Анатомия цифрового фотоаппарата: сенсоры

Простота ПЗС

ПЗС, в отличие от КМОП, не способен совершать некоторые операции прямо на чипе, но то простое изящество, с которым ПЗС выполняет операции, обеспечивает изображению очень высокое качество. Но не думайте, что если на вашем фотоаппарате используется ПЗС матрица, качество картинки будет неподражаемым. Изображение из цифровой камеры - результат работы всех компонентов этой камеры, включая оптику, АЦП, обработку изображений, сенсор и все другие компоненты и процессы цифрового фотоаппарата. Отметим также, что многое зависит и от того, как все эти компоненты взаимодействуют между собой.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) назван так из-за способа передачи заряда между светочувствительными элементами и в конечном итоге выводе заряда из сенсора. Заряды сдвигаются по матрице строчками сверху вниз. Это так называемая архитектура с параллельным (вертикальным) сдвиговым регистром. Таким образом, заряд передвигается вниз по строчкам сразу по множеству регистров. Заряды перемещаются "в связке" - когда перемещается одна из строчек зарядов, на освобождающееся место передвигаются все заряды из верхней строчки. Отсюда и такое название.

Что же происходит со строчкой, находящейся в нижней позиции? В действительности, последняя строчка представляет собой горизонтальный сдвиговый регистр (serial shift register) - при этом используется архитектура с последовательным выводом. В этой строчке все заряды последовательно покидают сенсор, при этом используется метод зарядовой связи (что указывает на порядок зарядов) и при этом освобождается место для новой строчки зарядов. Часто такой метод сравнивают с пожарной цепочкой - как в старинных пожарных командах.

Перед тем, как покинуть ПЗС сенсор, заряд каждого пикселя усиливается и на выходе получается аналоговый сигнал с различным напряжением. Перед обработкой этот сигнал пересылается на отдельный (вне чипа) аналого-цифровой преобразователь и получившиеся цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строчку изображения, полученного сенсором. В отличие от ОЗУ компьютера, где единичка или нолик представлены наличием или отсутствием заряда, ПЗС сохраняет этот заряд в аналоговой форме до тех пор, пока он не преобразуется АЦП.

Так как ПЗС лишь передает электрический заряд, используя процесс зарядовой связи, который обладает низким сопротивлением и меньше подвержен помехам других электронных компонентов, результирующий сигнал, как правило, содержит меньше различных шумов, по сравнению с сигналом КМОП сенсоров. Тем не менее, передаются далеко не все заряды - часть электронов безвозвратно теряется на пути между светочувствительными областями и выходом сенсора. Эффективность переноса заряда - это определяющая характеристика сенсора. Обычно, она предоставляется производителями сенсоров.

Затворы

Электроды - это проводники, по которым ток либо поступает, либо покидает электронное устройство. Они играют роль электронных ворот. В зависимости от того, какие функции электроды выполняют в ПЗС, они имеют различное название - пропускающие затворы (transfer gates), затворы управления экспозицией (exposure control gates) или затворы переполнения (overflow gates). В пропускающих затворах электроды получают тактовые импульсы различного напряжения, в результате чего заряд способен перемещаться от одной светочувствительной области к следующей. Это и перемещение строчки зарядов вниз на следующую строчку, и последовательное считывание зарядов с последней строчки. Электронный затвор, влияющий на время экспозиции - время интеграции электронного затвора сенсора (когда пиксель получает фотоны и вырабатывает электроны) управляется напряжением. А затворы переполнения используются для того, чтобы не допустить рассеивания электронов и уменьшить воздействие зарядов соседних пикселей.

Чаще всего электроды создаются из поликристаллического кремния. Компания Kodak представила новый тип электродов - из сплава индия и оксида олова (indium tin oxide, ITO). Считается, что такая технология позволяет улучшить процесс захвата электронов в светочувствительных областях, так как этот сплав прозрачнее поликристаллического кремния. Кроме того, избегается ещё один эффект - поликристаллический кремний может отражать или поглощать фотоны волн определенной длины.

Так как заряд в КМОП и в ПЗС устройствах передаётся по-разному, по-разному функционируют и электроды в этих матрицах. То есть в технологии КМОП не используется метод переноса с зарядовой связью. Поэтому и электроды в КМОП технологии применяются несколько иначе, чем в ПЗС. В КМОП матрицах электроды используются в пропускающих затворах у транзисторов на выходе сенсора и для уменьшения помех.

Как было упомянуто выше, основной функцией электродов является управление передачей заряда в ПЗС. Чтобы лучше вникнуть в суть дела и разобраться в их работе, мы сперва рассмотрим четырехфазный прибор с зарядовой связью, то есть прибор, где на каждый пиксель имеется четыре электрода. (В большинстве ПЗС используется несколько электродов/фаз, их число зависит от модели сенсора)

На первом электроде, как и на всех остальных, каждый пиксель получает одинаковое напряжение. Если электрод получает большое напряжение, под ним на кремниевой подложке, создаётся потенциальная яма. Если же электрод получает малое напряжение, то создаётся потенциальный барьер, который позволяет удерживать в потенциальной яме захваченные электроны (данные элемента изображения). Таким образом, при изменении напряжения, подаваемого на соседние электроды в определенные моменты времени, потенциальные ямы перемещаются с одного пикселя на другой. Таким образом и создаётся эффект "пожарной бригады", описанный выше.

Так сложно это, или нет?

Четырехфазный процесс на самом деле прост, другое дело, что описать его словами бывает трудно.

В первый такт выключаются первый и второй электроды, и включаются третий и четвертый. Во второй такт включается первый электрод и выключается третий. Следом включается второй и выключается четвертый. На четвертом такте включается третий и выключается первый (в том числе и на следующем пикселе). Процесс затем повторяется вновь для передвижения заряда по сенсору.

Такая четырехфазная технология довольно популярна, так как при этом используется всего два слоя материала. Кроме того, компания Philips утверждает, что при таком решении используется, по крайней мере, половина зарядной емкости пикселя. К примеру, в трехфазовой архитектуре на хранение заряда отводится лишь 33 процента пикселя. Четырехфазная технология приводит и к большей емкости пикселя (общее число электронов, которые могут храниться в каждом пикселе, прежде чем он будет насыщен) по сравнению с устройствами с другими архитектурами.

ПЗС бывают четырёх типов: линейные (Linear), чересстрочные (Interline), полноформатные (Full-frame) и с покадровым переносом (Frame-Transfer).

Линейные ПЗС состоят из одной строчки пикселей. Для получения изображения ПЗС должна сосканировать каждую строчку изображения, последовательно выстраивая картину. Понятно, что в этом случае на получение изображения уйдет намного больше времени, чем если получать изображение сразу. Кроме того, в таких приборах понадобится дискретный электропривод, что ещё больше усложнит устройство системы и её эксплуатацию и может исказить изображение. Поэтому линейные ПЗС остались уже в прошлом, хотя некоторые до сих пор используются в планшетных сканерах и в сканерах цифровых камер.

Остальные ПЗС (чересстрочного, полноформатного типа и с покадровым переносом) относятся к матричным ПЗС - все они состоят из нескольких рядов и колонок, создающих прямоугольную матрицу.