Фиксация изображения цифровым фотоаппаратом |
||||||
Страница 1 2 | ||||||
Для регистрации изображения используется электронно-оптический преобразователь, а для хранения — флэш-память. Электронно-оптический
преобразователь (ЭОП) — прибор,
преобразующий световой поток в
электрический сигнал. Характеризуется
разрешением — количеством точек по
вертикали и горизонтали, а также
соотношением сигнал/шум. В качестве ЭОП используются два типа устройств — ПЗС-матрицы (матрицы приборов с зарядовой связью) и КМОП-матрицы. Чаще в цифровых фотокамерах используются ПЗС-матрицы. ПЗС, прибор с зарядовой связью, — устройство, накапливающее электронный заряд при попадании на него светового потока. Уровень заряда зависит от интенсивности и продолжительности освещения. В англоязычной литературе используется определение CCD (Couple-Charged Device). По конструкции данные устройства примерно похожи на используемые в видеокамерах матрицы, основное различие заключается в разрешении. Эта же характеристика является одной из основных при описании цифровой фотокамеры, именно дороговизна ПЗС-матриц с большим количеством элементов сдерживала развитие цифровой фотографии. И если для любительской видеокамеры достаточно матрицы из 300 тысяч элементов, то для фотографии размером 9x12 см необходимо наличие как минимум мегапиксела.
Цифровая камера непрерывно получает изображение с матрицы и отображает его на мониторе камеры. Если затвор закрыть, изображения на мониторе
станет не видно (многие камеры автоматически закрывают затвор при выключении монитора). А вот после съёмки кадра с большим разрешением затвор закрывается на доли секунд
- время, требуемое для полного копирования информации с матрицы в память фотоаппарата. |
||||||
Сразу за линзами объектива может быть расположен инфракрасный фильтр, препятствующий прохождению инфракрасных лучей на светочувствительную матрицу чувствительную к таким лучам. Наше зрение не позволяют увидеть инфракрасные лучи, а значит не должен их видеть и цифровой фотоаппарат. Иначе изображение, полученное при помощи подобной камеры будет отличаться от видимого нами, а подобное несоответствие мы воспримем как недостаток камеры. Далее по ходу лучей света располагается светочувствительная матрица фотоаппарата- чип, верхняя часть которого выполнена из стекла. Под защитным стеклом находится светочувствительная поверхность матрицы. Именно характеристики матрицы в значительной степени определяют качество снимков, сказываются они и на цене камеры. Поверхность матрицы усеяна множеством мельчайших светочувствительных ячеек. Свет, падая на поверхность ячеек, создаёт в глубине каждой из них электрический заряд. Если света подействовало много - заряд большой, мало света, и заряд естественно не велик. После съёмки образовавшиеся заряды переносятся в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Здесь происходит их оцифровка, преобразование в цифровой вид. Большим зарядам присваиваются большие числа, а небольшим - маленькие. Если заряд в ячейке отсутствует, ему присваивается значение 0, а вот максимальное значение зависит от разрядности (битности) АЦП. У большинства камер это значение соответствует 255 (8 бит на канал). |
||||||
Преобразованный в соответствии с фирменными разработками производителей и установками камеры снимок переносится в
энергонезависимую память фотоаппарата или на карту памяти. Здесь цифровая фотография может храниться сколько угодно долго, независимо от того, есть в камере элементы питания или нет.
Управляет всеми перемещениями и преобразованиями снимка в камере
центральный процессор
или, как принято говорить, чипсет.
Ведь это не только процессор, здесь же находятся и другие аппаратные средства, управляющие камерой. |
||||||
Одним
из главных элементов в видеокамерах и
цифровых фотоаппаратов является
устройства, отвечающие за
преобразования света в электрический
сигнал. В настоящие время для этого
применяются КМОП - секторы и приборы
с зарядовой связью
(ПЗС). |
||||||
Зарядовая связь – это передача заряда от одного МОП - конденсатора другому, расположенных на одной кремниевой подложке. МОП – конденсатор образован структурой металл- окисел- полупроводник, откуда и его название. Предположим, у нас как C1, C2, C3 (илл.1). Все они имеют одну общую обкладку в идее пластины кремния, которая называется подложкой. Проложим
к конденсатору С2 напряжение U. Возникшее
здесь электрическое поле может удержать
некоторый заряд Q. Пока не будет
разбирать, откуда этот заряд взялся. Потенциальный барьер – это как бы перегородка между конденсаторами, созданная разностью потенциалов (откуда и название барьера – потенциальный) этих конденсаторов. А что будет, если мы уберём потенциальный барьер, например, между С2 и С3, подав напряжение и на С3? Здесь также возникнет потенциальная яма, теперь она будет под двумя конденсаторами, и электроны распределятся между ними. Если же снять напряжение с С2, то весь заряд перетечёт под С3. вот мы и осуществили зарядовую связь, передав зарядовый пакет от одного электрона (С2) другому (С3) при помощи коммутации внешних напряжений. |
||||||
|
||||||
Куда и зачем надо перемещать заряды в ПЗС? Дело в том, что падающий на полупроводник свет образует в нем свободные электроны. Ярче свет в данном месте – больше электронов появляется в потенциальной яме находящегося там конденсатора. И теперь эти зарядовые пакеты электронов надо считать, так как это и есть полезный сигнал, несущий информацию об изображении, которое мы снимаем. Поэтому заряды в ПЗС перемещаются к считывающему устройству, которое преобразует их в напряжение. Представим длинную цепочку расположенных рядом конденсаторов (илл. 2), причем конденсаторы соединяются между собой. Вывод соединенных вместе конденсаторов будем называть фазой. Пусть напряжение подано на фазу Ф1. При этом сигнальные пакеты (разные по количеству электронов) могут находиться под конденсаторами С1, С4 и С7. Далее подаем напряжение ещё и на Ф2, а Ф1, наоборот, снимаем в результате заряды плавно перетекают под фазу Ф2 (под конденсаторы С2, С5). Затем напряжение подается на Ф№, с Ф2 снимается – заряд переходит под С3и С6, и так деле. Вот
мы и получили сдвиговый ПЗС- регистр,
который для работы требует три
управляющие импульсные
последовательности, потому и называется
трёхфазовым. Отсутствие напряжение
хранения (точнее, пулевое или небольшое
напряжение обратной полярности) под
одной из фаз при переносе заряда
создаётся потенциальный барьер и
является гарантией того, что зарядовые
пакеты не будут растекаться. В конце
регистра заряды попадают в считывающее
устройство, преобразующее их в
напряжение. |
||||||
В принципе можно обойтись и двумя фазами переноса. И такие двух фазные системы существуют и используется достаточно широко. Они более сложные в изготовление, там применяются так называемые встроенные барьеры, что требует дополнительных технологических операций. Попутно заметим, что есть и другие системы. Например, компания THOMSON применяет четырёхфазную систему переноса. Её преимущество - в более простой технологии изготовления. Не будем забывать, что нам нужно устройство, которое видит. Однако вот беда: как же свету попасть в полупроводник (чтобы там получился заряд электронов), ведь металлические электроды ПЗС не пропускает падающий на них свет? Между электродами даже нет щелей (на рисунке они показаны условно). Электроды делаются так, что немного перекрывают друг друга (илл.3),иначе потенциальный барьер между конденсаторами не исчезнет и будет препятствовать перетеканию заряда. Как же быть? Выходов несколько. Можно осветить ПЗС обратной стороны, где нет металлических электродов. Для этого подложку прибора надо сделать тонкой. Однако даже сейчас в технологическом плане это наталкивается на определённые трудности, хотя такие приборы выпускаются. Другой способ – сделать электроды из такого материала, который бы и свет пропускал, и ток проводил. Таких материалов немного. Более того, нельзя сказать, что хоть один из них идеально подходит для поставленных целей. Наиболее широко используется т.н. поликремний. Он имеет несколько иную структуру, чем обычный кремний, и соответственно несколько иные свойства. Ток поликремний проводит, но его электрическое сопротивление заметно больше, чем у металлов, и это создаёт определенные трудности при изготовлении больших ПЗС. Да и свет он пропускает не очень хорошо, особенно в синей области спектра. Однако поликремний лучше других материалов вписывается в существующую технологию, поэтому серьёзных конкурентов не имеется. В тоже время компания Kodak успешно экспериментирует с материалами на основе индия, например, ITO – Indium Tin Oxide (сплава индия и оксида олова). |
||||||
Страница 1 2 | ||||||
На
главную | Предпосылки
изобретения фотографии | Камера-обскура
| Первые
снимки в мире | Дальнейшее
развитие светописи |