Чем матрица CCD отличается от матрицы CMOS, Все типы и размеры матриц для фотоаппаратов и их особенности Опции

[Гость_Yurchik_*]

С О Д Е Р Ж А Н И Е :

1. Разрешающая способность - теория. CCD vs. SuperCCD vs. Пленка

2. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

3. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

4. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

5. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

6. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

7. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

8. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

9. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

10. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

11. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

12. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

13. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!


14.!!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

15. Динамический диапазон

16.!!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

17. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

18. !!! Скрытая ссылка !!! Зарегистрируйтесь, чтобы её увидеть!

1.Разрешающая способность - теория. CCD vs. SuperCCD vs. Пленка

Для того чтобы понять, как влияет структура ПЗС матрицы и расположения цветных фильтров на разрешающую способность изображения, необходимо вспомнить, как формируется изображение у большинства цифровых камер, и в чем основные отличия технологии SuperCCD.

[Аксакал]

15. Динамический диапазон

также, очевидно, зависит напрямую от размера сенсора: чем больше отдельный пиксель, тем больше света он может на себя принять и тем больше градаций серого он может дать на выходе. Характеристика, имеющая непосредственное отношение к шуму — это покрытие площади сенсора светочувствительными элементами. В CCD-сенсорах конструктивно возможно достичь 100% заполненности, тогда как в CMOS этот параметр редко достигает 70%. Стоит, однако, уже расшифровать эти за две загадочные аббревиатуры.

CCD

Первые цифровые фотокамеры были построены на CCD-сенсорах. Технология CCD была разработана в конце 60-х в Bell Labs, и изначально предполагалась для использования в запоминающих устройствах. Принцип действия на первый взгляд несложен: сенсор состоит из массива прямоугольных элементов-конденсаторов, накапливающих падающий на них свет в виде электрического заряда. После того, как затвор камеры закрывается — массив строчка за строчкой последовательно «сливается» в специальную считывающую строку, из которой усиленные и переведенные в цифровой формат данные по одному пикселю переносятся в память фотокамеры. В процессе перетекания заряда CCD-сенсор «очищается», так что к моменту окончания цикла считывания он готов к следующему снимку. Именно возможность построчного считывания и отсутствие необходимости в дополнительной «очистке» сенсора и сделала в конечном итоге технологию CCD ведущей в использовании в телевизионных камерах. Ещё одно преимущество такого подхода — возможность достижения уже упомянутого 100% уровня покрытия поверхности сенсора светочувствительными элементами-пикселями, сведя к минимуму искажения при последующей интерполяции. Существует и альтернативная схема, при которой рядом с каждой «рабочей» строкой сенсора расположена считывающая строка: это позволяет многократно ускорить процесс считывания данных, но уменьшает процент покрытия сенсора и влечёт за собой необходимость в увеличении его площади при том же разрешении. Также за технологией CCD со 100% покрытием замечена такая неприятная особенность, как «перетекание» заряда с чрезмерно освещённых пикселей на менее освещённые соседние, получившее название blooming (расплывание), и вызванное теми же причинами, что и «тёмные токи».


До последнего времени все качественные сенсоры с большим разрешением были построены на технологии CCD. В целом, эта технология имеет за плечами обширную историю, что компенсирует её многочисленные недостатки, как то: сложный и годный только для производства CCD технологический процесс, невозможность считывания фрагмента изображения, необходимость в обильной «обвязке» дополнительными микросхемами и высокое энергопотребление, что, в свою очередь, ведёт к существенному удорожанию конечного продукта.

CMOS

Использование технологии CCD в запоминающих устройствах оказалось нерентабельным, в том числе и по вышеперечисленным причинам. Её место было занято (и занято до сих пор) более дешёвой и простой в производстве технологией CMOS — Сomplementary Мetal Оxide Semiconductor, или по-русски КМОП — комплементарная структура «металл-оксид-полупроводник». CMOS-схема представляет собой многослойную «вафлю», в которой слои металла и полупроводника разделяются диэлектриком, в роли которого ранее выступал оксид кремния, отсюда и название. На этой «вафле» методом последовательной фотолитографии протравливается необходимая логическая схема, в которой изолирующий слой отделяет металлические контакты от полупроводниковой схемы, создавая, таким образом, массивы полевых транзисторов. Это исключительно дешёвый в производстве метод создания интегральных микросхем применяется уже несколько десятилетий, постоянно улучшаясь и совершенствуясь. Сотни фабрик в мире «выпекают» CMOS-вафли и производят на их базе различные электронные компоненты. Неудивительно, что однажды кому-то пришла в голову мысль использовать технологию CMOS для производства сенсоров для цифровых фотоаппаратов (любознательным сообщаю: это была фирма UMAX и произошло это в 1997 году).

Идея, лежащая в основе функционирования CMOS-сенсоров, ещё проще, чем у CCD. Каждый элемент активного (были ещё пассивные, но они давно не используются) CMOS-сенсора состоит из фотодиода и расположенных рядом с ним трёх транзисторов, вытравленных как единое целое. Первый транзистор представляет собой «персональный» усилитель сигнала данного пикселя (из-за него сенсор и называется активным). Второй транзистор работает как ключ, подключая пиксель к координатной сетке считывающих проводников. Третий транзистор подключён к проводнику, передающему команду «сброс», очищающую сенсор. Таким образом, обрабатывающий каскад может получить доступ к любому пикселю (или группе пикселей) в матрице, а считывание сигнала происходит практически мгновенно, что позволяет, во-первых «на лету» изменять разрешение сенсора, просто объединяя соседние пиксели в единое целое, и, во-вторых, также моментально переключаться с режима фотографии в режим записи видео, поскольку цикл «очистки» CMOS-матрицы представляет собой подачу на короткий срок импульса на проводник «сброс». Нельзя также не отметить сверхнизкое энергопотребление CMOS-микросхем (а значит, меньше нагрев схемы, вызывающий увеличение шума). Ещё один огромный плюс технологии CMOS — это возможность разместить на том же кристалле все дополнительные схемы и элементы, а в идеале — и процессор для обработки сигнала, и заодно интерфейсные блоки, что превращает CMOS-сенсор в самодостаточный элемент электронной схемы. Именно CMOS-сенсоры используются в основном в мобильных телефонах.

Однако, несмотря на дешевизну и удобство производства сенсоров, также простоту построения продуктов на их базе, до недавнего времени качество получаемого при их помощи изображения было неудовлетворительным. В первую очередь, в силу конструктивных особенностей: поскольку каждому светочувствительному фотодиоду на сенсоре соответствует три дополнительных элемента плюс управляющие проводники, то их площадь (от 30% до 60% от суммарной) вычитается из общей площади пикселя, результатом чего становится недостаточное покрытие площади сенсора, а следовательно — неприемлемо низкая чувствительность и высокое значение цифрового шума (вспомните снова наш пример с вёдрами: при одинаковой силе дождя вёдра меньшего размера дадут более высокую погрешность измерения). Также большую проблему представляли собой высокие значения «тёмных токов» (см. выше) и геометрический шум CMOS-сенсоров, связанный с невозможностью в достаточной степени выдержать идентичность размеров всех пикселей на матрице.

Однако, около пяти лет назад развитие CMOS-технологии стало принимать лавинообразный характер. Были изобретены и внедрены новые технологии, призванные бороться с перечисленными проблемами, а именно: для борьбы со статическим и геометрическим шумом, а также с «тёмными токами», стали применять технологию вычитания из картинки пустого кадра, а проблему недостаточного покрытия поверхности и отчасти «тёмных токов» решили, ещё уменьшив размер пикселей и поместив над ними слой микролинз, фокусирующих свет в центр пикселей. Это, в свою очередь, позволило создавать вместо трёхтранзисторных более сложные элементы, а в недалёкой перспективе — начать размещение внутри пикселей индивидуальных аналого-цифровых преобразователей. Результаты не заставили себя ждать: лучшие на сегодняшний день по качеству картинки сенсоры в зеркалках Canon выполнены именно на технологии CMOS, и у них определённо есть куда совершенствоваться дальше. Специалисты считают, что будущее цифровой фотографии — именно за CMOS-технологией.

Foveon X3

Когда в 2002-м году компания Foveon, дочерняя структура National Semiconductor, объявила о создании новой технологии производства сенсоров на базе технологии CMOS, им поначалу никто не поверил: на дворе был бум доткомов и стартапов, и наблюдатели решили, что нам пытаются продать очередное vapourware — фиктивную технологию, направленную на освоение инвестиционных средств. Виданное ли дело: Foveon обещал отказаться от цветовых массивов вообще, а вместо этого разбить сенсор на три слоя, каждый из который отвечал бы за свой цвет. Утверждалось, что подобного эффекта можно добиться за счёт известной способности световых волн разной длины проникать на разную глубину внутрь полупроводника. Предполагалось, что эта технология поможет раз и навсегда избавиться от артефактов и искажений, вызванных интерполяцией цветов. Технология обзавелась приставкой X3, означавшей, что число мегапикселей надо умножать на три.

Сразу нашлись теоретики, с цифрами в руках «доказавшие» несостоятельность этой технологии: дескать, шум у этой матрицы будет в разы больше, чем у основанных на цветовом массиве Байера аналогов конкурентов. Однако, не прошло и года, как камеры на основе Foveon X3 с разрешением 4,5 Мп поступили в продажу. Сегодня в свет выходят камеры на основе нового сенсора Foveon, на этот раз с разрешением 10,2 Мп, и предлагающего такие функции, как прямой доступ к фрагментам изображения, группировка пикселей (переменный размер пикселей) и FillLight (осветление изображения без потери фотошироты). Всё говорит о том, что уже в ближайшем будущем Foveon сможет составить серьёзную конкуренцию традиционным сенсорам.  170105.jpg ( 35,12 килобайт ) Кол-во скачиваний: 7