Анатомия цифрового фотоаппарата: сенсоры

Горячо - холодно

При продолжительной работе любой цифровой фотоаппарат нагревается. Поэтому в профессиональных цифровых камерах сенсор активно охлаждается - либо с помощью конвекции, либо элементом Пельтье, либо вентиляторами. В high-end сенсорах, предназначенных для высокоточных научных и астрономических наблюдений, используется жидкостное охлаждение.

Интересный компромисс наблюдается в фотоаппаратах с ЖК видоискателями, крепящимися к камере на шарнирах. Это решение удобно и для пользователей - так проще наводить фотоаппарат, но самое главное - таким образом от сенсора отдаляется негативный шум и тепло от ЖК экрана, а соответственно снижается и темновой ток.

Ещё один способ сокращения темнового тока - технология синхронизации режимов накопления (Accumulation Mode Clocking, также эту технологию называют MultiPinned Phase - MPP). При этом с помощью изменения напряжения "дырки" (положительные заряды) передвигаются по поверхности кремния и притягивают "заблудшие" свободные электроны - так предотвращается появление теневого тока. Подобным образом работают и диоды с накоплением "дырок" (Hole Accumulation Diode - HAD), добавляющие еще один слой к пикселю, притягивающий дырки.

Различные производители вычисляют динамический диапазон немного по-разному. Но вообще принято считать, что динамический диапазон (в децибелах) равен количеству электронов, которое может хранить пиксель (емкость пикселя, или глубина пикселя), деленному на темновой ток и шумы при считывании (также выраженные количеством электронов)

Компания Philips Semiconductors вполне разумно утверждает, что нельзя говорить о динамическом диапазоне, не упоминая при этом температуры. Иначе нетрудно запутать потребителя, так как нельзя будет сравнить динамические диапазоны двух разных производителей в связи с разными методами их расчета. Однако все производители могут использовать значение динамического диапазона в децибелах для определения битовой глубины сенсора. Например, если динамический диапазон равен 72 дБ, это означает, что отношение полной зарядной емкости к помехам - около 4096, и 12-битный АЦП может точно обработать такой сигнал (2 в 12 степени - как раз равно 4096) .

Любимые формулы

Обратимся к формуле. Предположим, что полная зарядная емкость составляет 40960 электронов, пусть помехи будут составлять 10 электронов. Поделив первое число на второе, получим 4096. Десятичный логарифм означает, в какую степень нужно возвести число 10, чтобы получить число искомое значение (в нашем случае - 4096). Итак, вычислив логарифм, получим, что показатель степени равен 3,61236. Помножив его на 20, мы получим динамический диапазон в 72,25 дБ, что приближенно равно 72 дБ.

Идея заключается в семплировании выходного сигнала сенсора с помощью АЦП с глубиной 8, 10, 12 бит и так далее, при этом можно получить столько оттенков серого, сколько позволяет динамический диапазон сигнала. При 10-битном семплировании таких градаций будет 1024, а при 12-битном - 4096. Но если динамический диапазон сигнала составляет всего 60 дБ, что примерно соответствует значению полная зарядная емкость/шум = 1024, или двойке в десятой степени, использовать 12-битный АЦП, способный определить 4096 градаций - все равно, что стрелять из пушки по воробьям. А при сэмплировании такого сигнала с динамическим диапазоном 60 дБ с помощью 8-битного АЦП какие-то оттенки будут отброшены - с восемью битами можно указать лишь 256 градаций. Следовательно, 10-битный АЦП окажется в самый раз.

Чем меньше размер пикселя, тем меньше его зарядная емкость, следовательно, тем меньше будет его возможный динамический диапазон. С другой стороны, слишком большие пиксели (с большей зарядной емкостью) далеко не всегда означают больший динамический диапазон, если только не нейтрализованы помехи. Ведь больший размер пикселей означает увеличение вероятности возникновения различных помех, шумов и артефактов. (Помехи возникают при неправильной интерпретации изображения пикселем или группой пикселей, при этом изображение искажается, например, на синем небе появляются красные точки. Каким бы ни был источник помех, результат всегда одинаков - искажается изображение).

Отношение размера сенсора к числу пикселей также влияет на величину шума. Если вы будете плотнее располагать пиксели на сенсоре, то вам придется уменьшать их размер, соответственно увеличивается вероятность электрических помех, что снижает динамический диапазон. Именно поэтому в высококлассных камерах используются сенсоры большего размера. Соответственно увеличивается и цена.

Сенсорам сейчас уделяется особое внимание - множество лабораторий разрабатывают все новые и новые дизайны этих устройств. Конечно же, люди желают, чтобы фотоаппараты были дешевле. При этом они также требуют и высокого качества изображений. Поэтому новые архитектуры сенсоров должны обладать повышенной чувствительностью и меньшим уровнем помех - чтобы был выше динамический диапазон. При этом размер пикселей должен быть минимальным.

Упаковка сенсора

О корпусе стоит поговорить отдельно - ведь он составляет третью часть от стоимости всего сенсора. В настоящее время сенсоры помещаются на керамическую подложку, а сверху закрываются стеклом. Эта технология довольно дорога. Кроме этого, такие сенсоры занимают в камере немало места. Производители понимают, что для корпусов необходимы более дешевые материалы, а размер сенсоров должен быть меньше. Но материалов с соответствующими характеристиками крайне мало, а создавать новые - не так-то просто.

В ближайшее время должны появиться новые технологии сенсоров. Такими разработками параллельно занимается несколько различных лабораторий, и все они решают одни и те же проблемы, используя различные вариации ПЗС и КМОП сенсоров.

Например, MOSAD-чип (Multiplexed OverSample AID), разработанный JPL по технологии Amain Technology является гибридом КМОП/ПЗС чипа. Пиксель выдает уже оцифрованное значение, полученное с помощью семплирования с высокой частотой (oversampling) на АЦП. По существу, измеряется избыток электронов на пикселе, а не их общее количество. Если существует избыток, чип ставит единичку, в противном случае - нолик. Это и называется оцифрованным видом. При этом не учитываются градации яркости, изображение получается черно-белым, но компания утверждает, что при большом значении модуляции монитора (то есть когда происходит быстрое мерцание черного и белого цветов) человеческий глаз будет добавлять к черно-белому изображению оттенки серого (или оттенки цвета, если изображение цветное). Кроме того, по утверждениям компании, получившееся таким образом изображение будет равномерным, в отличие от изображений с неравномерными шумами от КМОП сенсоров.

Сенсоры компании Pixim (Pixim's Digital Pixel Sensor - CMOS DPS), разработанные в Стэнфордском университете (Stanford University), также считывают цифровые данные с каждого пикселя, используя параллельный АЦП на каждом пикселе. Компания утверждает, что при размещении АЦП в области формирования заряда постоянный шум практически устраняется. Кроме того, достигается большая скорость и меньшее потребление энергии по сравнению с традиционными КМОП сенсорами с активными пикселями.

Обе компании довольно молоды и их продукты пока что находятся лишь в стадии разработки. И что самое интересное, они не желают работать совместно, хотя и проводят исследования в одной области - считывании с пикселя цифрового сигнала. Явного преимущества какой-либо из них пока не наблюдается. Быть может, на смену этой технологии придут новые, а эта так и останется незамеченной.

Вот такой ширины

Размер пикселя и общий размер всего сенсора сильно влияют на стоимость камеры.

Чем больше светочувствительная область пикселя, тем больше света он может собрать и преобразовать в электроны. Но чем больше пиксели, тем больше места они занимают на сенсоре, тем меньше число пикселей на сенсоре и тем меньше разрешение камеры. С другой стороны, если меньший размер пикселей и увеличивает разрешение камеры, то их зарядная емкость снижается, что в свою очередь означает меньшую светочувствительность. Кроме того, увеличение количества пикселей в сенсоре может привести к возникновению помех.

Размер самого маленького на сегодняшний день ПЗС пикселя - 2,5 квадратных микрона. Но такие размеры больше подходят для цифровых видеокамер, а не для фотоаппаратов. Отметим, что на динамический диапазон влияет не только размер пикселя, но и его дизайн. Цифровой фотоаппарат должен обладать, по крайней мере, 10-битной глубиной цветопередачи, а это означает, что пиксели должны быть немногим больше, чем у существующих дизайнов. В настоящее время размер самых маленьких ПЗС пикселей для цифровых камер составляет 3,3 микрона, а в КМОП - около четырех микрон. Размер пикселей популярного сенсора Sony 3,3 MP составляет 3,45 микрона. Во многих бытовых цифровых аппаратах размер составляет в среднем 5 микрон. В новом ПЗС сенсоре Kodak 16,6 MP размер пикселя - 9 микрон, что обеспечивает ему больший динамический диапазон. Но такой сенсор отличается очень большим размером. В некоторых профессиональных сенсорах используются пиксели размером 12 микрон или даже больше.

Производители должны учитывать не только влияние размера пикселя на качество сенсора, но и количество чипов, которое можно вырезать из одной кремниевой пластины. Из одной 8'' кремниевой вафли компания Philips получает буквально тысячи 0,25'' VGA КМОП сенсоров. С другой стороны, из 6'' пластины Kodak получает только 5 16MP сенсоров размером 33,6 х 37,8 мм. При этом увеличивается пустой расход кремния. (Представьте пять квадратных или прямоугольных чипов в круге - поймете, почему такой большой расход).

К тому же, большой размер сенсора влечет также увеличение размера объектива, а следовательно и всей камеры. А чем больше объектив, тем дороже камера. Подводя итог, отметим, что на цену и на размер камеры влияют характеристики используемого сенсора - число и размер пикселей, светочувствительность и разрешение.

Немного о стандартизации

Большинство камер оснащены ручной настройкой светочувствительности, которую иногда называют ISO, а иногда усилением (gain).

Светочувствительность пленки измеряется числами, определенными Международной организацией по стандартизации ISO. Было бы логично оценивать чувствительность сенсоров по этой же шкале несмотря на различия в технологиях. На светочувствительность сенсора влияют квантовая эффективность и размер пикселя (его емкость).

Чем больше число ISO, тем выше светочувствительность пленки или сенсора. Часто его называют "скоростью" ISO пленки, - ведь на самом деле пленка или сенсор с большим числом может быстрее захватывать изображение при меньшем свете. Если число недостаточно велико для данного освещения, придется увеличивать выдержку. При этом изображение может размываться или увеличиваться количество помех.

Но часто, когда мы упоминаем эквивалент ISO у сенсора, на самом деле мы имеем в виду усиление - способность сенсора электронным образом усиливать сигнал. Также как в фотопленке при увеличении этого числа увеличивается и зернистость, в сенсорах увеличивается вероятность появления помех. Поэтому приходится искать компромисс между светочувствительностью и качеством изображения.