Анатомия цифрового фотоаппарата: сенсоры

Чересстрочные ПЗС

В чересстрочных ПЗС каждый пиксель обладает как фотоприемником, так и областью для накапливания заряда. Эта область возникает в результате загораживании части пикселя от света. Её используют только для переноса заряда. Такие затененные области образуют вертикальный канал для передачи заряда, при этом заряд поступает сверху вниз к горизонтальному регистру. Педанты бы сказали, что именно эта вертикальная затененная область в сенсорах и называется ПЗС, так как именно в ней происходит зарядовая связь. Чтобы выделить эту область от всего чипа (ПЗС сенсора), её часто называют ВПЗС - вертикальный прибор с зарядовой связью. Горизонтальный сдвиговый регистр часто называют ГПЗС. Чтобы не путаться, мы не будем использовать всю эту терминологию. Область, на которую падает свет, называется апертурой (aperture).

Чересстрочная развертка позволяет электрическому заряду пикселя быстро перемещаться на соседствующую затененную область, по которой он строчка за строчкой двигался бы к горизонтальному сдвиговому регистру. Такое быстрое перемещение заряда из светочувствительной области позволяет ей быстрее принимать следующую порцию фотонов. В цифровых камерах такая быстрая готовность апертуры пикселя принимать следующую порцию данных изображения позволяет получать видеоизображение. Минусом в такой технологии, безусловно, можно считать значительное уменьшение светочувствительной области. По этой причине ограничивается возможная плотность пикселей (пресловутое разрешение). Для обеспечения более высокого разрешения, в ПЗС функционируют микролинзы, позволяющие лучшим образом направлять фотоны в светочувствительные области. Кроме этого, сенсоры с такой архитектурой довольно сложны в производстве. Обычно, чересстрочные сенсоры используются в потребительских цифровых камерах.

Полноформатные ПЗС

В полноформатных ПЗС изображение получает целиком весь пиксель. Поэтому во время передачи заряда пиксель не должен принимать фотоны. Чтобы обеспечить этот процесс и предотвратить попадание фотонов на пиксель (чтобы изображение не было размазано), за объективом камеры находится механический затвор. Единственный случай, когда такой затвор оказывается ненужным - это съемка с контролированием выдержки и количества света внешними приборами - например, при студийном стробоскопическом источнике света. Так как у камер с полноформатным ПЗС разрешающая способность выше, такие матрицы используются в более дорогих устройствах более высокого класса.

ПЗС с покадровым переносом заряда

ПЗС этого типа очень похожи на полноформатные ПЗС, отличие заключается в том, что они отводят половину матрицы для временного хранения электрического заряда. Такая затененная область называется ещё "матрицей хранения" ("Storage array"). Как только заканчивается период интеграции и в светочувствительных областях накапливается заряд, он быстро перемещается в матрицу хранения. Такие матрицы могут работать без задержки на использование механического затвора, что обеспечивает им очень высокую скорость захвата изображения. Но заряд не полностью успевает переместиться в матрицу хранения до наступления следующего периода интеграции. Вследствие такой нахлестки изображение получается размытым. Еще одни минусом таких ПЗС является значительно больший размер (а, значит, и более высокая цена), так как на кристалле необходимо кроме светочувствительных элементов располагать и матрицу хранения. Поэтому в некоторых случаях лучше использовать чересстрочные сенсоры, которые могут выполнять одновременную съемку и передачу информации с минимальным размытием изображения.

Хотя фирм, производящих ПЗС матрицы очень мало, конкуренция на этом рынке развернулась очень жестокая. И своих покупателей фирмы привлекают именно различиями в сенсорах. Поэтому не удивительно, что каждая из этих фирм работает над изменением и улучшением имеющихся архитектур ПЗС. Приведем несколько примеров.

Супер ПЗС (Super CCD) от Fuji использует уникальную сотовую архитектуру, в которой применяются восьмиугольные пиксели. Таким образом, увеличивается рабочая поверхность кремния и увеличивается плотность пикселей (количество пикселей в ПЗС). Кроме этого, восьмиугольная форма пикселей увеличивает и площадь светочувствительной поверхности. По утверждениям Fuji, в такой архитектуре кроме всего прочего становится лучше соотношение сигнал/шум, а также улучшается динамический диапазон. Отметим всё же, что когда в прошлом году мы протестировали первую модель фотоаппарата Fujifilm 4700 с сенсором Super CCD, мы были крайне разочарованы качеством полученных фотографий. Но последние модели камер Fujifilm были разработаны специально под сенсор Super CCD. По нашему мнению, изображения получились четче, чем у других подобных устройств, и мы остались довольны качеством фотографий.

Построчные или чересстрочные ПЗС?

Данные считываются с сенсора одним из двух методов - прогрессивным или чересстрочным. Это очень напоминает типы развертки в видеотехнике. Методы отличаются порядком поступления колонок данных ПЗС на горизонтальный сдвиговый регистр.

В построчном (прогрессивном) режиме колонки считываются точно друг за другом - так, как они считывались с изображения. Чересстрочные ПЗС считывают сначала все четные колонки, а затем нечетные. После этого, они восстанавливаются уже в устройстве обработки изображений.

Чересстрочные ПЗС, содержащие более одного мегапикселя (как правило, такие ПЗС используются в сенсорах цифровых камер) обычно считывают колонки чересстрочным методом - здесь один ряд электродов управляет вертикальной передачей заряда из двух строчек пикселей.

В идеале было бы неплохо получить сенсоры с качеством изображения как у ПЗС и с интеллектом как у КМОП. На данном этапе развития технологий это не представляется возможным. Тем не менее, компании Kodak удалось создать чересстрочный ПЗС (с чипом KAI 2020), который производит некоторую обработку изображений непосредственно на чипе. Для этого на сенсор помещены формирователи тактовых импульсов - чтобы производить двукратный коррелированный семплинг (double correlated sampling). Компания не называет такой сенсор интеллектуальным - ведь аналого-цифровые преобразования, равно как и обработка изображений - все же прерогатива КМОП сенсоров. Тем не менее, он вычисляет значение темнового тока (тот уровень шумов, существующий даже когда свет не попадает на сенсор), и вычитает его из имеющегося изображения. Это популярный метод, используемый в КМОП сенсорах для нейтрализации шумов и артефактов. В настоящее время, KAI 2020 - единственный серийно производящийся сенсор, который не используется в цифровых камерах. Он нашел себе применение в автоматизированном контроле или в управлении трафиком.

Технология ПЗС с покадровым переносом ядра от Philips была названа архитектурой True Frame. Кроме Philips данной архитектурой пользовалась Sanyo. В этих сенсорах область хранения закрывалась от света металлическим слоем и могла хранить лишь пятую часть зарядной емкости пикселя. Технология использовалась только для предварительного просмотра изображения в видоискателе и для получения общей информации о сцене, чтобы можно было определить выдержку и другие настройки. Если камера находилась в режиме предварительного просмотра или в режиме отслеживания, электроны быстро перемещались в область хранения. При этом большая их часть (точнее сказать, четыре пятых) попадала на кремниевую подложку и пропадала там. Но когда камера находилась в режиме съемки, все электроны быстро считывались, и ни один не перемещался на область хранения. Считывание производилось последовательным методом, а не чересстрочным, поэтому такое устройство выигрывало в скорости. Тогда как обычный чересстрочный ПЗС считывал изображение со скоростью 5-10 кадров в секунду, сенсор Philips, созданный по технологии с покадровым переносом работал со скоростью 30-60 кадров в секунду. Это соответствует скорости видео. Однако если бы не было затвора, мы бы наблюдали размытое изображение - сенсор бы не успевал отдавать заряд до поступления новой порции фотонов.

Технология КМОП, в отличие от ПЗС, позволяет осуществлять большее количество операций прямо на чипе. Кроме высвобождения электронов и их передачи, КМОП сенсоры могут также обрабатывать изображения, выделять контуры изображения, уменьшать помехи и производить аналого-цифровые преобразования. Более того, производители могут создавать программируемые КМОП сенсоры, то есть можно создать очень гибкое многофункциональное устройство.

Такой набор функций на одном чипе - основное преимущество технологии КМОП над ПЗС. При этом также сокращается количество различных внешних компонентов. Использование в цифровой камере КМОП сенсора позволяет в оставшееся место устанавливать другие чипы - например, цифровые сигнальные процессоры DSP и аналого-цифровые преобразователи. А так как КМОП устройства потребляют меньше энергии по сравнению с ПЗС, то выделяется меньше тепла, следовательно, появляется меньше различных помех тепловой природы.

Активные пиксели

Бум КМОП технологий начался в начале 90-х, когда впервые лаборатория ракетных двигателей NASA (Jet Propulsion Laboratory - JPL) успешно внедрила активные пиксельные сенсоры (Active Pixel Sensors - APS). Идея витала в воздухе ещё давно, но воплотить её в жизнь получилось лишь в 1993 году. В этой технологии у каждого пикселя появлялся свой считывающий транзисторный усилитель (readout amplifier transistor), что позволяло преобразовывать заряд в напряжение непосредственно на пикселе. Кроме того, появилась возможность для произвольного доступа к каждому пикселю сенсора - подобно тому, как работает оперативное запоминающее устройство.

Считывание заряда с активных пикселей КМОП сенсора производится по параллельной схеме. Это позволяет считывать сигнал с каждого пикселя или колонки пикселей напрямую. Такой произвольный доступ позволяет КМОП сенсору считывать не всю матрицу целиком, а лишь некоторые области. Этот метод называется методом оконного считывания (window-of-interest, windowing readout). КМОП сенсор способен также уменьшить размер изображения. По сравнению с ПЗС при этом также увеличивается скорость считывания (в ПЗС весь заряд выходит через единственный сдвиговый регистр).

Усиливающие схемы могут быть расположены в любом месте чипа, а не только на светочувствительной области. Это позволяет создавать несколько каскадов усиления по всему сенсору. Так, например, в темных условиях усилители могут "вытягивать" изображение целиком, а в иных случаях могут усиливать лишь определенные цвета - для баланса белого или для специальных художественных эффектов.

Из-за добавления дополнительных схем на чип, у КМОП сенсоров появляется существенный недостаток - создаются помехи - это и транзисторные, и диодные рассеивания, и эффект остаточного заряда. Устранением таких помех исследователи занимаются уже довольно долго. Но при этом нельзя недооценить главное достоинство КМОП сенсоров - они позволяют непосредственно на чипе устранять шум теневого тока из заряда перед тем, как передать его с сенсора.

Разнообразие КМОП архитектур объясняется возможностью сенсоров выполнять большое число различных функций.