Физический размер матрицы

Часть вторая. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ.

Наш обзор о цифровых фотоаппаратах, фиксация изображения в которых производится электронной матрицей. Сразу непосредственно перейдем к сути вопроса и исследуем те аспекты, благодаря которым могут меняться конечные показатели качества снимков.

Матрица или светочувствительная матрица — специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — фотодиодов.

Предназначена для преобразования спроецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).
Является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств.
Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации.

Матрица на печатной плате цифрового фотоаппарата

Фотодиод.

Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд (ЭДС)) называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой изолятора i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Фотодиод

Обозначение на схемах

Принцип работы.

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода.

Фотодиод может работать в двух режимах:

фотогальванический — без внешнего напряжения;
фотодиодный — с внешним обратным напряжением.

Особенности:

простота технологии изготовления и структур;
сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия;
малое сопротивление базы;
малая инерционность.

Структурная схема фотодиода

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Ф — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; Rн — нагрузка.

Характеристики матриц.

Светочувствительность, отношение сигнал-шум и физический размер пикселя однозначно взаимосвязаны (для матриц, созданных по одной и той же технологии). Чем больше физический размер пикселя, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном соотношении сигнал-шум. Физический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют размер пикселя.

Отношение сигнал/шум.

Отношение сигнал/шум (ОСШ, англ. SNR, Signal-to-Noise Ratio) — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума. Чем больше это отношение, тем менее заметен шум.

Чувствительность.

Матрица состоит из фотодатчиков (пикселей) — отдельных светочувствительных элементов, реагирующих на электромагнитное излучение (в том числе световое). В отдельном ее элементе (пикселе) под действием падающего луча света генерируется электрический заряд. Таким образом, светочувствительность матрицы складывается из светочувствительности всех её фотодатчиков (пикселей) и в целом зависит от:

интегральной светочувствительности, представляющей собой отношение величины фотоэффекта (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания (этот параметр позволяет оценить светочувствительность сенсора в целом);
монохроматической светочувствительности — отношения величины фотоэффекта к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определённой длине волны;

К матрицам применяется термин эквивалентная «чувствительность», потому что:

в зависимости от назначения матрицы формальное значение чувствительности может определяться различными способами по различным критериям;
аналоговым усилением сигнала и цифровой постобработкой можно менять значение чувствительности матрицы в широком диапазоне;

У цифровых фотоаппаратов значение эквивалентной чувствительности может меняться в диапазоне ISO 50-25600. Максимальная используемая в массовых фотоаппаратах чувствительность соответствует отношению сигнал/шум 2-5.

Более детально о понятии «Чувствительность» и факторах ее составляющих можно почитать здесь.

Разрешение.

Обычно, говоря о разрешении цифровой матрицы, следуют сложившемуся штампу, то есть просто приводят количество пикселей. При этом забывают упомянуть, что матрица может разрешить только то изображение, которое уже сформировано объективом. И если объектив в силу недостаточно высокой разрешающей способности передаёт ДВЕ светящиеся точки объекта, разделённые третьей чёрной, как одну светящуюся точку на ТРИ подряд расположенных пикселя, то говорить о разрешении фотоаппарата в целом на основе данных о матрице будет опрометчиво.

Разрешение матриц цифровых фотокамер в мегапикселях (2008 г.), (миллионах пикселей):

разрешение матриц компактных цифровых фотокамер 6-12 Мпикс;
камеры мобильных телефонов имеют разрешение матриц 0,1-5 Мпикс;
фотокамера NIKON D3X имеет разрешение матрицы 24 Мпикс;
цифровые задники для среднеформатных фотоаппаратов «Hasselblad» имеют разрешение матриц более 16 Мпикс;

В пример, в семействе камер CANON EOS представлены следующие модели:

CANON EOS-1Ds Mark II – 16,7 мегапикселя, 4 кадра в секунду;
CANON EOS-1D Mark II N – 8,2 мегапикселя, 8,5 кадра в секунду;
CANON EOS 5D –12,8 мегапикселя, 3 кадра в секунду;
CANON EOS 30D – 8,2 мегапикселя, 5 кадров в секунду;
CANON EOS 350D – 8,0 мегапикселя, 3 кадра в секунду;
CANON EOS 400D – 10,1 мегапикселя, 3 кадра в секунду;
CANON EOS 1D Mark III – 10,1 мегапикселя, 10 кадров в секунду.

Физический размер матрицы.

Сравнение размеров фотосенсоров цифровых фотокамер и 35-мм плёнки

Как уже было сказано, общепринято размер матрицы измерять по диагонали, в долях дюйма (4/3", 2/3", 1/1,8", 1/2,2"). Данная традиция измерения происходит от диаметра передающих телевизионных трубок и часто называется «дюймы видикона».

Чем больше физический размер матрицы, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном соотношении сигнал-шум.

Видикон (от лат. англ. video — вижу и греч. англ. eikon — изображение) — телевизионный передающий электронно-лучевой прибор с накоплением заряда, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте.

Динамический диапазон.

От матрицы требуется способность регистрировать свет как при ярком солнце, так и при слабом комнатном освещении. Поэтому потенциальные ямы матрицы должны быть весьма ёмкими, а также уметь, как удерживать минимальное количество электронов при слабой освещенности, так и вмещать большой заряд, получаемый при попадании на сенсор мощного светового потока. Да и изображение, формируемое объективом, зачастую состоит как из ярко освещенных участков, так и из глубоких теней, а сенсор должен уметь регистрировать все их оттенки.

Возможность сенсора формировать хорошей снимок при разной освещённости и высокой контрастности определяется параметром «динамический диапазон», характеризующим способность матрицы различать в изображении, проецируемом на её регистрирующую поверхность, самые темные тона от самых светлых. При расширении динамического диапазона количество оттенков снимка будет увеличиваться, а переходы между ними будут максимально соответствовать изображению, формируемому объективом.

Влияние динамического диапазона на качество кадра (А — широкий динамический диапазон, Б — узкий динамический диапазон)

Характеристика, описывающая способность ПЗС-элемента накопить определённой величины, называется «глубиной потенциальной ямы» (well depth), и именно от неё зависит динамический диапазон матрицы. Разумеется, при съёмке в условиях слабого освещения на динамический диапазон влияет также порог чувствительности, который, в свою очередь, определяется величиной темнового тока.

Очевидно, что потери электронов, составляющих фототок, происходят не только в процессе накопления заряда потенциальной ямы, но и при его транспортировке к выходу матрицы. Потери эти вызваны дрейфом электронов, «оторвавшихся» от основного заряда при его перетекании под следующий электрод переноса. Чем меньше количество «оторвавшихся» электронов, тем выше эффективность переноса заряда (charge transfer efficiency). Данный параметр измеряется в процентах и показывает долю заряда, сохранившуюся при «переправе» между ПЗС-элементами.

Влияние эффективности переноса можно продемонстрировать на следующем примере. Если для матрицы 1024 X 1024 величина данного параметра составит 98%, то чтобы определить значение фототока центрального пикселя на выходе матрицы необходимо 0,98 (объём переносимого заряда) возвести в степень 1024 (количество «переправ» между пикселями) и умножить на 100 (проценты). Результат совершенно неудовлетворительный — от исходного заряда останется каких-то 0.0000001 %. Очевидно, что при росте разрешения требования к эффективности переноса становятся ещё более жёсткими, так как количество «переправ» возрастает. Кроме того, падает скорость считывания кадра, потому что наращивание скорости переноса (для компенсации увеличившегося разрешения) ведёт к неприемлемому росту числа «оторвавшихся» электронов.

Для того чтобы достичь приемлемых скоростей считывания кадра при высокой эффективности переноса заряда при конструировании ПЗС-матрицы планируют «заглублённое» размещение потенциальных ям. Благодаря этому электроны не так активно «прилипают» к электродам переноса, и именно для «глубокого залегания» потенциальной ямы в конструкцию ПЗС-элемента вводят n-канал.

Возвращаясь к вышеприведённому примеру: если в данной матрице 1024 X 1024 эффективность переноса заряда составит 99.999 %, то на выходе сенсора от фототока центрального заряда останется 98.98 % его первоначальной величины. Если разрабатывается матрица с более высоким разрешением, то требуется эффективность переноса заряда 99,99999%.

Блюминг.

В тех случаях, когда внутренний фотоэффект приводит к избыточному количеству электронов, превышающему глубину потенциальной ямы, заряд ПЗС-элемента начинает «растекаться» по соседним пикселям. На снимках это явление, именуемое «блюмингом» (от английского blooming — размывание), отображается в виде пятен белого цвета и правильной формы, и чем больше избыточных электронов, тем крупнее пятна.

Подавление блюминга осуществляется посредством системы электронного дренажа (overflow drain), основная задача которой— отвод избыточных электронов из потенциальной ямы. Наиболее известны варианты вертикального дренажа (Vertical Overflow Drain, VOD) и бокового дренажа (Lateral Overflow Drain, VOD).

В системе с вертикальным дренажом на подложку матрицы подаётся потенциал, значение которого подбирается так, чтобы при переполнении глубины потенциальной ямы избыточные электроны вытекали из неё на подложку и там рассеивались. Минусом такого варианта является уменьшение глубины потенциальной ямы и, соответственно, сужение динамического диапазона ПЗС-элемента. Очевидно также, что данная система неприменима в матрицах с обратной засветкой.

Вертикальный электронный дренаж

Система с боковым дренажом использует электроды, препятствующие проникновению электронов потенциальной ямы в «дренажные канавки», из которых происходит рассеивание избыточного заряда. Потенциал на этих электродах подбирается в соответствии с барьером переполнения потенциальной ямы, при этом её глубина не меняется. Однако за счёт электродов дренажа сокращается светочувствительная площадь ПЗС-элемента, поэтому приходится использовать микролинзы.

Боковой электронный дренаж

Конечно, необходимость добавлять в сенсор дренажные устройства усложняет его конструкцию, однако искажения кадра, вносимые блюмингом, нельзя игнорировать. Да и электронный затвор невозможно реализовать без дренажа — он играет роль «шторки» при сверхкоротких выдержках, длительность которых меньше интервала, затрачиваемого на перенос заряда из основного параллельного регистра сдвига в буферный параллельный регистр. «Шторка», то есть дренаж, предотвращает проникновение в ямы буферных ПЗС-элементов тех электронов, что образовались в «светочувствительных» пикселях после того, как прошло заданное (и очень короткое) время экспонирования.

Залипшие» пиксели.

Из-за технологических погрешностей в некоторых ПЗС-элементах даже самая короткая выдержка ведёт к лавинообразному накоплению электронов в потенциальной яме. На снимке такие пиксели, именуемые «залипшими» (stuck pixels), очень сильно отличаются от окружающих точек, как по цвету, так и по яркости, причём, в отличие от шума фиксированного распределения, они появляются при любой выдержке и вне зависимости от нагрева матрицы.

Удаление залипших пикселей осуществляется посредством встроенного программного обеспечения камеры, обеспечивающего поиск дефектных ПЗС-элементов и запоминание их «координат» в энергонезависимой памяти. При формировании изображения значения дефектных пикселей в расчёт не берутся, их заменяют интерполированным значением соседних точек. Чтобы определить дефектность пиксела в процессе поиска, его заряд сравнивается с эталонным значением, которое тоже хранится в энергонезависимой памяти камеры.

Отношение сторон кадра.

Стандарт кадра 4:3 в основном применяется в любительских цифровых фотоаппаратах. Некоторые фирмы, например, CANON, выпускают в этих фотоаппаратах настройку соотношения сторон в диапазонах 4:3 и 16:9.
Стандарт кадра 3:2 применяется в зеркальных цифровых фотоаппаратах.
Выпускается незначительное число моделей с кадром 16:9.
В цифровых зеркальных фотоаппаратах Olympus используется матрица с соотношением сторон 4:3 (стандарт Four Thirds System).

Пропорции пикселя.

Выпускаются матрицы с тремя различными пропорциями пикселя: