Фиксация изображения цифровым фотоаппаратом

Ещё один вариант – рядом с МОП конденсатор сделать специальные фоточувствительные ячейки (илл. 4). Падающий на них свет превращается в электроны, которые затем переходят под одну из фаз регистра переноса и, в конце концов, считываются выходным устройством.
   

Все конденсаторы светочувствительного сенсора имеет одну общую обкладку, на которой они и сделаны. Эта пластина кремния с некоторыми добавками (их называют легирующими примесями) называется подложкой. Сверху на подложке выращивается тонкий слой окисла кремния (изолятор), на него наносится вторая обкладка из металла (электрод). 

МОП – конденсатор очень похож на обычный, который все изучали в школьном курсе физике, но есть и отличия. Подавая напряжение на обычный конденсатор, мы его заряжаем, т.е. сообщаем ему заряд. Чтобы изменить его, мы должны перезарядить конденсатор, подав на него другое напряжение. Конечно, это справедливо и для МОП - конденсатора, но в зависимости от полярности и величины напряжения, приложенного к МОП - ёмкости, она может иметь различные состояния (режимы обеднения или обогащения, инверсии). 
  

При подачи напряжения в МОП – структуре образуется т.н. потенциальная яма, в которой может храниться заряд. Т.е. электрическое поле притягивает к себе и собирает в нутрии конденсатора свободные электроны, если токовые имеются в зоне притяжения поля. Хотя в полупроводнике могут быть и другие носители заряда, называемые дырками. И существуют ПЗС, которых носителями заряда являются дырки. При этом импульсы управления могут быть другой полярности, сам полупроводник должен иметь иной тип проводимости и проч. Но на сути вопроса это никак не отображается.

Пока идет считывание, надо изолировать фоточувствительные ячейки от регистра переноса, чтобы обеспечить возможность накопления новой информации.  Для этого служит затвор переноса, работающий как шлагбаум: затвор открыт – заряды перетекают в регистр, закрыт – накапливаются в фотоячейках. 

Вот и получился простейший фоточувствительный линейный прибор с зарядовой связью (ПЗС),где регистр переноса закрыт от света (его электроды делаются из металла), а примыкающие к нему фоточувствительные ячейки для света открыты. Линейки ПЗС используются, например, в сканерах и копировальных аппаратах. Также они применялись в первых сканирующих цифровых приставках к фотокамерам. Для считывания всего изображения линейка механически перемещается вдоль кадра, что занимает время. Для сканеров это не так чувствительно, но в цифровом фотоаппарате позволяет снимать только статичные объекты.
    

Чтобы сделать прибор, способный получать картинку сразу и целиком, у него должна быть не одна линия фоточувствительных элементов, а много. К рассмотренному линейному ПЗС вместо отдельных фоточувствительных ячеек пристроим такие же сдвиговые регистры с поликремневыми электродами, но расположенные вертикально (илл.5). При этом одноименные фазы регистров объединены: вертикальные будут называть фазами секции (ФС), а горизонтальные – фазами регистра (ФР). 

Каждая фаза секции проходит через все столбцы вертикальных регистров, и это обеспечивает одновременный синхронный сдвиг зарядов всей строки информации вниз. Такие приборы называют матрицами ПЗС или, что более привычно, ПЗС- матрицами.
Массив вертикальных регистров называют фоточувствительной секцией (или областью). 

На одну ( или две) фазы падает напряжение, и под ней происходит накопление заряда, образуемого прошедшим через поликремний электроды света. Чем больше света попало в фоточувствительную область, тем больший заряд там накопится. Чтобы электроны не перетекали из одного столбца в другой, вертикальные регистры отделяют друг от друга специальными барьерами, называемыми стоп – каналами.
    

Последовательно подав импульсы на фазы секции, можно сдвигать строки вниз, где они попадают в горизонтальный регистр. Сбросив одну строку в горизонтальный регистр, считываем её. Затем сбрасываем другую и т.д. пока не считаем всю матрицу. Элементом разрешения (пикселем) в такой структуре будет набор конденсаторов всех трех фаз одного столбца. 
   

Таким образом, предложенная ПЗС представляет собой набор конденсаторов по три на один пиксель (обратите внимание: о свете разговор даже не ведется), т.е. в такой структуре мегапиксельная камера будет содержать более 3 млн. конденсаторов. Несмотря на это, рассмотренная структура – наиболее простая, и такая матрица ПЗС называется полнокадровой (Full Frame). Самый существенным ее недостаток является то, что при считывании свет продолжает падать на фоточувствительную секцию, вызывая смаз изображения. Поэтому в фотоаппаратах такие матрицы можно использовать только механическим затвором. К примеру, компания Olympus в спецификации на камеры Е-1и Е-300 явно указывает этот тип ПЗС. 
   

Ну, а как же обойтись без механического затвора? 

Для этого накопленную в фоточувствительной секции информацию надо «спрятать» от света, поместив в специальную секцию памяти. Тогда берём вышеописанную матрицу, но с вдвое большим количеством строк, и половину закрываем, не проницаемым для света экраном. 

Теперь, после накопления информации в фоточувствительных ячейках, быстро переносим все заряды в эту новую секцию памяти(при этом управляющие импульсы переноса попадают синхронно на фазы секции накопления и секции памяти) и уже оттуда спокойно их считываем (импульсы управления подаются только на фазы секции памяти). А в секции накопления в это время можно собирать новую порцию информации. Такая матрица называется ПЗС с кадровым переносом (ПЗС КП).

Смаз в ней заметно меньше, чем в полнокадровых ПЗС, но полностью избавиться от него все равно не удается. Также немалые трудности возникают при желании получить время накопления меньше, чем время считывания. Ведь пока информация из секции памяти не считалась, новую туда переносить туда нельзя. 

Поэтому в большинстве ПЗС с кадровым переносом минимальное время накопления ограничено. Подобные матрицы хоть еще и выпускаются, но также находятся на ограниченное применение. А лидирующее положение сейчас занимают ПЗС со строчно-кадровым переносом (ПЗС СКП).
   

  
Строчно-кадровый перенос. 

Ничего нового здесь нет: столбцы, аналогичные рассмотренной выше линейной ПЗС - структуре, и обычный горизонтальный регистр (илл. 7). Вертикальный регистр используется только для переноса заряда (в отличие от вышеописанного, где и накопления происходит в тех же регистрах), поэтому они закрыты от света, их электроды выполнены из металла. А фоточувствительные ячейки полностью открыты, и над ними нет поликремния. Поэтому ПЗС СКП лучше в синей области спектра. 

Как и в рассмотренных выше матрицах, одноименные фазы переноса всех вертикальных регистров соединяет между собой. Наличие защищенных от света вертикальных регистров переноса является главным достоинством, но одновременно и недостаток ПЗС СКП. Достоинство заключается в том, что для переноса изображения в секцию памяти требуется минимальное время – всего один перенос из фоточувствительной ячейки под расположенную рядом же фазу вертикального регистра. А недостаток является уменьшение фоточувствительной площади пикселя, т.к. некоторая часть его используется для регистра переноса. И эта часть света, которая попадает на регистр, не участвует в образовании полезной информации.

Это обстоятельство, в дополнение к более сложной структуре СКП, какое-то время сдерживало их широкое применение, но одна идея круто изменила положение, позволив устранить указанные недостатки. Как полностью использовать падающий на ПЗС свет?
   

   
Идея была простой. Перед каждой линзой помещается специальная линза, которая собирает падающий на пиксель свет на фоточувствительную область (илл. 8). Понятно,что  технология изготовления от этого явно не упростилась, но подавляющие большинство ПЗС, применяемая в видеокамерах и цифровых фотокамерах, - это именно ПЗС СКП с микролинзами (микрорастором).

Выше мы упоминали, что поликремний ограничивает размеры ПЗС. В больших матрицах в малым элементом фазные проводники получаются очень тонкими, и если из поликремния, то сопротивление на единицу длины возрастает, и при большой длине проводника (например, в середине матрицы) управляющий импульс имеет искаженную форму. Да и амплитуда его уменьшается.
   

Указываемый в технических данных ПЗС может вести в заблуждение. Например, 1/1,8 дюйма – это диагональ матричного сектора, а его типоразмер. К примеру, реальный размер сенсора, обозначаемого 1/1,8 дюйма (14мм), составляет 8,93 мм по диагонали. Такая практика маркировки пришла из 50-х годов прошлого столетия, когда появились первые светоприёмники для телевизионных камер. Чересстрочная развертка до сих пор используется в телевизионной технике. Ее ведение в свое время позволило существенно уменьшить объем передаваемой информации с сохранением приемлемой четкости. Более того, для получения видеосигнала с разрешением, к примеру, 625 строк (система SEKAM) использовались матрицы с половинным количеством строк (288).(Здесь надо пояснить, что хоть длительность кадра и равна 625 строкам, - информация содержит только в 576 строках. Остальное время (49 строк) занимает так называемый обратный ход кадра, необходимый для работы телевизора.) При этом сначала передавался полукадр с четными строками, затем между ними вставлялись не четные строки. 

В матрице накопление осуществлялось для четных строк под одним электродом, для нечетных – под соседним (лежащим ниже), благодаря чему и получалось видимое улучшению четкости. Но современные матрицы позволяют получать полное количество строк для телесигнала и даже гораздо больше, поэтому чересстрочная развертка осталась для совместимости в телевизионной аппаратуре ранних выпусков, а современные аппаратуре все чаще используют прогрессивную развертку, где все строки передаются последовательно без разбиения на четные и нечетные. Более того, ПЗС – матрицы приходится усложнять, чтобы иметь возможность получения с них четного и нечетного полукадров. Попутно, отметим, что ПЗС со строчно-кадровым переносом иногда называют чересстрочными. Это просто дословный переход их английского названия Interline transfer CCD и не какого отношения к чересстрочный развертке не имеет. У нас такие ПЗС с момента их появления всегда назывались строчно-кадровыми.

Компании-производители ПЗС обычно всегда указывают общее количество пикселей и число эффективных, т.е. фоточувствительных. Часть пикселей специально скрывается от света, чтобы иметь информацию о темном сигнале. Для этого используются «пустые» пиксели, расположенные по краям секции накопления. Формированию видеосигнала они не как не мешают, количество их относительно мало, поэтому существенного влияния на ограничения размера они не оказывают.

Есть «пустые» элементы и в выходом (горизонтальном) регистре. Например, при полном размере матрицы ПЗС Sony ICX205AK 1434*1050 элементов фоточувствительных у нее содержится 1360*1024. У двухмегапиксельных KAI2020 от компании Kodak фоточувствительных пикселей 1600*1200 при общем и количестве 1634*1214. 

Для улучшения разрешения размер самого пикселя сделать как можно меньше, но, с другой стороны, это понижает чувствительность прибора. В большинстве современных матриц размер пикселя составляет единицы микрон - в среднем около 3-5. Кстати, размер кристаллов галоидного серебра в светочувствительном слое фотопленки колеблется от 0,1 (позитивные импульса) до 1 микрона (высокочувствительные негативные). Сравните с диаметром человеческого волоса, для которого приводятся значения от 70 до 200 микрон. Если при этом добавить, что точность технологии изготовления ПЗС находятся на уровне десятых долей микрона (от 0,13 и выше), то вы поймете, какое все же чудо техники – обычный прибор с зарядовой связью. 

На главную | Предпосылки изобретения фотографии | Камера-обскура | Первые снимки в мире | Дальнейшее развитие светописи 
  Аналоговые фотоаппараты | Получение изображения аналоговым фотоаппаратом  | Цифровые фотоаппараты
Фиксация изображения цифровым фотоаппаратом |  История цифровой пленки | Информационные источники