Анатомия цифрового фотоаппарата: сенсоры

Сенсор - это кремниевый полупроводник, предназначенный для восприятия фотонов (света) и для трансформации фотонов в электроны. Сенсоры являются важнейшей частью цифровой камеры. Кроме того, сенсоры используются в сканерах, в астрономических приборах, в различных научных, военных и медицинских устройствах. Полученные электроны приводят к появлению напряжения. Затем оно измеряется и преобразуется в цифровые данные.

Для выполнения таких операций требуются очень сложные вычисления на микроскопическом уровне. Сенсоры стали разрабатывать в конце 60х - начале 70х годов. Их роль в современных цифровых видеоустройствах, ставших популярными последнее время, настолько велика, что дизайн сенсоров постоянно совершенствуется.

Несмотря на то, что ПЗС (прибор с зарядовой связью) был изобретен больше трёх десятков лет назад, он до сих пор остаётся золотым стандартом, эталоном, с которым сравниваются новые сенсоры. Мы подробно расскажем о том, как работают ПЗС сенсоры, и лишь немного коснемся работы КМОП.

Круги на полях, шпионы, парашюты...

Сенсоры стали разрабатывать для правительственных разведывательных и космических программам (правительства США, конечно же). Для шпионажа во время холодной войны требовались совершенные методы наблюдения. В частности, были запущены секретные спутники ЦРУ и ВВС США - Corona. Эти спутники были оснащены современнейшим по тому времени оборудованием - камерами серии KH, использующими специальные линзы и новые типы пленок. (Что интересно, в результате в массовое производство поступили пленки "майлар" - лавсан, Mylar).

Чтобы определить масштаб фотографии, использовались кукурузные поля Среднего Запада США, которые были специальным образом покошены. На них выкашивали довольно большие геометрические фигуры - чтобы можно было распознать из космоса. (Теперь понятно, откуда возникли эти таинственные круги, десятилетиями волновавшие читателей желтой прессы? Да, они имели отношение к космосу, но природу они имели вполне человеческую)

Как только пленка была отснята целиком, она в керамическом контейнере на парашюте катапультировалась на Землю - в районе Гавайев. Эти контейнеры подбирались ещё в воздухе самолетами C-119 ВВС США (так называемые "Летающие товарные вагоны" - Flying Boxcar). Специально для этого самолеты оснащались длинными крючками, прикрепленными к хвостовому оперению. Если пилот промахивался и не ловил контейнер, пленка попадала в Тихий Океан, где могла плавать ещё пару дней. Если в течение двух дней ВМС США не находили контейнер, под воздействием морской воды соляные пробки растворялись и контейнер вместе с содержимым погружался в океан - чтобы не нашел неприятель. Министерство обороны считало, что под водой шпионов нет. Но даже при таких мерах безопасности, по крайней мере один такой контейнер попал во вражеские руки.

Несмотря на такие случайные инциденты, спутниковое слежение было намного безопаснее, чем шпионаж с использованием самолетов или воздушных шаров - ведь спутник не так-то легко подстрелить. (Помните, в 1960 году над Уралом сбили американский разведывательный самолет У-2, пилотируемый Фрэнсисом Гэри Пауэрсом? Урал - уже далеко не граница) Так вот, процесс возвращения пленки - самый небезопасный из всей этой цепочки операций. Понятно, что надо было придумать какой-то выход из этой ситуации, и придумать как можно скорее.

Аналоговая аппаратура

Следующим технологическим новшеством в спутниковой фотографии стали обработка пленки на борту спутника, сканирование её с помощью светового луча, преобразование световых волн в аналоговый электрический сигнал, и последующая его передача на специальную приемную станцию на Земле. Как только сигналы оказывался на Земле, они преобразовывались назад в изображения. (Аналоговая система была похожа на ту, которой пользовались в Associated Press и в United Press International для передачи новостей и фотографий по проводам)

Но до сих пор доподлинно не известно, где, когда, и как в правительственных разведывательных и космических программах на смену аналоговым системам пришла цифровая фотография. До сих пор часть информации находится под грифом "секретно". Где-то с начала 70-х вся космическая фотография постепенно начала переходить на цифру. При этом разрешение фотографий и качество улучшалось по экспоненте. Создавались действительно впечатляющие снимки вселенной. А качество цифровых фотографий, вроде тех, что получены на Земле с помощью усовершенствованной модели космического телескопа Hubble, было исключительным.

У цифровой фотографии нет точной даты рождения. Обычно считают, что цифровая фотография появилась в конце 60х, когда ученые обнаружили, что КМОП (комплементарный металло-оксидный полупроводник) может быть светочувствительным. Прибор с зарядовой связью (ПЗС, CCD) был изобретён в конце 1969 года Вильямом Бойлем (William S. Boyle) и Джорджем Смитом (George E. Smith), работавшими в лабораториях Bell. Так как качество изображения было очень высоким, эти приборы быстро вытеснили КМОП из цифрового обработки изображений. Однако отметим, ПЗС более чувствителен к излучению, нежели КМОП. А чем выше вы находитесь от поверхности Земли, тем больше излучение. Именно поэтому КМОП сенсоры не были забыты, и правительство штатов оплачивало исследования в этой области.

В нашей статье мы обратимся к этим удивительным технологиям и объясним с физической точки зрения, как с помощью кусочка кремния можно воссоздать изображение.

Несмотря на всё разнообразие технологий, в большинстве случаев в цифровых камерах используются либо КМОП, либо ПЗС сенсоры. Самым важным отличием между этими системами является способ перенесения электронов с сенсора. Кроме того, КМОП может осуществлять большее количество функций прямо на чипе. Тем не менее, начало у этих технологий общее, и что самое примечательное, первоначально, ни та, ни другая технология не имели никакого отношения к цифровой фотографии. Оба устройства представляли собой полупроводниковую память.

В 1966 году в лабораториях Bell была изобретена ЦМД-память (память на цилиндрических магнитных доменах, пузырьковая память, bubble memory). Предполагалось, что она будет энергонезависимой (то есть при выключения питания компьютера данные не теряются). Воодушевленные потенциалом этих устройств, ученые продолжили опыты с технологией ПЗС как с последовательными запоминающими устройствами. Но эта технология быстро устарела - стоило появиться более эффективной и быстрой энергонезависимой памяти, например, EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory - электронно-перепрограммируемая постоянная память). Тем не менее, как обнаружилось, ПЗС память обладает впечатляющими возможностями по переносу заряда, что сделало ее идеальным для сенсоров. Впервые в массовое производство ПЗС сенсоры были запущены в 1973 году. КМОП технология продолжала использоваться в памяти, обрабатывающих и других цифровых устройствах, что связано с ее низким энергопотреблением и высокой функциональностью. Технологии КМОП и ПЗС отличаются своей ценой, процессом производства и дальнейшими перспективами развития.

Больше и дешевле

ПЗС являются специализированными чипами и используются только для получения изображения. Производят эти чипы всего несколько фирм - дочерние компании таких гигантов как Sony, Philips, Kodak, Matsushita, Fuji и Sharp. В отличие от ПЗС, область применения КМОП устройств намного шире. Они используются как в процессорах персональных компьютеров, так и в подавляющем большинстве потребительской электроники. Так как в основном КМОП устройства изготавливаются большими партиями и по стандартному технологическому процессу, их производство обходится значительно дешевле.

Кроме дешевизны производства, КМОП устройства обладают целым рядом преимуществ. Так как архитектура КМОП позволяет производить обработку изображений и аналого-цифровые преобразования (АЦП - ADC) непосредственно на чипе, цифровые камеры и другие устройства, использующие КМОП технологию вместо ПЗС, в итоге оказываются значительно дешевле. КМОП сенсоры требуют меньше энергии, чем ПЗС, поэтому они более эффективны и не так дороги в эксплуатации. Кроме того, КМОП камерам не нужно столько лишних схем и плат - поэтому они могут быть величиной буквально с наперсток (или даже меньше).

Тем не менее, в системах, где самым важным считается качество, всё же используются ПЗС, так как они чувствительнее к свету, степень градации у них выше, а лишних шумов меньше.

В начале девяностых технология КМОП была существенно улучшена. Частично, причиной тому послужило развитие технологии вообще и технологии производства КМОП чипов в частности. Например, достижения сверхтонкой литографии и последующая миниатюризация транзисторов в интегральных схемах позволили соединять транзисторы в КМОП сенсорах более тонкими металлическими проводниками. При этом увеличилось количество кремния, на который попадают фотоны, что, в свою очередь, увеличило чувствительность сенсоров. Кроме того, уменьшилась и потребляемая мощность.

До недавних пор было мало шансов добиться высокого качества КМОП фотоаппаратов. Когда мы тестировали первые КМОП камеры Sound Vision and Vivitar, посторонние шумы на фотографиях были настолько заметны, что ровные вертикальные кромки небоскребов плыли, и создавалось ощущение, что здания таяли. Тем не менее, новая модель Canon D30, использовавшая корпус профессионального однообъективного зеркального фотоаппарата, показала, что КМОП технология уже достаточно хороша, чтобы заменить дорогую ПЗС. Вероятно, в ближайшие годы в любительских и в профессиональных камерах на смену ПЗС матрицам придут КМОП матрицы. Технология ПЗС, скорее всего ещё просуществует некоторое время на high-end рынке.