ЭЛЕКТРОННАЯ "ФОТОПЛЕНКА"

Цифровая фототехника все ближе подбирается по своим параметрам к аналоговой. Это признают уже многие профессионалы-фотографы. Современные цифровые камеры представляют собой сложный гибрид фотоаппарата и специализированного компьютера. Общим остается принцип: с помощью светочувствительного элемента (в аналоговом аппарате — фотопленка, в цифровом — полупроводниковые матрицы) изображение фиксируется и сохраняется для многократного воспроизведения. Матрицы выполняются по одной из технологий: как приборы с зарядовой связью (ПЗС, в англоязычной литературе — CCD) и как комплиментарная структура метал-оксид-полупроводник (КМОП или CMOS). Именно о них, об их преимуществах и недостатках наш нынешний рассказ.

Перенос заряда в ПЗС-матрице

ПЗС-матрицы Очень условно ПЗС-устройство можно рассматривать как матрицу близко расположенных конденсаторов, имеющих структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) [1, 2, 3, 4, 5]. Если в определенной последовательности подать на их электроды тактовые импульсы напряжения, то накапливаемые заряды можно переносить между соседними элементами ПЗС. Отсюда и название технологии — приборы с переносом заряда или с зарядовой связью.

Свет фиксируется благодаря накоплению электрического заряда в МДП-конденсаторе под воздействием фотонной «бомбардировки». Величина этого заряда пропорциональна интенсивности светового потока. Особенность устройств на базе ПЗС — поступление электрического импульса от фотоэлемента не напрямую в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), а в соседний элемент в том же столбце матрицы. Сигналы от отдельных столбцов одной строки попадают в регистр передачи зарядов, после чего передаются дальше — на АЦП. Таким образом, ввод изображения происходит построчно. Далее информация о световом импульсе преобразуется в цифровой вид, а сигнал поступает во встроенный компьютер.

Большинство типов ПЗС-матриц, изготавливаемых на промышленной основе, ориентированы на применение в телевизионных и видеокамерах. Такие устройства носят название ПЗС с кадровым переносом. Матрицы состоят из двух почти одинаковых областей — накопления и хранения. Первая светочувствительна, а вторая защищена от света непроницаемым покрытием. ПЗС-матрицы с кадровым переносом можно применять для съемок в хорошо освещенных условиях, с использованием цифровых фотокамер без механических затворов. (Пример: все цифровые фотоаппараты с жидкокристаллическим экраном в качестве видоискателя.)

ПЗС для условий слабой освещенности изготавливаются, как правило, без области хранения. На время вывода сигнала такая матрица должна быть экранирована от света, а для работы требуется оптический затвор. (Пример: все профессиональные цифровые фотокамеры Kodak.)

КМОП-сенсоры Фотосенсор, выполненный по технологии КМОП, представляет собой матрицу КМОП-элементов, отвечающих каждый за свой пиксел и самостоятельно обрабатывающих информацию о нем [6]. Элемент матрицы содержит фотодиод, усилительный каскад и несколько вспомогательных транзисторов. Сигналы от отдельных фотоэлементов поступают на металлическую «сетку», откуда показания считываются по строкам фотоматрицы, по фрагментам строк или по отдельным фотоэлементам.

Получение цветного изображения Существует несколько способов получения цветного изображения в цифровых фотоаппаратах [5, 7, 8].

Байеровский фильтр

1. Изображение сканируется полоской, состоящей из трех рядов фотоэлементов, снабженных разными светофильтрами, либо маленькой фотоматрицей со светофильтрами. Эта технология позволяет относительно легко получать снимки с высоким разрешением. Однако она требует длительной выдержки, поэтому снимать можно только неподвижные предметы.
2. Для фиксации изображения привлекается матрица фотоэлементов по размеру кадра, причем каждый из фотоэлементов снабжен собственным светофильтром. Обычно на четыре элемента приходится по одному красному, одному синему и по два зеленых светофильтра (так называемый байеровский фильтр, Bayer filter). Такое сочетание обеспечивает более реалистичную передачу цветов. Эта технология лежит в основе производства многих недорогих цифровых фотоаппаратов.

   Расщепление света на составляющие

3. Световой поток расщепляется на составляющие (красную, зеленую и синюю) с помощью оптического прибора. Каждый из потоков воспринимается своей светочувствительной матрицей, затем цветные проекции синхронизируются в единое цветное изображение. Технология дорогостоящая, зато выполненные на ее основе фотоаппараты успешно фиксируют и движущиеся объекты.

   Камера с несколькими светофильтрами

4. Фотографируя объект, камера делает несколько снимков через разные светофильтры, затем совмещает изображение. Три или четыре светофильтра, вращающихся по кругу: нейтральный (иногда используется для фокусировки и кадрирования) и три цветных. Эта относительно недорогая технология обеспечивает высокое разрешение, точную цветопередачу и широкие возможности по варьированию глубины резкости, но требует относительно большой длительности выдержки, поэтому рекомендуется для съемки статичных или малоподвижных предметов (движущихся — только в монохромном виде). Кроме того, фотокамера получается достаточно громоздкой, в результате эта технология применяется в основном в стационарных фотоаппаратах.

Форма фотоэлементов Как правило, светочувствительная поверхность отдельных элементов матрицы (фотодиодов в КМОП-сенсорах и МДП-конденсаторов в ПЗС-устройствах) имеет форму квадрата или прямоугольника. Исключение составляют матрицы компании Fuji Photo Film, выполненные на базе восьмигранных фотоэлементов по технологии Super CCD [9, 10, 11]. Имеющиеся на матрице МДП-конденсаторы со светофильтрами расположены в виде байеровского фильтра, развернутого на 45 градусов. Электрический заряд передается не по диагонали, а по горизонтали и вертикали. Фотоматрицы Fuji тесно интегрированы с технологией обработки сигналов, обеспечивающей получение качественного изображения почти в два раза большего по размерам, чем сама матрица (4,3 мегапиксела с помощью матрицы в 2,4 мегапиксела в фотоаппарате Fuji FinePix 4700 и 6,1 мегапиксела с помощью 3,2 мегапиксельной матрицы в Fuji FinepPix S1 Pro). Благодаря применению восьмигранной формы фотоэлементов удается располагать их плотнее, обеспечивая более высокие показатели светочувствительности и разрешения, а также более короткие выдержки и более быстрое чтение данных из матрицы. Отпадает необходимость и в механическом затворе — достаточно реализовать электронный, одношаговый.

Поставщики Производители микросхем специализируются на какой-либо одной технологии фотосенсоров. К «лагерю» ПЗС можно смело причислить компании Eastman Kodak, Fuji, Matsushita, Philips, Sony, Texas Instruments. Среди производителей КМОП-элементов — Agilent Technologies, Canon, Conexant Systems, IC Media, Mitsubishi, Motorola, OmniVision Technologies, Photobit, STMicroelectronics, Y Media и Zoran. По обеим технологиям выпускают матрицы компании Sharp и Toshiba.

Наибольший размер ПЗС-матриц — у устройств Eastman Kodak (3052x2016 и 4080x4080 пискелов), КМОП-сенсоров — у продукции компаний Canon (матрица размером 2160x1440 эффективных пикселов применяется в фотоаппарате Canon D30) и Y Media (2048x1152). Большинство же производит матрицы с числом эффективных элементов, близким к SXGA (1280x1024), XGA (1024x768), VGA (640x480) и CIF (352x288).

Обратим внимание на интересное обстоятельство: если имена поставщиков ПЗС-матриц хорошо известны, то среди имен производителей КМОП-сенсоров встречаются как популярные торговые марки (Mitsubishi и Motorola), так и малоизвестные, причем последних — большинство. Это объясняется сложностью разработки ПЗС-матриц и необходимостью концентрации большого количества ресурсов для их производства, а также популярностью ПЗС-матриц среди поставщиков видеокамер. Большинство производителей КМОП-сенсоров сами не делают ни видеокамеры, ни цифровые фотоаппараты, зато поставляют сборщикам «заготовки» для производства в основном недорогих цифровых фотоаппаратов стоимостью от 150 долл. и выше. Работа именно в этой нише возможна из-за очень низких цен на КМОП-матрицы. Так, в партиях из 10 тыс. штук стоимость одной матрицы с разрешением VGA составляет от 8 до 12 долл.

Впрочем, и многие поставщики ПЗС-матриц продают свои фотосенсоры и «полуфабрикаты» на их базе, но для цифровых фотоаппаратов подороже. Производители цифровых фотокамер, не занимающиеся выпуском сенсорных матриц, чаще умалчивают, чьи матрицы они используют.

Свойства и сравнение На отдельном ПЗС-элементе активная (светочувствительная) поверхность составляет до 95% общей площади. В КМОП-элементе активная площадь существенно меньше — 25–30%. Поскольку светочувствительные полупроводники в обоих типах элементов примерно с одинаковой интенсивностью преобразуют фотоны в электрические заряды, светочувствительность ПЗС-элемента оказывается выше (ведь активная поверхность у него больше). Передача цвета в данной точке светового потока у ПЗС-элементов отличается от той, что обеспечивают КМОП-элементы, так как первые захватывают световой поток большей площади и, следовательно, усредняют его сильнее. Иногда это оказывается кстати, иногда — нет.

Так же, как и фотопленка, фотосенсоры обрабатывают световой поток в течение определенного времени (времени выдержки). За этот промежуток накапливается информация о световых сигналах с отдельных сенсоров. Чем больше выдержка, тем больше света способна зафиксировать фотоматрица, но и шумов на изображении тоже будет больше. Если на фотоэлемент ПЗС-матрицы попал очень большой световой поток, возможно размывание изображения (блюминг). Это вызвано тем, что в результате интенсивной «бомбардировки» фотонами активной части отдельного фотоэлемента на нем скапливается очень большой электрический заряд, и доля его «перетекает» на соседние фотоэлементы, искажая их показания. Если «пересветить» фотоэлемент КПОП-матрицы, также возможно искажение изображения. Впрочем, насколько мне известно [12], некоторые поставщики КПОМ-матриц (например, компания Photobit), научились «бороться» с этим явлением, уменьшая блюминг.

Обычно светочувствительные ПЗС-матрицы изготавливают на основе поликремниевых электродов. У многих таких матриц низкая чувствительность в синей части спектра приводит к довольно большим шумам в «захваченном» изображении. Рядом улучшенных характеристик обладают ПЗС-матрицы, изготовленные с применением технологии на базе оксидов индия и олова (ITO — indium tin oxide): высокая чувствительность синего канала, общее отношение сигнал/шум более 70 дБ. (Пример: Kodak Professional DCS-620X со светочувствительностью до 6400 единиц по шкале ISO). КМОП-сенсоры, как правило, характеризуется отношением сигнал/шум не более 55—60 дБ. Соотношение сигнал/шум играет очень важную роль в формировании такого показателя, как динамический диапазон. Этот показатель характеризует практически то же, что и понятие фотографическая широта обычных аналоговых пленок: способность точно передавать градации яркости на высококонтрастных снимках. Нижний предел динамического диапазона ограничен отношением сигнал/шум, характерным для данной фотоматрицы. Верхний предел динамического диапазона ограничен порогом проявления блюминга. Как правило, производители матриц борются за снижение уровня сигнал/шум в условиях обычных температур (при низких температурах уровень шумов значительно снижается).

Следует признать, что пока ПЗС-сенсоры дают несколько лучшее качество изображения по сравнению с КМОП-аналогами. Их чувствительность обычно выше, «зашумленность» — ниже, изображения более четкие, а размер фотоэлемента (аналога «зерна» фотопленки) меньше. Но технология КМОП-сенсоров быстро прогрессирует. Еще недавно они применялись лишь в цифровых фотоаппаратах начального уровня, однако уже осенью прошлого года появились профессиональные модели, оснащенные КМОП-сенсорами и обеспечивающие отличные результаты (например, Canon D30, в которой аппаратно реализованы оригинальные алгоритмы подавления шумов). Способность ввода сигнала по отдельным фрагментам КМОП-фотоматрицы и даже отдельным фотоэлементам открывает дополнительные перспективы в области улучшения качества изображения.

В отличие от ПЗС, производимых относительно небольшим числом предприятий микроэлектроники, технология КМОП освоена очень многими заводами: значительная доля современных микросхем производится именно по этой технологии. Отсюда существенное различие в цене. Фотосенсоры, выполненные по КМОП-технологии, гораздо дешевле аналогов, выполненных на базе ПЗС [6, 12, 13]. Более того, имеются широкие возможности по увеличению числа выпускаемых фотосенсоров и, следовательно, по их удешевлению с одновременным усовершенствованием прочих качеств. Еще одно важное преимущество КМОП-сенсоров — экономичность. Они потребляют в несколько раз меньше электроэнергии, чем ПЗС-сенсоры. Для портативных цифровых устройств экономичность — очень важное качество. Наконец, КМОП-технология позволяет гораздо быстрее считывать изображение с матрицы (до 500 раз в секунду с матрицы размером в мегапиксел [12]), обеспечивая большую «скорострельность» фотокамер.

Перспективы Согласно оценкам аналитиков из компании Cahners In-Stat Group [14], в 1999 году доля КМОП-сенсоров составила всего 6,2% от общего объема прибыли и 7,2% от общего числа проданных сенсоров. Однако, по прогнозам той же компании, в 2004 году численность КМОП-сенсоров возрастет до 50,8%, доля доходов от их продаж — до 35,5%. Вероятнее всего, за счет возможности получения более качественных изображений, ПЗС-технология в ближайшие несколько лет будет доминировать в продуктах верхнего уровня. Благодаря своей дешевизне КМОП-сенсоры отвоюют у ПЗС-аналогов значительную часть жизненного пространства, сделав цифровую фотографию по-настоящему массовой.

Автор благодарит Николая Чернышева, генерального директора компании ANSystem, за ряд ценных комментариев и дополнений, сделанных в ходе подготовки статьи.

Об авторе: Михаил Зырянов (mikez@computerworld.ru) — научный редактор еженедельника «Computerworld Россия».

ЛИТЕРАТУРА

ЦИФРОВЫЕ КАМЕРЫ НА CEBIT’2001

Kodak снижает цены?