Дело в том, что у фирмы Sony очень мало конкурентов по части производства малогабаритных (1/3, 1/2 и 2/3 дюйма по диагонали) сенсоров для любительской техники, а вызвано это было грамотным подходом к развитию модельного ряда матриц. При разработке очередного поколения матриц с разрешением «на мегапиксел больше» обеспечивалась почти полная совместимость с предыдущими моделями сенсоров, причём как по габаритам, так и по интерфейсу. Соответственно, проектировщикам фотоаппаратов не приходилось «с нуля» разрабатывать объектив и «электронную начинку» камеры.

Впрочем, с увеличением разрешения буферный параллельный регистр сдвига захватывает всё большую долю площади сенсора, в результате и светочувствительная область, и «вместимость» потенциальной ямы сокращаются.

Уменьшение светочувствительной области ПЗС-матрицы при росте разрешения.

Поэтому за каждым «N +1 мегапикселом» кроется кропотливый труд разработчиков- к сожалению, не всегда успешный.

Аналого-цифровой преобразователь

Видеосигнал, прошедший сквозь усилитель, необходимо перевести в понятный микропроцессору камеры цифровой формат. Для этого используется аналого-цифровой преобразователь, АЦП (analog to digital convertor, ADC)- устройство, преобразующее аналоговый сигнал в последовательность цифр. Его главной характеристикой является разрядность , то есть количество распознаваемых и кодируемых дискретных уровней сигнала. Чтобы вычислить количество уровней, достаточно возвести двойку в степень разрядности. Например, «разрядность 8 бит» обозначает, что преобразователь в состоянии определить 2 в восьмой степени уровней сигнала и отобразить их в виде 256 различных значений.

При большой разрядности АЦП можно (теоретически) достигнуть большей глубины цвета (color depth), то есть разрядности обработки цвета, описывающей максимальное количество цветовых оттенков, которое можно воспроизвести. Глубина цвета обычно выражается в битах, а количество оттенков вычисляется так же, как и количество уровней сигнала АЦП. К примеру, при 24-битной глубине цвета можно получить 16777216 оттенков цвета.

В действительности же глубина цвета для файлов в форматах JPEG либо TIFF, которые используются компьютером для обработки и хранения изображений, ограничена 24 битами (по 8 бит на каждый цветовой канал - синий, красный и зеленый). Поэтому используемые иногда АЦП с разрядностью 10, 12 и даже 16 бит (то есть глубиной цвета 30, 36 и 48 бит) можно ошибочно посчитать «избыточными». Однако динамический диапазон матрицы некоторых моделей цифровой фототехники достаточно широкий, и если фотоаппарат оборудован функцией сохранения кадра в нестандартном формате (30–48 бит), то при дальнейшей компьютерной обработке есть возможность использовать «лишние» биты. Как известно, ошибки в расчёте экспозиции по частоте проявления уступают лишь неточностям фокусировки. И потому возможность компенсировать такие ошибки с помощью «нижних» (в случае недодержки) либо «верхних» (при передержке) бит оказывается весьма кстати. Ну а если экспозиция рассчитана без ошибок, то «сжать» без искажений 30–48 бит в стандартные 24 не представляет собой особо сложную задачу.

Очевидно, что динамический диапазон ПЗС-матрицы должен являться основанием для повышения разрядности АЦП, так как при узком динамическом диапазоне АЦП с 10-12 битами на канал просто нечего будет распознавать. И зачастую нельзя назвать иначе, чем рекламным трюком упоминания «36-битного» и даже «48-битного» цвета скромной «мыльницы» с матрицей в полдюйма по диагонали, ведь даже 30-битный цвет требует, как минимум, сенсор с диагональю 2/3 дюйма.