Цифровой глаз

В современную жизнь прочно вошли аппараты с так называемым «электронным глазом» – цифровые фотоаппараты, камеры, электронные дальномеры, бинокли… Но мало кто знает, на чём основана работа таких устройств. Сегодня мы приоткроем завесу тайны.

Как все начиналось
В 1873 году Уиллоубай Смит (Willoughby Smith) и Жозеф Мей (Joseph May) открыли внутренний фотоэффект (фотопроводимость) – увеличение тока через полупроводник при его освещении. Это событие стало предпосылкой для рождения и дальнейшего усовершенствования полупроводниковых систем регистрации изображения.
Прошло ещё 60 лет, и в 1932 году Владимир Козьмич Зворыкин сделал первую работающую модель иконоскопа: передающую телевизионную трубку с мозаичным фотокатодом и накоплением зарядов – по сути, первую ПЗС-матрицу (прибор с зарядовой связью). Ещё через 40 лет, в 1970 году, исследователи из Bell Laboratories создали прототип первой электронной видеокамеры на основе ПЗС. Год спустя компания Fairchild начала промышленный выпуск ПЗС-матриц. Они были монохромными и имели разрешение всего 100×100 пикселей.

В 1975 году Стив Сассон (Steve J. Sasson), инженер компании Kodak, сделал первую работающую камеру на ПЗС‑матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла сохранять снимки – естественно чёрно-белые – размером 100×100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды). Спустя ещё год фирма Fairchild выпускает первую коммерческую электронную камеру MV-101. Это уже была первая полностью цифровая камера. А в 1980 году фирма Sony представила на рынок цветную видеокамеру на основе ПЗС-матрицы.
В 1991 году Kodak совместно с Nikon выпускает профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC100 на основе плёночной камеры Nikon F3. Запись происходила на жёсткий диск, находящийся в отдельном блоке, весившем около 5 кг.
В 1995 году Minolta выпускает камеру RD175 с 3 матрицами по 0,38 Мпикс, каждая из которых была предназначена для регистрации своей цветовой составляющей.
С тех пор эволюция цифрового фото и видео зашагала стремительным темпом, чему способствовало бурное развитие микроэлектроники и технологий её производства. Сегодня качество изображений, сделанных цифровыми фотоаппаратами, вплотную приблизилось к снимкам профессиональных пленочных камер.
Что ж, с историей немного разобрались. А сейчас перейдем непосредственно к технологиям производства цифровых матриц, иначе называемых твердотельными датчиками изображения (ТТДИ).

Основные характеристики ТТДИ
Оптический формат (Optical Format). Это размер диагонали активной области матрицы, выраженный в дюймах. В современных датчиках проявляется тенденция к уменьшению площади матрицы и, соответственно, площади пикселя, однако это приводит к ухудшению чувствительности.
Чувствительность (Sensitivity). Под этой характеристикой понимается отношение величины электрического сигнала, вырабатываемого датчиком, к его освещённости в данный момент. Величина электрического сигнала часто представляется в вольтах, а освещенность – в лк/сек. Для цветных датчиков изображения значение чувствительности указывается отдельно для разных длин волн. Также может использоваться суммарная чувствительность во всем спектральном диапазоне (болометрическая чувствительность). Спектральная чувствительность цветных датчиков изображения близка к человеческому глазу.
Квантовая эффективность (Quantum Efficiency). Отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, называется квантовой эффективностью. Этот параметр имеет очень высокое значение для CCD-датчиков – у лучших образцов он достигает 95-98%. Для сравнения: квантовая эффективность человеческого глаза составляет около 1%.
Динамический диапазон (Dynamic Range). Это отношение максимального выходного сигнала датчика к его собственному уровню шума. Этот параметр указывается как правило в дБ. Человеческий глаз имеет очень большой динамический диапазон – около 200 дБ. Ни один искусственный прибор не обладает столь высоким значением.
Отношение сигнал/шум (S/N ratio). Источники возникновения шума несколько различаются для CCD- и CMOS-датчиков. В общем случае под отношением сигнал/шум
понимается величина, равная отношению полезного видеосигнала к уровню шума, выраженная в дБ. Приемлемым отношением сигнал/шум считается величина не менее 50 дБ.

CMOS
Один из типов матриц – датчики изображения на основе архитектуры CMOS «Active-Pixel Sensor».
Особенностью этой архитектуры является наличие в каждом пикселе помимо фоточувствительного элемента (фотодиода или фотозатвора) активной схемы усиления сигнала, выполненной по технологии CMOS.
Структура цветного CMOS-датчика представляет собой кремниевую подложку, на которой расположены фотодиоды, светофильтр и микролинзы. Поток света, проникая через микролинзы, разделяется светофильтрами на RGB-составляющие, а затем поступает на фотодиоды. Микролинзы необходимы из-за низкой чувствительностью
фотодиода и служат для обеспечения попадания большего числа фотонов на фотоэлемент. Кстати, чувствительность цветных датчиков почти в три раза меньше, чем монохромных, поэтому в условиях малой освещенности лучше использовать последние.
Изготовление датчиков изображения по CMOS-технологии позволяет использовать стандартное промышленное оборудование, что делает матрицы этого типа дешевыми.
Поскольку современная CMOS-технология обеспечивает высокий уровень интеграции, производители стали размещать на одном кристалле с датчиком промежуточные усилители: АЦП (следует помнить, что матрица сама по себе аналоговое устройство) и DSP.
Архитектура «Active-pixel sensor» (APS) обеспечивает очень малое энергопотребление – почти в 100 раз меньше, чем у CCD-матриц. Это достоинство особенно ощутимо в устройствах с автономным питанием. Современные APS CMOS-матрицы потребляют от 20 до 250 мВт, тогда как ССD-матрицы – до 4 Вт.
Датчики, изготовленные по APS-архитектуре, имеют высокое быстродействием: некоторые модели – до 500 fps. Отсюда основное направление их применения – системы машинного зрения, а также анализ быстродвижущихся объектов.
Разновидностью матриц на основе CMOS‑технологии, стал твердотельный датчик «Foveon». Его принципиальная особенность заключается в том, что плоскости приёмных элементов, в отличие от традиционных способов расположения, находятся друг под другом, что даёт возможность получать изображение не интерполированное, а в точности так, как это делает плёнка. Однако технология пока себя не оправдала, так как изображение, полученное с обычных однослойных матриц, превосходит по качеству снимки, полученные с матрицы «Foveon». Но именно эта революционная технология считается наиболее перспективной.

Датчики на основе CCD
В основу работы элемента CCD положено явление внутреннего фотоэффекта: фотон, проникая в кремний, генерирует пару носителей заряда – электрон и дырку (см. рис). Под действием положительного потенциала (+V) дырка отталкивается вглубь кристалла, а под соответствующим электродом за счёт сил электростатического притяжения скапливаются неосновные носители заряда – электроны.

По завершении накопления заряда происходит его перенос в область хранения путём последовательной подачи напряжения на следующие друг за другом электроды. Из области хранения заряды последовательно поступают на выходной усилитель, осуществляющий также преобразование заряда в напряжение и передачу его в АЦП.
Современные CCD-матрицы имеют тонкий n-слой – объёмный канал переноса, что позволяет частично избавиться от влияния дефектов приповерхностного слоя полупроводника и улучшить четкость получаемого изображения. Для предотвращения эффекта растекания заряда при очень большой освещенности используют антибликовое покрытие (antiblooming). Оно наносится на подложку матрицы и поглощает «лишние» фотоны, повышая чёткость изображения на верхней границе динамического диапазона.
CCD-датчики обладают более высокой чувствительностью, большим энергопотреблением и меньшим быстродействием, чем матрицы на основе технологии CMOS.
Более перспективной является технология Super CCD, разработанная компанией Fujifilm в 1999 году и активно используемая ей же в своих решениях. В отличие от традиционных CCD, в такой матрице так называемая Байеровская структура повернута на 45° (см. рис), а также увеличена площадь пикселя за счёт придания ему формы шестигранника. Это решение позволило улучшить цветовое восприятие полученных изображений и качество детализации результирующей картинки.

Теперь об отличии продуктов с одной и тремя матрицами в качестве регистрирующего элемента. Дело в том, что цветная матрица имеет низкую чувствительность, не позволяющую делать качественные снимки при слабой освещенности. Другое дело – монохромная матрица: она в три раза чувствительней цветной. К тому же способна регистрировать ИК-излучение (что дает возможность применять при съемке ИК-подсветку). Поэтому более дорогие профессиональные аппараты имеют три матрицы (естественно, монохромные) свет на которые попадает через призму, разделяющую исходный поток на RGB-составляющие. Искомая цветная картинка получается на выходе в результате смешения сигналов с этих матриц по специальному закону, причем этим законом можно управлять и получать картинку с очень высокой достоверностью. Кроме того, применение трех матриц позволяет снизить цветовые аберрации практически до нуля.
Итак, если вы пошли покупать цифровой фотоаппарат или видеокамеру, руководствуйтесь
простыми правилами:
1. Чем больше размер матрицы (в дюймах), тем выше чувствительность и меньше шумы при малой освещенности. Однако слишком большая матрица потребляет значительную мощность.
2. Если есть возможность взять аппарат с тремя матрицами – берите, не пожалеете.
3. Не покупайте аппарат с неизвестной оптикой, тем более пластмассовой.
Вот и всё. Те, кто желает более глубоко изучить вышеизложенный материал, рекомендую посетить сайты www.fujifilm.ru, www.cec-mc.ru, www.fototest.ru.


Рекомендуем почитать: