Электронно-оптические преобразователи

После прохождения оптики световой поток попадает на регистрирующий элемент — электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Как уже упоминалось, в основном в этих целях используются матрицы ПЗС — приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появляются даже на профессиональных моделях, подавляющее большинство любительских фотоаппаратов оснащены именно ПЗС-матрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.

Общие принципы

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобразовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точнее — р-n -переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рассматривать ее в рамках данной книги. Вкратце принцип устройства и функционирования ПЗС-матриц сводится к следующему.

В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупроводника n-типа. Сверху наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала последний генерирует электрон, который хранится в потенциальной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может накопить потенциальная яма, тем больший диапазон освещенности можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависит динамический диапазон (о нем более подробно будет рассказано ниже). Все, что требуется сделать, — считать значение этого заряда и усилить его.

Рис. 3.1. Элемент ПЗС-матрицы

Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на усилитель. Таким устройством можно считать значение строки ПЗС-элементов.

В нашем же случае требуется определить заряд каждого из элементов матрицы. При этом используется способность ПЗС к перемещению потенциальной ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под соседнего электрода, в свою очередь, смещается под следующий электрод и так далее до регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы, подаваемые на электроды, а также работу регистров сдвига.

Поэтому используются два дополнительных устройства: во-первых, управляющая микросхема, обеспечивающая подачу импульсов на электроды матрицы, и во-вторых, тактовый генератор.

Одним из первых типов ЭОП были полнокадровые ПЗС-матрицы (full-frame CCD-matrix). После того как отработал затвор фотоаппарата и все пикселы накопили заряд, эквивалентный световому потоку, упавшему на них, происходит процесс считывания этих зарядов.

Рис. 3.2. Полнокадровая матрица

Быстродействие такой схемы ограничено скоростью работы регистра сдвига и, соответственно, количеством строк матрицы. В любом случае требуется перекрытие светового потока с объектива до завершения процесса считывания.

Несколько ускорен процесс считывания в матрицах с буферизацией кадра (frame-transfer CCD). Для промежуточного хранения данных в этих устройствах используется вторая матрица аналогичного размера, покрытая металлической крышкой.

Заряды из ячеек основной матрицы перемещаются в буфер и затем считываются в регистр сдвига, как и в полнокадровой матрице. Недостатком данной системы является относительно высокая стоимость, если учесть, что кардинального увеличения скорости считывания не происходит.

Чтобы максимально увеличить частоту смены кадров, для видеокамер была разработана система с буферизацией строк/столбцов.

Рис. 3.3. Матрица с буферизацией кадра

В матрицах этого типа (interline CCD-matrix) регистры сдвига располагаются в непосредственной близости от светочувствительных элементов, что позволяет непрерывно, с требуемой частотой считывать заряд пиксела. При этом не происходит переполнение потенциальных ям светочувствительных элементов, таким образом, нет необходимости закрывать затвор. Быстродействие такой системы позволяет обеспечить видеосигнал с приемлемой частотой кадров (от 30 кадров в секунду и выше).

Если за один такт считываются все строки, то это матрица с прогрессивной разверткой (progressive scan). Если за первый такт считываются нечетные строки, а за второй — четные, то это матрица с чересстрочной разверткой (interlace scan).

Рис. 3.4. Матрица с буферизацией столбцов

Попутно возникает возможность реализации электронного затвора. Данное устройство позволяет, в принципе, обойтись без механического затвора. При этом выдержка задается интервалом между началом считывания заряда и завершением этого процесса. Таким образом, можно достичь сверхмалых (до 1/10 000 секунды) значений выдержки, особенно критичных для съемки быстротекущих процессов (спорт, природа и т. д.). Правда, для реализации электронного затвора необходима функция удаления избыточного заряда пиксела, речь о которой пойдет далее.

Однако система с буферизацией строк имеет и недостатки. Главный из них — в результате того, что часть площади матрицы занята регистрами сдвига, размер светочувствительной области каждого пиксела составляет лишь 30 % от его площади, в то время как у полнокадровой матрицы этот параметр равен 70 %.

Поэтому производители вынуждены вносить в конструкцию матриц микролинзы, покрывающие пикселы целиком. Эти несложные оптические устройства концентрируют световой поток, падающий на всю поверхность элемента сенсора, на относительно небольшую светочувствительную область пиксела.

Рис. 3.5. Микролинзы

Эффект ослабления светового потока за счет прохождения сквозь микролинзы минимален. Значительно большей проблемой является усложненная конструкция ЭОП.

В целом полнокадровые матрицы чаще встречаются в профессиональных камерах, а матрицы с буферизацией строк — в любительских фотоаппаратах.

Электроды из поликристаллического кремния частично рассеивают свет, уменьшая тем самым чувствительность ПЗС-элементов. До недавнего времени для специализированной съемки, требующей улучшенной восприимчивости ЭОП к синей и ультрафиолетовой части спектра, применялись матрицы с обратной засветкой, в которых свет проникал со стороны подложки.

Для этого на высокопрецизионном оборудовании подложка шлифовалась до толщины 10-15 мкм. Данная стадия обработки сильно удорожала стоимость матрицы, кроме того, устройства получались очень хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. При размещении светофильтров над индивидуальными ячейками ЭОП все действия по увеличению чувствительности теряют смысл, поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в студийных камерах, использующих сменные светофильтры.

Рис. 3.6. Матрица с обратной засветкой

Чувствительность, динамический диапазон и тепловой шум

Чувствительность ЭОП является интегральной характеристикой и зависит от чувствительности каждого пиксела. Чувствительность пиксела в абстрактном понимании аналогична КПД (коэффициенту полезного действия), то есть представляет собой некое дробное соотношение. Знаменателем этого соотношения будет общее количество фотонов, попавших на светочувствительную область пиксела, а числителем — объем электронов, сгенерированных фотоэлементом матрицы и попавших в потенциальную яму. Таким образом, чем выше этот воображаемый КПД, тем выше чувствительность матрицы. Однако для получения качественного кадра должно выполняться еще одно условие.

Чтобы сенсор мог работать и в сумерках, и на ярком солнце, от каждого пиксела требуется довольно «емкая» потенциальная яма. Эта яма, с одной стороны, должна «удержать» минимальное количество электронов при слабой освещенности, а с другой -вместить большой заряд, получаемый при попадании на сенсор мощного светового потока. Следует помнить также, что кадр может содержать как ярко освещенные участки, так и глубокие тени, и желательно, чтобы все их оттенки отображались на сформированном сенсором изображении.

Способность накапливать электроны именуется предельным уровнем заряда (quantum efficiency), именно от этой характеристики зависит динамический диапазон сенсора.

ПРИМЕЧАНИЕ
Динамический диапазон — способность ЭОП отличать самые темные оттенки от самых светлых. Зависит от предельного уровня заряда, накапливаемого элементом ЭОП. Чем шире динамический диапазон, тем большее количество оттенков будет присутствовать на снимке.

В некоторых случаях того минимального заряда, который удержала яма, все-таки недостаточно для дальнейшей обработки. И тут в ход идет увеличение чувствительности.

В отличие от светочувствительности фотопленки, которая не может изменяться от кадра к кадру, чувствительность цифровой камеры может настраиваться индивидуально для каждого кадра. Делается это путем простого усиления сигнала на выходе с матрицы, такая процедура чем-то сродни повороту регулятора громкости радиоприемника.

Увеличение чувствительности позволяет получить нормальную экспозицию кадра в тех случаях, когда один либо другой экспо-параметр (а порой и оба) не может быть больше или меньше определенного значения. Наиболее распространенный пример — необходимость иметь большую глубины резкости (малую диафрагму) при съемке движущихся объектов («короткая» выдержка). Тем не менее применение высокой чувствительности имеет оборотные стороны.

В обычной фотографии светочувствительные пленки обладают повышенной зернистостью. В цифровой фотографии присутствует другой неприятный эффект — раскиданные по всему кадру пикселы разного цвета. Виной тому тепловой шум.

Под этим названием подразумевают паразитные заряды, которые при закрытом затворе хаотическим образом скапливаются в элементах матрицы под воздействием эффекта термогенерации электронов. При считывании сигнала они добавляются к заряду пиксела, искажая его истинное значение. Именно они являются причиной точек посторонних цветов, раскиданных по кадру.

При увеличении чувствительности, то есть усилении сигнала, идущего с матрицы, их количество значительно растет. Следуя аналогии с радиоприемником — чем выше громкость, тем сильнее шум от помех.

Кроме того, тепловой шум возрастает при больших выдержках -чем больше время экспонирования, тем больше «тепловых» электронов успевает «набиться» в потенциальную яму.

Таким образом, пользователь может испортить кадр двумя способами — либо увеличить чувствительность, либо выбрать «длинную» выдержку. Справедливости ради стоит сказать, что большое время экспонирования все-таки меньше искажает кадр, чем манипуляции с чувствительностью.

В любом случае с тепловым шумом надо бороться. И чтобы минимизировать это вредное влияние, применяется ряд мер.

Иногда проблему решают «в лоб». Чтобы уменьшить влияние термоэлектрических эффектов, используют различные схемы теплоотвода. В частности, иногда в качестве теплообменника используется металлический корпус камеры, в студийной фототехнике работают более сложные схемы. Однако этот подход не применим к любительским камерам, ограниченным по весу и габаритам.

Для определения усредненного значения теплового шума используются «черные»- пикселы —- столбцы и строки на краях матрицы, покрытые черным светофильтром. Усредненное значение заряда, снятого с «черных» пикселов, называется уровнем черного цвета. Разумеется, что при разных условиях эксплуатации (температура окружающей среды и самой камеры, ток аккумуляторов и т. д.) уровень черного цвета будет разным. Если брать его значение за «нулевую отметку», то можно определить истинный заряд «рабочих» пикселов.

Однако проблема в том, что в каждом пикселе по-разному протекают процессы термогенерации, поэтому «черные» пикселы панацеей не стали.

Для решения проблемы фотографы стали применять «народное средство» — съемку кадра при закрытом крышкой объективе. В этом случае пользователь получает на черном фоне «маску», которую можно использовать для «вычитания» теплового шума из изображения. Данный способ зарекомендовал себя настолько хорошо, что используется в качестве штатной системы шумоподавления в некоторых новых моделях любительских камер. При включении режима подавления шумов методом «темного кадра» (dark frame) камера сначала фотографирует кадр, а затем при закрытом затворе снимает «маску» с матрицы при тех же значениях чувствительности и выдержки. Конечно же, данный метод неприемлем для непрерывной съемки, однако незаменим для фотографирования при слабой освещенности.

Прочие виды помех

Если количество электронов, образованных падающими на поверхность светочувствительного элемента фотонами, превышает максимальную «емкость» пиксела, заряд начинает «растекаться» по соседним элементам. При этом на фотографии наблюдаются белые пятна правильной формы, размер которых зависит от степени «засветки». Данное явление в оптоэлектронике называется блюминг (от английского blooming — размывание).

Для предотвращения блюминга используется так называемый электронный дренаж (drain), обеспечивающий отвод избыточных электронов. По методу реализации различают вертикальный и боковой дренаж — Vertical Overflow Drain (VOD), Lateral Overflow Drain (LOD).

Рис. 3.8. Вертикальный электронный дренаж

Вертикальный дренаж осуществляется подачей потенциала на подложку ЭОП, причем его значение подбирается так, чтобы при достижении уровня переполнения «лишние» электроны стекали через подложку из потенциальной ямы. Побочным эффектом является уменьшение емкости потенциальной ямы и, как следствие, уменьшение динамического диапазона светочувствительного элемента. Кроме того, данная система неприменима в матрицах с обратной засветкой.

Рис. 3.9. Боковой электронный дренаж

При боковом дренаже сток электронов осуществляется в специальные «канавки» (gates). В отличие от вертикального дренажа емкость светочувствительного элемента при этом не меняется, но зато уменьшается светочувствительная площадь пиксела. Впрочем, применение микролинз минимизирует данный негативный эффект.
Разумеется, использование дренажных устройств усложняет конструкцию ЭОП, однако вред изображению, наносимый блюмингом, значительно выше. Кроме того, без дренажа невозможна реализация электронного затвора.

Существует еще одна проблема, вызывающая появление отдельных пикселов-«паразитов», сильно отличающихся по цвету и яркости от окружающих точек. Они называются «залипшими» (stuck pixels) и возникают по причине того, что при «длинной» выдержке большой временной интервал в некоторых пикселах приводит к лавинообразному «срыву» электронов из канала и-типа в потенциальную яму. Если временной интервал, необходимый для такой «электронной лавины», перекрывает диапазон выдержек камеры, «залипшие» пикселы будут наблюдаться на каждом снимке.

Для удаления таких точек в большинстве современных камер используется специальное программное обеспечение. Его алгоритм сводится к поиску «залипших» пикселов и занесению их координат в служебную память фотоаппарата, в дальнейшем эти точки просто исключаются "из процесса формирования изображения. При поиске «залипших» пикселов величина заряда каждого элемента матрицы, генерируемого при подаче питания на сенсор, сравнивается с эталонным значением, также хранящимся в служебной памяти камеры.

ПЗС или КМОП?

В КМОП-матрицах преобразование фотонов в заряд происходит таким же, как и в ПЗС-матрицах, образом. Отличие заключается в том, что преобразование заряда в напряжение осуществляется прямо внутри элемента матрицы.

ПРИМЕЧАНИЕ
КМОП — аббревиатура, обозначающая технологию производства микросхем — «комплиментарных структур метал-оксид-полупро-водник» (CMOS — complementary metal oxide semiconductor). Подавляющее большинство микроэлектронных компонентов производятся поданной технологии.

Для синхронизации работы, а также для передачи полученных сигналов используются адресные шины столбцов и строк матрицы. При этом возможно считывание всей матрицы, столбца либо строки и даже отдельного элемента. Более того, отпадает необходимость в регистрах сдвига и управляющих микросхемах. Значительно сокращается также и энергопотребление.

В то время как процесс изготовления ЭОП на основе ПЗС достаточно сложен и требует специализированного оборудования, технология производства КМОП-матриц широко распространена. Практически любой завод радиоэлектронных изделий может в кратчайшие сроки наладить выпуск ЭОП такого типа. Этим определяется невысокая стоимость КМОП-сенсоров.

С момента появления КМОП-матрицы декларируются «наиболее перспективными ЭОП», однако ряд недостатков не позволяют этим устройствам полностью вытеснить ПЗС-сенсоры.

Во-первых, в каждом из элементов матрицы присутствуют преобразователь заряд-напряжение и компоненты, предназначенные для считывания напряжения. Как любые электронные устройства, эта «обвязка» при обработке сигнала добавляет к нему помехи, именуемые электронным шумом. Причем для каждого пиксела матрицы уровень электронного шума разный.

Второй минус КМОП-сенсоров вызван тем, что «обвязка» размещается вокруг пиксела, что приводит к маттой площади светочувствительного элемента, даже по сравнению с ПЗС-матрица-ми с буферизацией строк. Следствием этого является низкая чувствительность ЭОП данного типа.

Для борьбы с электронным шумом применяется технология «активных пикселов». В матрицах, использующих эту технологию, напряжение, полученное после преобразования заряда, подается на вход усилителя, встроенного в каждый пиксел. Так снижается влияние электронного шума, подмешиваемого той частью «обвязки», которая отвечает за считывание сигнала.

Но при этом общее усложнение сенсора приводит к росту себестоимости и увеличению доли брака в производстве. Кроме того, сокращается и без того малая площадь светочувствительного элемента.

Для увеличения чувствительности, как и в ПЗС-сенсорах с буферизацией строк, применяются микролинзы. Кроме того, непрерывно ведутся разработки по уменьшению размеров дополнительных компонентов.

Совокупность показателей КМОП-сенсоров является причиной того, что в любительских камерах они чаще встречаются в технике начального уровня — с невысоким разрешением, простой оптикой и, разумеется, привлекательной для покупателя ценой.

Основного успеха сенсоры данного типа достигли в профессиональных фотоаппаратах и студийных камерах. В этой технике используются матрицы с большими габаритами, поэтому площадь светочувствительных элементов значительно больше размеров «обвязки» каждого пиксела. Благодаря этому достигается высокая чувствительность сенсора. А чтобы расширить динамический диапазон, применяется ряд мер по уменьшению уровня электронного шума.

В целом, несмотря на стремительное завоевание КМОП-матри-цами популярности среди профессиональной и студийной техники, вряд ли стоит надеяться на скорое исчезновение ПЗС-сенсоров из любительских фотокамер.

Физический размер матрицы

Порой среди характеристик фотоаппарата выделяется физический размер ПЗС-матрицы по диагонали, указываемый в дюймах. Это напрямую связано с размерами оптической системы — чем больше размеры ПЗС-матрицы, тем крупнее должен быть кадр, формируемый объективом. Чтобы достичь этого, требуется увеличить размеры оптических элементов и фокусное расстояние. Если же ПЗС-матрица все-таки больше изображения, генерируемого объективом, то в создании кадра используются не все элементы ЭОП, периферийные области матрицы оказываются невостребованными. В профессиональных камерах, использующих стандартные объективы пленочных «зеркалок», чаще встречается обратная ситуация, когда создаваемая оптикой «картинка» меньше ЭОП. Последнее вызвано тем, что размер матрицы, как правило, меньше кадра 35-мм фотопленки. Подробнее об этом, а также о коэффициенте фокусного расстояния будет рассказано в главе, посвященной профессиональным фотоаппаратам.

Размер матрицы влияет также на ее чувствительность. Чем больше площадь каждого элемента, тем больше света попадает на него, соответственно возрастает чувствительность всего ЭОП. Особенно это заметно в профессиональных моделях, ЭОП которых традиционно отличается большими габаритами, а чувствительность достигает значений порядка ISO 6400 (!). И именно большие линейные размеры могут способствовать росту популярности КМОП-матриц.

Аналого-цифровой преобразователь

Получив сигнал с усилителя, его необходимо перевести в понятный микропроцессору камеры формат.

ПРИМЕЧАНИЕ
АЦП — сокращение словосочетания «аналого-цифровой преобразователь» (analog to digital converter, ADC). Устройство, преобразующее аналоговый сигнал в последовательность цифр. Основной характеристикой является разрядность — количество дискретных уровней сигнала, распознаваемых и кодируемых АЦП. Например, разрядность 8 бит обозначает, что преобразователь в состоянии определить 28 уровней сигнала и отобразить их в виде 256 различных значений.

Чем больше разрядность АЦП, тем теоретически большая глубина цвета может быть достигнута. Однако следует помнить, что разрядность АЦП должна соответствовать динамическому диапазону ПЗС-матрицы. Понятно, что при узком динамическом диапазоне АЦП с большой разрядностью просто нечего будет распознавать. На практике цветовая глубина кадра форматов JPEG либо TIFF, используемых компьютером, ограничена 24 битами (по 8 бит на каждый цветовой канал — синий, красный и зеленый). Так что применяемые в профессиональных и высококлассных любительских камерах АЦП с 10 и даже 12 битами на канал на первый взгляд обладают некоторой избыточностью. Дело в том, что динамический диапазон ЭОП в таких моделях достаточно широкий, и если фотоаппарат оборудован функцией сохранения кадра в нестандартном формате (30-36 бит), то при дальнейшей обработке на ПК есть возможность манипуляции с «лишними» битами. Пользователь может «отрезать» «нижние» либо «верхние» биты в случае передержки или недодержки, исправив таким образом ошибки экспозиции. Если же кадр был снят с правильными диафрагмой и выдержкой, то программное обеспечение в состоянии грамотно «сжать» 30-36 бит в стандартные 24. В этом случае народная мудрость, «много — не мало», абсолютно верна.

Расчет цвета в ПЗС-матрицах. Искажения цвета

Основные цвета аддитивного синтеза — цвета излучений. В трехцветном (RGB) аддитивном синтезе используются синий (blue — В), зеленый (green — G) и красный (red — R) цвета.

ПРИМЕЧАНИЕ
Основные цвета — цвета оптических излучений или красителей, используемые для создания цветных изображений. Различают основные цвета аддитивного и субтрактивного синтеза, то есть со сложением и вычитанием цветов.

Такие основные цвета являются линейно независимыми, так как ни один из них не может быть получен оптическим смешением излучений двух других. Оптическим смешением синтезируют множество цветов, различающихся по цветовому тону, насыщенности и светлоте.

В субтрактивном синтезе используются цвета красителей. В качестве основных фигурируют желтый (yellow — Y), пурпурный (magenta — М) и голубой (cyan — С). Основной цвет субтрак-тивного синтеза называется дополнительным к основному цвету аддитивного синтеза, если красителем первого практически полностью поглощается излучение второго. Например, желтый цвет является дополнительным к синему, пурпурный — к зеленому, голубой — к красному.

Аддитивный синтез является «родным» для компьютерных устройств, в первую очередь, для монитора. В нем изображение создается тремя лучами (RGB). А вот принтеры пользуются субтрактивным синтезом, причем в дополнение к CMY-цветам используется также черный, обозначаемый литерой К — blасk. Добавление черного цвета вызвано тем, что избыток основных красителей, вызываемый необходимостью передать темные тона, может привести к разбуханию бумаги.

Следует помнить, что диапазон цветов, отображаемых с помощью цветовой модели CMY, меньше, чем множество цветов, генерируемых RGB-синтезом. Тем не менее для формирования светофильтров в ходу обе модели.

Напомню, как формируется изображение с использованием так называемой Байеровской схемы размещения элементов. Поскольку ПЗС-элементы способны регистрировать яркость, но не цвет, перед каждым из них устанавливается светофильтр, ограничивающий диапазон цветовых оттенков. Байеровская схема использует чередование R-G-B-G (красный-зеленый-синий-зеленый).

Рис. 3.10. Расположение светофильтров в Байеровской схеме

Дополнительные «зеленые» элементы служат для вычисления яркости и контрастности изображения, это объясняется восприимчивостью человеческого зрения именно к этому цвету.

В результате получается три «мозаики» — по одной для каждого из цветовых каналов. Сложив их вместе, получаем четвертую «мозаику».

Для ликвидации «эффекта мозаики» используется алгоритм, основная суть которого сводится к следующему. Например, там, где установлен пиксел с зеленым светофильтром, мы точно знаем только о яркости зеленого цвета.

Но в соседних восьми точках известны значения как зеленого, так и синего и красного цветов, поэтому возможно определить их среднее значение и для нашего пиксела. Сложив их вместе, получаем значение исходного цвета в данной точке.
Регулярная структура размещения элементов в некоторых случаях приводит к появлению муара. Возможность появления данного искажения зависит от сложности алгоритма, ответственного за расчет цвета. Если при расчете каждой точки учитываются не только соседние пикселы, но и элементы, расположенные на расстоянии 10 и более точек, вероятность возникновения муара очень мала. В идеале для расчета каждой точки желательно использовать информацию обо всех элементах матрицы данного цвета. Разумеется, что для таких интенсивных расчетов требуются высокопроизводительные микропроцессоры и большие объемы ОЗУ.

Следует отметить также, что некоторые производители фотоаппаратов используют схемы CMY (голубой-пурпурный-желтый) и CMYG (голубой-пурпурный-желтый-зеленый).

Рис. 3.13. Расположение светофильтров в субтрактивной Байеровской схеме

Избыток зеленого, как и в случае со схемой RGBG, вызван необходимостью точного расчета контрастности. Чтобы понять причины появления этих альтернативных схем, необходимо вспомнить, каким образом создаются светофильтры над пикселами. Тонкие пленки, наносимые на элементы матрицы, образуются CMY-красителями. Например, красный — комбинация пурпурного и желтого красителей, синий — пурпурного и голубого, зеленый — желтого и голубого. Используя только один слой красителя вместо двух, можно улучшить светопроницаемость светофильтра и повысить чувствительность матрицы. Основное препятствие на пути распространения схем CMY и CMYG -некоторая сложность расчета цвета. Достаточно вспомнить диапазон цветов, генерируемых аддитивным и субтрактивным синтезами, — с помощью модели RGB оттенков генерируется больше, то есть производители сознательно уменьшают диапазон воспроизводимых цветов.

Баланс белого цвета

За исключением вышеперечисленных цветовых шумов, алгоритм ликвидации «эффекта мозаики» справляется с задачей правильной цветопередачи. Однако существуют обстоятельства, затрудняющие этот процесс.

ПРИМЕЧАНИЕ
Цветовая температура— величина, характеризующая спектральный состав излучения источника света, измеряется в Кельвинах. Чем меньше цветовая температура, тем больше красноватых тонов содержится в спектре излучения, для высокой цветовой температуры характерны синеватые оттенки.

Яркий солнечный свет воспринимается человеком как наиболее естественный. А вот свет, генерируемый лампами накаливания, более «теплый», то есть содержит больше красных тонов. В то же время флуоресцентное освещение отличается избытком синих тонов и поэтому кажется «холодным». В процессе фотографирования пользователь не замечает отклонений цветовой температуры, так как подсознательно «подстраивает» свое восприятие под условия съемки. Однако при просмотре кадров смещение цветов отчетливо проявляется — фотографии, отснятые внутри помещения, имеют уклон в сторону «теплых» либо «холодных» тонов (в зависимости от типа освещения).

Для сведения к минимуму этого негативного явления используется процедура настройки баланса белого цвета.

ПРИМЕЧАНИЕ
Баланс белого — процедура, выполняемая встроенным программным обеспечением фотоаппарата при создании файла с изображением. Заключается в приведении цветовой гаммы снимка к наиболее естественному для человеческого зрения виду.

В профессиональных камерах специальный датчик определяет среднюю длину волны света, попадающего в объектив (иногда этот датчик вынесен на переднюю стенку корпуса), и все дальнейшие расчеты цвета ведутся с учетом этого значения. В любительских камерах вычисляются средние значения для каждого из основных цветов, затем производится необходимая корректировка.

В большинстве случаев автоматика камеры справляется с расчетом цветового баланса изображения. Однако в некоторых случаях требуется определенная «подсказка» со стороны пользователя. Она заключается в том, что фотограф предварительно указывает условия съемки, а дальнейшие расчеты цветовой температуры ведутся с учетом этих данных. Наиболее распространены следующие предустановленные значения:

• «Солнечно» (Sunny) — съемка на улице в ясный солнечный день.
• «Облачно» (Cloudy) — съемка на улице при облачной погоде (уменьшенный уровень ультрафиолетовых лучей по сравнению с предыдущим пунктом).
• «Лампы накаливания» (Incandescent) — съемка в помещении, освещение лампами накаливания.
• «Флуоресцентный свет» (Fluorescent) — съемка в помещении, освещение флуоресцентными лампами.

Альтернативным вариантом, чаще встречаемым в полупрофессиональных и профессиональных камерах, является указывание цветовой температуры освещения в Кельвинах, как правило, от 3000 до 7500 К.

Однако при смешанном освещении, например съемке в помещении, освещаемом одновременно сквозь окна солнечными лучами и с потолка лампами накаливания, даже предустановленные значения не могут помочь. В таком случае для корректной цветопередачи некоторые камеры снабжены функцией баланса белого по эталону. При использовании этой функции пользователь наводит камеру на эталон белого, в качестве которого может использоваться обычный лист бумаги, и фиксирует это значение -либо выбором соответствующего пункта меню, либо нажатием
специально выделенной кнопки камеры. Чаще всего эта функция применяется при съемке в студии, когда фотограф имеет достаточно времени на подготовку к фотографированию.

Использование вспышки позволяет выправить цветовую температуру даже без предустановленных значений цветовой температуры. Более того, при установке баланса белого по эталону использование вспышки приводит, как правило, к сильному смещению в область «холодных» тонов.

Интерполяция пикселов. SuperCCD

Интересно, что в некоторых случаях при перемножении количества точек по горизонтали и вертикали можно получить число, большее количества элементов ПЗС-матрицы. В данном случае имеет место обычный рекламный трюк. Когда качества матрицы не хватает на «полноценное» разрешение, оно достигается путем интерполяции точек (причем такое же «улучшение» снимка может быть достигнуто с помощью программного обеспечения для обработки изображения на компьютере). Поэтому всегда следует различать количество элементов ПЗС-матрицы и так называемое разрешение файла — о реальном качестве кадра можно судить только по первому значению.

Фирмой FujiFilm была разработана SuperCCD — ПЗС-матрица с элементами октагональной формы (в отличие от обычных, прямоугольной формы).

a).

b).

Рис. 3.14. Расположение фотоэлементов и регистров сдвига: а — в обычной матрице, b— в матрице SuperCCD

При этом каждые четыре пиксела (два зеленых, синий и красный ) располагались как бы внутри квадрата, развернутого на 45°. Количество горизонтальных строк определялось пикселами в верхнем и нижнем углах квадрата, количество вертикальных -элементами в левом и правом углах.

Рис. 3.15. Процесс обработки кадра в матрице SuperCCD

Поскольку в файле точки располагаться так не могут, требовалось программно «развернуть» каждый такой квадрат. В результате этой операции за счет дополнительных горизонтальных и вертикальных строк, образуемых точками в левом/правом и верхнем/нижнем углах квадрата, количество точек изображения удваивалось. После этого компанией FujiFilm была проведена обширная рекламная кампания, в процессе которой провозглашалось, что переход на новую матрицу позволит получать изображения со вдвое более высоким разрешением. Однако, поскольку дополнительные пикселы образуются на основе интерполяции, с таким же уcпехом подобная операция может быть проведена и с обычной матрицей.

Возможна лишь единственная ситуация, при которой разрешение SuperCCD будет реально больше. Для этого изображение снимаемого объекта после прохождения через оптическую систему должно быть меньше расстояния между строками ЭОП, которое, как уже было сказано выше, составляет не более 30 % площади пиксела. При этом изображение должно попадать как раз между строками, то есть состоять из строго вертикальных и горизонтальных линий. В этом случае матрица FujiFilm за счет расположения элементов может «уловить» промежуточные линии. Большинство тестовых изображений, рассчитанных на измерение разрешения камер, состоит как раз из таких линий, поэтому ожидаемый эффект наблюдался.

В то же время если это же изображение будет ориентировано по диагонали, то обычная матрица его «увидит», а вот SuperCCD «пропустит». Причем большинство реальных объектов содержит как раз наклонные детали. Но человеческое зрение в первую очередь выделяет вертикальные и горизонтальные линии, именно на эту особенность восприятия и было ориентировано расположение пикселов SuperCCD.

В определенном смысле качество кадра улучшалось — в первую очередь, за счет большего размера элементов реально возросла чувствительность. Фирмой FujiFilm анонсировалась модель FinePix 4700 с разрешением файла 4,7 мегапиксела, при этом разрешение SuperCCD матрицы составляло 2,3 мегапиксела. Возникновение этой модели было своевременным, поскольку остальные производители задерживались с выпуском настоящих трехмега-пиксельных камер. С появлением фотоаппаратов с ПЗС-матри-цей из трех мегапикселов стало возможным сравнить получаемые кадры. Выяснилось, что улучшение реальных, а не тестовых изображений по сравнению с «обычной» ПЗС-матрицей того же разрешения составляет 20-30 %, в то время как трехмегапиксель-ные камеры обеспечивали рост качества любых изображений в полтора раза. В общем, какими бы ни были форма и размещение элементов матрицы, ее настоящее разрешение зависит только от количества пикселов.

К концу 2001 года Fuji анонсировала SuperCCD третьего поколения. К отличительным особенностям этой матрицы относится возможность суммировать заряды четырех соседних пикселов одного цвета и за счет этого увеличивать чувствительность. Разумеется, что при этом разрешение кадра уменьшается в два раза как по вертикали, так и по горизонтали.

Многослойные матрицы

В феврале 2002 года фирма Foveon объявила о создании сенсора принципиально нового типа. Его появление должно стать таким же технологическим прорывом, каким в свое время стала разра-Зотка ПЗС-матриц с маской Байера, так как в новой КМОП-мат-эице Foveon X3 светофильтры не используются в принципе.

Разделение светового потока на составляющие оттенки происходит за счет того, что свет с разной длиной волны проникает в слой кремния на разную глубину. Например, «синие волны» обладают наименьшей проникающей способностью, а «красные» -наибольшей. В сенсоре Foveon фотоэлемент каждого пиксела состоит из трех слоев.

Рис. 3.16. Структура матрицы Foveon ХЗ

Толщина этих слоев рассчитана так, что они пропускают лучи : определенной длиной волны. При этом к самому нижнему слою «пробиваются» фотоны с «красной» длиной волны, в среднем «увязают» «зеленые» фотоны, а в самом верхнем — «синие». Образующиеся при этом электроны и «дырки» накапливаются в трех потенциальных ямах — по одной на каждый слой. Таким образом, для любого из пикселов матрицы есть данные по каждому из цветовых диапазонов. Это позволяет отказаться от схемы Байера и связанных с ней потерь данных о цвете.

Но как у каждой новой технологии, у этой схемы есть ряд побочных эффектов. Вот лишь некоторые из них.

Ранее было описано негативное влияние блюминга на качество кадра, а также сложности, возникающие при нейтрализации этого эффекта. В многослойных матрицах блюминг становится «трехмерным» — избыточный заряд может перетекать не только в соседние пикселы, но и в «чужие» слои. При этом вертикальный электронный дренаж практически невозможен, а реализовать боковой дренаж крайне сложно.

При съемке с максимально открытой диафрагмой увеличивается процент лучей, падающих на поверхность сенсора под большим углом. Для обычных матриц это не проблема, просто лучи иногда не попадают на светочувствительную поверхность сенсора. А вот в многослойных ЭОП преломление света на стыке слоев матрицы может привести к проникновению фотонов в «Чужой» слой.

Следует помнить, что при распределении фотонов по слоям часть их неизбежно будет поглощена при переходе из одного слоя в другой. В результате чувствительность матрицы ослабляется.

Однако предположим, что разработчикам каким-то образом удалось разрешить все вышеперечисленные проблемы. Означает ли это, что многослойные матрицы при этом раз и навсегда заменят сенсоры «классической» конструкции? Вряд ли.

При одинаковом разрешении и равных физических габаритах потенциальные ямы пикселов матриц, построенных по Байеров-ской схеме, всегда будут «глубже», чем у «слоеных» сенсоров. Соответственно, шире будет и динамический диапазон. Человеческий глаз устроен таким образом, что яркость для него важнее, чем цвет. И если кадр идеален по цветопередаче, но все освещенные участки представляют собой белые пятна, а тени — черные, то такое изображение никто не назовет удачным снимком — ни профессионал, ни любитель.

Основные производители

В процессе эволюции разрешение цифровых фотокамер увеличилось в несколько раз. Поэтому большое количество производителей ЭОП, изделия которых использовались в ранних моделях фотоаппаратов, в итоге сильно сократилось. Кроме увеличения азрешения на процесс «естественного отбора» влияли и другие причины. Помимо уже рассмотренных характеристик (динамический диапазон, соотношение сигнал/шум и т. д.), для проектировщиков камеры важны также уровень энергопотребления ЭОП и совместимость с существующей элементной базой, а для производителя сенсора — процент брака и себестоимость устройств.

На рубеже тысячелетия можно было выделить двух крупнейших производителей ПЗС-матриц для профессиональной и студийной техники — Eastman Kodak в США и Philips в Европе.

Заслугой разработчиков Kodak является внедрение бокового антиблюмингового дренажа в полнокадровых матрицах, позволившего значительно увеличить динамический диапазон ЭОП по сравнению с сенсорами, в которых был применен вертикальный дренаж. В матрицах, изготовленных по технологии BluePlus, электрод, расположенный над светочувствительной областью пиксела, изготавливался на основе оксида индия и диоксида олова. За счет этого значительно повышался коэффициент пропускания электрода, в итоге резко выросла чувствительность сенсора, особенно в традиционно «трудных» для ЭОП «синей» и «фиолетовой» областях спектра.

Всю продукцию Kodak можно разделить на три большие категории:

• ПЗС-матрицы для студийной и профессиональной техники;
• ПЗС-линейки для студийных сканирующих приставок к крупноформатным фотоаппаратам;
• ПЗС-матрицы и КМОП-сенсоры для любительских фотокамер.

Сенсоры для любительских моделей используются, за редким исключением, только в фотоаппаратах Kodak. Зато матрицы, предназначенные для студийных камер, применяются практически всеми производителями этой категории. Последняя разработка фирмы — сенсор с разрешением 22 мегапиксела.

Голландским концерном Philips была сделана попытка минимизировать себестоимость ПЗС-матриц с помощью оригинальной технологии Building Block. При обычном производстве ПЗС-матрица высокого разрешения изготавливается единым блоком и при браке потери велики. Кроме того, максимальный размер ЭОП ограничивается возможностями оборудования. В противоположность этому, методика Building Block (буквально — кирпичи), разработанная Philips, основана на использовании «кирпичиков», состоящих из модулей размером 1000x1000 пикселов. Объединяя данные «кирпичики», можно построить сенсор практически неограниченного разрешения. При этом в случае обнаружения дефекта в одном из модулей его можно легко заменить. Таким образом, себестоимость изделия значительно ниже.

Наибольшей популярностью пользовалась шестимегапиксель-ная матрица FTF 3020 (36x24 мм), применявшаяся в большинстве моделей студийных камер. Из новых сенсоров перспективным считается 11-мегапиксельный ЭОП, тоже созданный по технологии Building Block. Его мегапиксельные «кирпичики» по габаритам меньше прежних модулей, поэтому размеры новой матрицы такие же, как и у шестимегапиксельной модели. Благодаря этому студийные фотоаппараты, использовавшие FTF 3020, легко могут быть оборудованы новым сенсором.

Как было замечено выше, основной особенностью матриц Fuji-Film являются нестандартная форма и расположение элементов, в то же время реальных плюсов данные решения не продемонстрировали. В результате матрицы этой фирмы применяются только в фотоаппаратах FujiFilm, хотя ассортимент сенсоров довольно широк и включает в себя разработки для профессиональной техники.

Корпорация Sony с самого начала ориентировалась исключительно на рынок массовой техники. При этом разработчикам данной фирмы удалось внедрить ряд решений, благодаря которым качество кадров значительно улучшилось.

Одной из основных инноваций была технология HAD — Hole-Accumulation Diode. В матрицах HAD носителями информации о заряде пиксела были не электроны, а так называемые «дырки». При этом отпадала необходимость в полисиликоновом электроде над светочувствительной частью пиксела и значительно увеличивалась чувствительность сенсора, особенно в коротковолновой части спектра. Кроме того, размещение поглощающего «дырки» слоя у поверхности матрицы уменьшало тепловой шум.

При максимально открытой диафрагме растет процент лучей, падающих на поверхность матрицы под большими углами. После прохождения через микролинзы обычной конструкции эти лучи, как правило, не попадали на светочувствительный элемент. Чтобы уловить максимальное количество света, попадающего на микролинзу, разработчики Sony в матрице New Structure CCD использовали дополнительный оптический элемент. Расположенная непосредственно над светочувствительным элементом внутренняя линза корректировала лучи, входящие под большими углами.

Ассортимент ПЗС-матриц Sony очень велик, причем с увеличением разрешения размер и интерфейсные разъемы сенсора не изменяются, что позволяет при разработке нового фотоаппарата использовать прежнюю оптику и корпус.

С появлением в модельном ряде матрицы ICX413 Sony заняла соответствующую нишу на рынке профессиональных камер. При диагонали 28,4 мм размеры, сенсора (23,4x15,6 мм) соответствуют кадру пленки формата APS, поэтому он идеально подходит для использования в моделях, создаваемых на базе пленочных «зеркалок». В результате эту шестимегапиксель-ную матрицу выбрал Nikon для своей профессиональной модели D-100.

Значительных успехов в разработке КМОП-матриц для профессиональных камер добился концерн Canon. Размер сенсора был увеличен до габаритов кадра APS, в результате возросло отношение светочувствительной части пиксела к «обвязке» и, как следствие, значительно поднялась чувствительность.

Кроме того, в состав компонентов каждого пиксела был включен своеобразный «фильтр», который замерял уровень электронного шума, генерируемого «обвязкой» в нерабочем состоянии. При съемке «фильтр» каждого элемента автоматически «вычитал» этот шум из сигнала, в результате влияние неравномерно распределенных по матрице электронных помех удалось снизить.

Лидирующие позиции в области разработки КМОП-матриц занимает белый искал фирма Fill Factory. Она была основана в 1999 году, но разработками КМОП-матриц занималась еще с 1987 года, будучи подразделением ШЕС, Европейского независимого центра микроэлектронных технологий. В итоге в стенах FillFactory появился ряд интересных и эффективных решений, улучшивших показатели КМОП-сенсоров.

В первую очередь удалось значительно увеличить светочувствительную область пиксела. В обычных КМОП-матрицах фотоны «выбивают» электроны на всей поверхности пиксела. Только вот эти «фотоэлектроны» (термин ненаучный, но иногда в оптоэлек-тронике применяемый) притягиваются либо «обвязкой» (расположенной, кстати, на поверхности матрицы), либо подложкой сенсора. Поэтому «фотоэлектроны», генерируемые поверхностью вокруг фотоэлемента (а это более 70 % всей площади пиксела), в процессе создания заряда никоим образом не участвуют.

Специалисты FillFactory предложили простое и гениальное решение. Благодаря генерируемому электростатическому барьеру «фотоэлектроны», генерируемые под «обвязкой», не поглощаются ни «обвязкой», ни подложкой, а «всасываются» потенциальной ямой фотоэлемента. Процесс «всасывания» не столь уж и длителен (от 10 до 50 наносекунд), поэтому тепловой шум (обычно заметен при «длинных» выдержках на всех типах сенсоров) практически отсутствует. А вот чувствительность сенсора возрастает в несколько раз, при этом нет необходимости использовать матрицы больших габаритов. Следовательно, данная технология может быть использована и в любительской технике.

Динамический диапазон КМОП-сенсора можно расширить, используя еще одну из наработок FillFactory — нелинейный режим накопления заряда. В этом режиме в «обвязку» пиксела добавлены элементы, которые при достижении определенного уровня заряда в потенциальной яме переключают пиксел в состояние «насыщения». В этом состоянии «фотоэлектроны» накапливаются в потенциальной яме менее интенсивно, уменьшая риск ее переполнения.

Благодаря данной методике происходит адаптивное сжатие динамического диапазона кадра — светлые участки не выглядят «засвеченными», а темные — «недодержанными». Кроме того, не нужна большая разрядность АЦП, сокращается также размер кадров.

Разработанные FillFactory КМОП-сенсоры нашли свое применение как в студийных (Leaf C-Most, Leaf Valeo), так и в профессиональных (Kodak DCS Pro 14n) фотоаппаратах. Возможно, что в недалеком будущем КМОП-матрицы этой фирмы будут использоваться и в любительской технике.