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).
Оцифрованная информация попадает в оперативную память камеры (ОЗУ). Это микросхема, способная хранить информацию только при наличии электрического питания. Если камера внезапно выключится, вся информация (будущий снимок) пропадёт. Но этого не стоит опасаться! Снимок находится в ОЗУ всего лишь доли секунды. Здесь происходит его цифровая обработка - улучшается тоно - и цветопередача, корректируется резкость, яркость и контрастность изображения. Используемые на этой стадии алгоритмы обработки являются достоянием фирм-производителей фототехники. Не секрет, что в цифровых камерах разных фирм могут использоваться одинаковые светочувствительные матрицы, а количество полученного изображения будет существенно отличаться, причина этого кроется именно в различной цифровой обработке полученного сигнала.
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.
На соседние конденсаторы С1 и С3 напряжение не подано, электрического поля у них нет, что создаёт потенциальные барьеры для электронов, и поэтому весь заряд Q находится под конденсатором С2.
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.
Очень удобно представить себе потенциальную яму в виде ведра, а вода в нем будет играть роль заряда. Ведро может быть и пустое, и с водой. Если у нас есть ряд стоящих вёдер, зарядовую связь можно сравнить с процессом переливании воды из одного ведра в другое - соседние. А командуют этим процессом внешние импульсы управления. Эта аналогия во многом помогает понять некоторые проблемы, и к ней мы ещё будем возвращаться.
Откуда же в полупроводнике берутся заряды? Прежде всего из-за термогенерации (т.н. темновой ток): под действием температуры в полупроводнике рождаются пары электрон – дырка. Но это паразитный процесс, с которым необходимо бороться. Породить электронно-дырочные пары может фотон света, попадающий в полупроводник. Таким порожденные заряды называются фотогенерированными. Они-то и представляют интерес для нас.
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).
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 связь