Анатомия цифрового фотоаппарата: сенсоры

Сенсор – это кремниевый полупроводник, предназначенный для восприятия фотонов (света) и для трансформации фотонов в электроны. Сенсоры являются важнейшей частью цифровой камеры. Кроме того, сенсоры используются в сканерах, в астрономических приборах, в различных научных, военных и медицинских устройствах. Полученные электроны приводят к появлению напряжения. Затем оно измеряется и преобразуется в цифровые данные.

Для выполнения таких операций требуются очень сложные вычисления на микроскопическом уровне. Сенсоры стали разрабатывать в конце 60х – начале 70х годов. Их роль в современных цифровых видеоустройствах, ставших популярными последнее время, настолько велика, что дизайн сенсоров постоянно совершенствуется.

Несмотря на то, что ПЗС (прибор с зарядовой связью) был изобретен больше трёх десятков лет назад, он до сих пор остаётся золотым стандартом, эталоном, с которым сравниваются новые сенсоры. Мы подробно расскажем о том, как работают ПЗС сенсоры, и лишь немного коснемся работы КМОП.

Круги на полях, шпионы, парашюты.

Сенсоры стали разрабатывать для правительственных разведывательных и космических программам (правительства США, конечно же). Для шпионажа во время холодной войны требовались совершенные методы наблюдения. В частности, были запущены секретные спутники ЦРУ и ВВС США – Corona. Эти спутники были оснащены современнейшим по тому времени оборудованием – камерами серии KH, использующими специальные линзы и новые типы пленок. (Что интересно, в результате в массовое производство поступили пленки “майлар” – лавсан, Mylar).

Чтобы определить масштаб фотографии, использовались кукурузные поля Среднего Запада США, которые были специальным образом покошены. На них выкашивали довольно большие геометрические фигуры – чтобы можно было распознать из космоса. (Теперь понятно, откуда возникли эти таинственные круги, десятилетиями волновавшие читателей желтой прессы? Да, они имели отношение к космосу, но природу они имели вполне человеческую)

Как только пленка была отснята целиком, она в керамическом контейнере на парашюте катапультировалась на Землю – в районе Гавайев. Эти контейнеры подбирались ещё в воздухе самолетами C-119 ВВС США (так называемые “Летающие товарные вагоны” – Flying Boxcar). Специально для этого самолеты оснащались длинными крючками, прикрепленными к хвостовому оперению. Если пилот промахивался и не ловил контейнер, пленка попадала в Тихий Океан, где могла плавать ещё пару дней. Если в течение двух дней ВМС США не находили контейнер, под воздействием морской воды соляные пробки растворялись и контейнер вместе с содержимым погружался в океан – чтобы не нашел неприятель. Министерство обороны считало, что под водой шпионов нет. Но даже при таких мерах безопасности, по крайней мере один такой контейнер попал во вражеские руки.

Несмотря на такие случайные инциденты, спутниковое слежение было намного безопаснее, чем шпионаж с использованием самолетов или воздушных шаров – ведь спутник не так-то легко подстрелить. (Помните, в 1960 году над Уралом сбили американский разведывательный самолет У-2, пилотируемый Фрэнсисом Гэри Пауэрсом? Урал – уже далеко не граница) Так вот, процесс возвращения пленки – самый небезопасный из всей этой цепочки операций. Понятно, что надо было придумать какой-то выход из этой ситуации, и придумать как можно скорее.

Аналоговая аппаратура

Следующим технологическим новшеством в спутниковой фотографии стали обработка пленки на борту спутника, сканирование её с помощью светового луча, преобразование световых волн в аналоговый электрический сигнал, и последующая его передача на специальную приемную станцию на Земле. Как только сигналы оказывался на Земле, они преобразовывались назад в изображения. (Аналоговая система была похожа на ту, которой пользовались в Associated Press и в United Press International для передачи новостей и фотографий по проводам)

Но до сих пор доподлинно не известно, где, когда, и как в правительственных разведывательных и космических программах на смену аналоговым системам пришла цифровая фотография. До сих пор часть информации находится под грифом “секретно”. Где-то с начала 70-х вся космическая фотография постепенно начала переходить на цифру. При этом разрешение фотографий и качество улучшалось по экспоненте. Создавались действительно впечатляющие снимки вселенной. А качество цифровых фотографий, вроде тех, что получены на Земле с помощью усовершенствованной модели космического телескопа Hubble, было исключительным.

У цифровой фотографии нет точной даты рождения. Обычно считают, что цифровая фотография появилась в конце 60х, когда ученые обнаружили, что КМОП (комплементарный металло-оксидный полупроводник) может быть светочувствительным. Прибор с зарядовой связью (ПЗС, CCD) был изобретён в конце 1969 года Вильямом Бойлем (William S. Boyle) и Джорджем Смитом (George E. Smith), работавшими в лабораториях Bell. Так как качество изображения было очень высоким, эти приборы быстро вытеснили КМОП из цифрового обработки изображений. Однако отметим, ПЗС более чувствителен к излучению, нежели КМОП. А чем выше вы находитесь от поверхности Земли, тем больше излучение. Именно поэтому КМОП сенсоры не были забыты, и правительство штатов оплачивало исследования в этой области.

В нашей статье мы обратимся к этим удивительным технологиям и объясним с физической точки зрения, как с помощью кусочка кремния можно воссоздать изображение.

Несмотря на всё разнообразие технологий, в большинстве случаев в цифровых камерах используются либо КМОП, либо ПЗС сенсоры. Самым важным отличием между этими системами является способ перенесения электронов с сенсора. Кроме того, КМОП может осуществлять большее количество функций прямо на чипе. Тем не менее, начало у этих технологий общее, и что самое примечательное, первоначально, ни та, ни другая технология не имели никакого отношения к цифровой фотографии. Оба устройства представляли собой полупроводниковую память.

В 1966 году в лабораториях Bell была изобретена ЦМД-память (память на цилиндрических магнитных доменах, пузырьковая память, bubble memory). Предполагалось, что она будет энергонезависимой (то есть при выключения питания компьютера данные не теряются). Воодушевленные потенциалом этих устройств, ученые продолжили опыты с технологией ПЗС как с последовательными запоминающими устройствами. Но эта технология быстро устарела – стоило появиться более эффективной и быстрой энергонезависимой памяти, например, EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory – электронно-перепрограммируемая постоянная память). Тем не менее, как обнаружилось, ПЗС память обладает впечатляющими возможностями по переносу заряда, что сделало ее идеальным для сенсоров. Впервые в массовое производство ПЗС сенсоры были запущены в 1973 году. КМОП технология продолжала использоваться в памяти, обрабатывающих и других цифровых устройствах, что связано с ее низким энергопотреблением и высокой функциональностью. Технологии КМОП и ПЗС отличаются своей ценой, процессом производства и дальнейшими перспективами развития.

Больше и дешевле

ПЗС являются специализированными чипами и используются только для получения изображения. Производят эти чипы всего несколько фирм – дочерние компании таких гигантов как Sony, Philips, Kodak, Matsushita, Fuji и Sharp. В отличие от ПЗС, область применения КМОП устройств намного шире. Они используются как в процессорах персональных компьютеров, так и в подавляющем большинстве потребительской электроники. Так как в основном КМОП устройства изготавливаются большими партиями и по стандартному технологическому процессу, их производство обходится значительно дешевле.

Кроме дешевизны производства, КМОП устройства обладают целым рядом преимуществ. Так как архитектура КМОП позволяет производить обработку изображений и аналого-цифровые преобразования (АЦП – ADC) непосредственно на чипе, цифровые камеры и другие устройства, использующие КМОП технологию вместо ПЗС, в итоге оказываются значительно дешевле. КМОП сенсоры требуют меньше энергии, чем ПЗС, поэтому они более эффективны и не так дороги в эксплуатации. Кроме того, КМОП камерам не нужно столько лишних схем и плат – поэтому они могут быть величиной буквально с наперсток (или даже меньше).

Тем не менее, в системах, где самым важным считается качество, всё же используются ПЗС, так как они чувствительнее к свету, степень градации у них выше, а лишних шумов меньше.

В начале девяностых технология КМОП была существенно улучшена. Частично, причиной тому послужило развитие технологии вообще и технологии производства КМОП чипов в частности. Например, достижения сверхтонкой литографии и последующая миниатюризация транзисторов в интегральных схемах позволили соединять транзисторы в КМОП сенсорах более тонкими металлическими проводниками. При этом увеличилось количество кремния, на который попадают фотоны, что, в свою очередь, увеличило чувствительность сенсоров. Кроме того, уменьшилась и потребляемая мощность.

До недавних пор было мало шансов добиться высокого качества КМОП фотоаппаратов. Когда мы тестировали первые КМОП камеры Sound Vision and Vivitar, посторонние шумы на фотографиях были настолько заметны, что ровные вертикальные кромки небоскребов плыли, и создавалось ощущение, что здания таяли. Тем не менее, новая модель Canon D30, использовавшая корпус профессионального однообъективного зеркального фотоаппарата, показала, что КМОП технология уже достаточно хороша, чтобы заменить дорогую ПЗС. Вероятно, в ближайшие годы в любительских и в профессиональных камерах на смену ПЗС матрицам придут КМОП матрицы. Технология ПЗС, скорее всего ещё просуществует некоторое время на high-end рынке.

Кремний

Большинство сенсоров созданы на основе кремния. Когда фотоны ударяются о кремний, электроны в кремнии возбуждаются и ковалентная связь, удерживающая электроны в атомах кремния, нарушается. Количество высвободившихся электронов прямо пропорционально энергии или интенсивности света. В зависимости от способов контроля и измерения этого фотоэлектрического эффекта, существует несколько различных дизайнов сенсоров. Они различаются эффективностью и аккуратностью учета электронов.

Заметим, фотоны должны обладать достаточной энергией, чтобы разрушить ковалентные связи в атомах кремния, чтобы появились свободные электроны (или электронно-дырочные пары) То есть энергия фотонов должна быть больше, чем ширина запрещенной зоны кремния – 1,1 эВ. Это значит, что волны должны быть из видимой части спектра (400-750 нм) или близкие к инфракрасным (до 1100 нм) – только фотоны этих волн способны разрушить связи. Именно поэтому в качестве основы сенсоров для фотоаппаратов был выбран кремний. Волны длиной менее 400 нм могут быть поглощены структурой сенсора (подробнее об этом – ниже). Если фотоны не обладают требуемой энергией (длина таких волн обычно больше 1100 нм), то свободных электронов не возникает и фотоны не вызывают никакой реакции.

Формула энергии фотонов

В идеальных условиях зависимость между фотонами и электронами была бы прямой, и один фотон высвобождал бы ровно один электрон. В результате квантовый выход бы составлял сто процентов. Тем не менее, обычные сенсоры, используемые в цифровых камерах, не столь эффективны – один фотон высвобождает не один электрон, а меньше. (Хотя бывает, что фотоны невидимых волн могут высвободить даже более одного электрона) Но даже после того, как электроны освобождаются, нет гарантии того, что они будут учтены сенсором. Поэтому у сенсоров цифровых камер квантовая эффективность ниже ста процентов.

Ещё один важный фактор в достижении большей квантовой интенсивности – это качество и чистота кремниевой пластины. Кристаллы кремния “выращиваются”, и в зависимости от условий его производства определяется его качество. Если все кристаллические решетки расположены в одном направлении, то кремний лучше проводит электроны. (В будущем, возможно, кремний будут выращивать в космосе и тем самым негативный эффект от силы тяжести, которая мешает идеальному росту кристалла, исчезнет. Вероятнее всего, кристаллы в космосе будут производиться в ограниченных количествах – специально для тех случаев, когда требуется очень высокое качество. Кремниевые пластины, произведенные в космосе, скорее всего, будут дорогими и редкими).

Чистые и точные


Чистая комната

Получение полупроводников из кремния – довольно сложный процесс, требующий чистоты и микроскопической точности. Точность необходима в наложении на кремний фоторезистных масок. Затем кремний подвергается световой и температурной обработке, ионному легированию, дополнительным наслоениям и травлению.

“Легирование” кремния повышает его способность проводить электроны. Достигается это аккуратным внедрением примесей, создающих полюса зарядов. В качестве примесей используются бор (имеющий одним электроном меньше) и фосфор (имеющий на один электрон больше). Таким образом, бор создаёт на кремниевой решетке положительный заряд (или “дырки”) – такой полупроводник называется полупроводником p-типа или положительный метал-оксид-полупроводник (positive metal oxide semiconductor, PMOS). С примесью фосфора заряд проводника становится отрицательным – такой полупроводник называется полупроводником n-типа (negative metal oxide semiconductor NMOS). В различных архитектурах сенсоров полупроводники этих двух типов могут использоваться по-разному. Полупроводники p-типа притягивают отрицательно заряженные электроны, а n-типа – отталкивают. Такое взаимодействие создаёт ток электронов.

В КМОП устройствах имеются транзисторы обоих типов (p и n). Ключевой характеристикой КМОП устройств является незначительное потребление энергии, при простаивании (хранении единички или нолика) и высокое потребление энергии при переключении из одного состояния в другое.

Сенсор состоит из пикселей, то есть из множества светочувствительных элементов (photosites). Они обычно расположены в сетке – из столбцов и колонок. Структура этих элементов зависит от типа сенсора, но принцип их работы везде одинаков.

Светочувствительные области пикселя получают свет (фотоны) и преобразуют его в электроны. Такая светочувствительная область в английском языке имеет множество названий – photocapacitor, photogate или photodiode. По-русски она называется фотодиодом. Электроны, полученные в этом фотодиоде, накапливаются в зарядовом кармане (potential pixel well). Величина накопленного заряда зависит от интенсивности падающего на поверхность фотодиода света. Количество времени, в течение которого накапливается заряд, называется временем интеграции (integration time). Таким образом, светочувствительная область содержит частичку информации изображения в виде электрического заряда, полученного из падающего света.

Введение примесей

В производстве сенсоров светочувствительная область определяется примесями, использующимися для того, чтобы воспользоваться преимуществом зарядной емкости легированного кремния. Например, пиксель может состоять из кармана p-типа на подложке n-типа. Чем меньшее количество примесей использовано, тем больше разница потенциалов.

Пиксели что в КМОП, что в ПЗС матрицах – одинаковы, основные различия начинаются после того, как фотоны преобразуются в электроны. Отметим все же, что архитектура пикселей у различных производителей может быть неодинаковой. Например, Philips наносит на светочувствительный элемент очень тонкий слой кремния с примесями из мышьяка. У получившейся смеси, как и у бора, количество электронов меньше на один. Цель подобного рода операций – увеличение зарядной емкости пикселя.

Преломление света

В обычной фотопленке на пластиковую основу наносятся галоиды серебра – именно они реагируют на любой свет, падающий под любым углом. В отличие них, кремниевые пиксели реагируют на свет только в том случае, когда он падает под прямым углом (или близким к прямому). Это требуется для того, чтобы пиксели получали больший электрический заряд. Для обеспечения требуемого угла над каждым пикселем сенсора помещается специальная выпуклая микролинза. Именно таким образом корректируется угол падения света и увеличивается светочувствительность сенсора.

Во многих случаях, стоимость объектива фотоаппарата может быть значительно выше стоимости сенсора. Преимущество использования микролинз заключается в том, что при большой угловой чувствительности сенсора можно использовать дешевый небольшой объектив. Однако микролинзы используются далеко не во всех сенсорах.

Обычно микролинзы создаются путем нанесения резистного материала на сенсор. Затем относительно пикселей в этом материале протравливается сетка. При нагревании остатки оплавляются и принимают куполообразную форму. Форма и характеристики микролинзы зависят от толщины резистного слоя, температуры процесса и от подложки. Сенсор должен выполнять по меньшей мере пять основных операций – поглощать фотоны, преобразовывать их в заряд, накапливать его, передавать, и преобразовывать в напряжение. Оба типа сенсоров – и КМОП, и ПЗС – выполняют все пять операций. Первые три операции выполняются везде одинаково, но технологии отличаются передачей заряда и преобразованием заряда в напряжение.

Простота ПЗС

ПЗС, в отличие от КМОП, не способен совершать некоторые операции прямо на чипе, но то простое изящество, с которым ПЗС выполняет операции, обеспечивает изображению очень высокое качество. Но не думайте, что если на вашем фотоаппарате используется ПЗС матрица, качество картинки будет неподражаемым. Изображение из цифровой камеры – результат работы всех компонентов этой камеры, включая оптику, АЦП, обработку изображений, сенсор и все другие компоненты и процессы цифрового фотоаппарата. Отметим также, что многое зависит и от того, как все эти компоненты взаимодействуют между собой.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС) назван так из-за способа передачи заряда между светочувствительными элементами и в конечном итоге выводе заряда из сенсора. Заряды сдвигаются по матрице строчками сверху вниз. Это так называемая архитектура с параллельным (вертикальным) сдвиговым регистром. Таким образом, заряд передвигается вниз по строчкам сразу по множеству регистров. Заряды перемещаются “в связке” – когда перемещается одна из строчек зарядов, на освобождающееся место передвигаются все заряды из верхней строчки. Отсюда и такое название.

Что же происходит со строчкой, находящейся в нижней позиции? В действительности, последняя строчка представляет собой горизонтальный сдвиговый регистр (serial shift register) – при этом используется архитектура с последовательным выводом. В этой строчке все заряды последовательно покидают сенсор, при этом используется метод зарядовой связи (что указывает на порядок зарядов) и при этом освобождается место для новой строчки зарядов. Часто такой метод сравнивают с пожарной цепочкой – как в старинных пожарных командах.

Перед тем, как покинуть ПЗС сенсор, заряд каждого пикселя усиливается и на выходе получается аналоговый сигнал с различным напряжением. Перед обработкой этот сигнал пересылается на отдельный (вне чипа) аналого-цифровой преобразователь и получившиеся цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строчку изображения, полученного сенсором. В отличие от ОЗУ компьютера, где единичка или нолик представлены наличием или отсутствием заряда, ПЗС сохраняет этот заряд в аналоговой форме до тех пор, пока он не преобразуется АЦП.

Так как ПЗС лишь передает электрический заряд, используя процесс зарядовой связи, который обладает низким сопротивлением и меньше подвержен помехам других электронных компонентов, результирующий сигнал, как правило, содержит меньше различных шумов, по сравнению с сигналом КМОП сенсоров. Тем не менее, передаются далеко не все заряды – часть электронов безвозвратно теряется на пути между светочувствительными областями и выходом сенсора. Эффективность переноса заряда – это определяющая характеристика сенсора. Обычно, она предоставляется производителями сенсоров.

Затворы

Электроды – это проводники, по которым ток либо поступает, либо покидает электронное устройство. Они играют роль электронных ворот. В зависимости от того, какие функции электроды выполняют в ПЗС, они имеют различное название – пропускающие затворы (transfer gates), затворы управления экспозицией (exposure control gates) или затворы переполнения (overflow gates). В пропускающих затворах электроды получают тактовые импульсы различного напряжения, в результате чего заряд способен перемещаться от одной светочувствительной области к следующей. Это и перемещение строчки зарядов вниз на следующую строчку, и последовательное считывание зарядов с последней строчки. Электронный затвор, влияющий на время экспозиции – время интеграции электронного затвора сенсора (когда пиксель получает фотоны и вырабатывает электроны) управляется напряжением. А затворы переполнения используются для того, чтобы не допустить рассеивания электронов и уменьшить воздействие зарядов соседних пикселей.

Чаще всего электроды создаются из поликристаллического кремния. Компания Kodak представила новый тип электродов – из сплава индия и оксида олова (indium tin oxide, ITO). Считается, что такая технология позволяет улучшить процесс захвата электронов в светочувствительных областях, так как этот сплав прозрачнее поликристаллического кремния. Кроме того, избегается ещё один эффект – поликристаллический кремний может отражать или поглощать фотоны волн определенной длины.

Так как заряд в КМОП и в ПЗС устройствах передаётся по-разному, по-разному функционируют и электроды в этих матрицах. То есть в технологии КМОП не используется метод переноса с зарядовой связью. Поэтому и электроды в КМОП технологии применяются несколько иначе, чем в ПЗС. В КМОП матрицах электроды используются в пропускающих затворах у транзисторов на выходе сенсора и для уменьшения помех.

Как было упомянуто выше, основной функцией электродов является управление передачей заряда в ПЗС. Чтобы лучше вникнуть в суть дела и разобраться в их работе, мы сперва рассмотрим четырехфазный прибор с зарядовой связью, то есть прибор, где на каждый пиксель имеется четыре электрода. (В большинстве ПЗС используется несколько электродов/фаз, их число зависит от модели сенсора)

На первом электроде, как и на всех остальных, каждый пиксель получает одинаковое напряжение. Если электрод получает большое напряжение, под ним на кремниевой подложке, создаётся потенциальная яма. Если же электрод получает малое напряжение, то создаётся потенциальный барьер, который позволяет удерживать в потенциальной яме захваченные электроны (данные элемента изображения). Таким образом, при изменении напряжения, подаваемого на соседние электроды в определенные моменты времени, потенциальные ямы перемещаются с одного пикселя на другой. Таким образом и создаётся эффект “пожарной бригады”, описанный выше.

Так сложно это, или нет?

Четырехфазный процесс на самом деле прост, другое дело, что описать его словами бывает трудно.

В первый такт выключаются первый и второй электроды, и включаются третий и четвертый. Во второй такт включается первый электрод и выключается третий. Следом включается второй и выключается четвертый. На четвертом такте включается третий и выключается первый (в том числе и на следующем пикселе). Процесс затем повторяется вновь для передвижения заряда по сенсору.

Такая четырехфазная технология довольно популярна, так как при этом используется всего два слоя материала. Кроме того, компания Philips утверждает, что при таком решении используется, по крайней мере, половина зарядной емкости пикселя. К примеру, в трехфазовой архитектуре на хранение заряда отводится лишь 33 процента пикселя. Четырехфазная технология приводит и к большей емкости пикселя (общее число электронов, которые могут храниться в каждом пикселе, прежде чем он будет насыщен) по сравнению с устройствами с другими архитектурами.

ПЗС бывают четырёх типов: линейные (Linear), чересстрочные (Interline), полноформатные (Full-frame) и с покадровым переносом (Frame-Transfer).

Линейные ПЗС состоят из одной строчки пикселей. Для получения изображения ПЗС должна сосканировать каждую строчку изображения, последовательно выстраивая картину. Понятно, что в этом случае на получение изображения уйдет намного больше времени, чем если получать изображение сразу. Кроме того, в таких приборах понадобится дискретный электропривод, что ещё больше усложнит устройство системы и её эксплуатацию и может исказить изображение. Поэтому линейные ПЗС остались уже в прошлом, хотя некоторые до сих пор используются в планшетных сканерах и в сканерах цифровых камер.

Читайте также:  Визуалайзер со светодиодной подсветкой Nvidia что это

Остальные ПЗС (чересстрочного, полноформатного типа и с покадровым переносом) относятся к матричным ПЗС – все они состоят из нескольких рядов и колонок, создающих прямоугольную матрицу.

Чересстрочные ПЗС

Чересстрочная развертка позволяет электрическому заряду пикселя быстро перемещаться на соседствующую затененную область, по которой он строчка за строчкой двигался бы к горизонтальному сдвиговому регистру. Такое быстрое перемещение заряда из светочувствительной области позволяет ей быстрее принимать следующую порцию фотонов. В цифровых камерах такая быстрая готовность апертуры пикселя принимать следующую порцию данных изображения позволяет получать видеоизображение. Минусом в такой технологии, безусловно, можно считать значительное уменьшение светочувствительной области. По этой причине ограничивается возможная плотность пикселей (пресловутое разрешение). Для обеспечения более высокого разрешения, в ПЗС функционируют микролинзы, позволяющие лучшим образом направлять фотоны в светочувствительные области. Кроме этого, сенсоры с такой архитектурой довольно сложны в производстве. Обычно, чересстрочные сенсоры используются в потребительских цифровых камерах.

Полноформатные ПЗС

ПЗС с покадровым переносом заряда

ПЗС этого типа очень похожи на полноформатные ПЗС, отличие заключается в том, что они отводят половину матрицы для временного хранения электрического заряда. Такая затененная область называется ещё “матрицей хранения” (“Storage array”). Как только заканчивается период интеграции и в светочувствительных областях накапливается заряд, он быстро перемещается в матрицу хранения. Такие матрицы могут работать без задержки на использование механического затвора, что обеспечивает им очень высокую скорость захвата изображения. Но заряд не полностью успевает переместиться в матрицу хранения до наступления следующего периода интеграции. Вследствие такой нахлестки изображение получается размытым. Еще одни минусом таких ПЗС является значительно больший размер (а, значит, и более высокая цена), так как на кристалле необходимо кроме светочувствительных элементов располагать и матрицу хранения. Поэтому в некоторых случаях лучше использовать чересстрочные сенсоры, которые могут выполнять одновременную съемку и передачу информации с минимальным размытием изображения.

Хотя фирм, производящих ПЗС матрицы очень мало, конкуренция на этом рынке развернулась очень жестокая. И своих покупателей фирмы привлекают именно различиями в сенсорах. Поэтому не удивительно, что каждая из этих фирм работает над изменением и улучшением имеющихся архитектур ПЗС. Приведем несколько примеров.

Супер ПЗС (Super CCD) от Fuji использует уникальную сотовую архитектуру, в которой применяются восьмиугольные пиксели. Таким образом, увеличивается рабочая поверхность кремния и увеличивается плотность пикселей (количество пикселей в ПЗС). Кроме этого, восьмиугольная форма пикселей увеличивает и площадь светочувствительной поверхности. По утверждениям Fuji, в такой архитектуре кроме всего прочего становится лучше соотношение сигнал/шум, а также улучшается динамический диапазон. Отметим всё же, что когда в прошлом году мы протестировали первую модель фотоаппарата Fujifilm 4700 с сенсором Super CCD, мы были крайне разочарованы качеством полученных фотографий. Но последние модели камер Fujifilm были разработаны специально под сенсор Super CCD. По нашему мнению, изображения получились четче, чем у других подобных устройств, и мы остались довольны качеством фотографий.

Построчные или чересстрочные ПЗС?

Данные считываются с сенсора одним из двух методов – прогрессивным или чересстрочным. Это очень напоминает типы развертки в видеотехнике. Методы отличаются порядком поступления колонок данных ПЗС на горизонтальный сдвиговый регистр.

В построчном (прогрессивном) режиме колонки считываются точно друг за другом – так, как они считывались с изображения. Чересстрочные ПЗС считывают сначала все четные колонки, а затем нечетные. После этого, они восстанавливаются уже в устройстве обработки изображений.

Чересстрочные ПЗС, содержащие более одного мегапикселя (как правило, такие ПЗС используются в сенсорах цифровых камер) обычно считывают колонки чересстрочным методом – здесь один ряд электродов управляет вертикальной передачей заряда из двух строчек пикселей.

В идеале было бы неплохо получить сенсоры с качеством изображения как у ПЗС и с интеллектом как у КМОП. На данном этапе развития технологий это не представляется возможным. Тем не менее, компании Kodak удалось создать чересстрочный ПЗС (с чипом KAI 2020), который производит некоторую обработку изображений непосредственно на чипе. Для этого на сенсор помещены формирователи тактовых импульсов – чтобы производить двукратный коррелированный семплинг (double correlated sampling). Компания не называет такой сенсор интеллектуальным – ведь аналого-цифровые преобразования, равно как и обработка изображений – все же прерогатива КМОП сенсоров. Тем не менее, он вычисляет значение темнового тока (тот уровень шумов, существующий даже когда свет не попадает на сенсор), и вычитает его из имеющегося изображения. Это популярный метод, используемый в КМОП сенсорах для нейтрализации шумов и артефактов. В настоящее время, KAI 2020 – единственный серийно производящийся сенсор, который не используется в цифровых камерах. Он нашел себе применение в автоматизированном контроле или в управлении трафиком.

Технология ПЗС с покадровым переносом ядра от Philips была названа архитектурой True Frame. Кроме Philips данной архитектурой пользовалась Sanyo. В этих сенсорах область хранения закрывалась от света металлическим слоем и могла хранить лишь пятую часть зарядной емкости пикселя. Технология использовалась только для предварительного просмотра изображения в видоискателе и для получения общей информации о сцене, чтобы можно было определить выдержку и другие настройки. Если камера находилась в режиме предварительного просмотра или в режиме отслеживания, электроны быстро перемещались в область хранения. При этом большая их часть (точнее сказать, четыре пятых) попадала на кремниевую подложку и пропадала там. Но когда камера находилась в режиме съемки, все электроны быстро считывались, и ни один не перемещался на область хранения. Считывание производилось последовательным методом, а не чересстрочным, поэтому такое устройство выигрывало в скорости. Тогда как обычный чересстрочный ПЗС считывал изображение со скоростью 5-10 кадров в секунду, сенсор Philips, созданный по технологии с покадровым переносом работал со скоростью 30-60 кадров в секунду. Это соответствует скорости видео. Однако если бы не было затвора, мы бы наблюдали размытое изображение – сенсор бы не успевал отдавать заряд до поступления новой порции фотонов.

Технология КМОП, в отличие от ПЗС, позволяет осуществлять большее количество операций прямо на чипе. Кроме высвобождения электронов и их передачи, КМОП сенсоры могут также обрабатывать изображения, выделять контуры изображения, уменьшать помехи и производить аналого-цифровые преобразования. Более того, производители могут создавать программируемые КМОП сенсоры, то есть можно создать очень гибкое многофункциональное устройство.

Такой набор функций на одном чипе – основное преимущество технологии КМОП над ПЗС. При этом также сокращается количество различных внешних компонентов. Использование в цифровой камере КМОП сенсора позволяет в оставшееся место устанавливать другие чипы – например, цифровые сигнальные процессоры DSP и аналого-цифровые преобразователи. А так как КМОП устройства потребляют меньше энергии по сравнению с ПЗС, то выделяется меньше тепла, следовательно, появляется меньше различных помех тепловой природы.

Активные пиксели

Бум КМОП технологий начался в начале 90-х, когда впервые лаборатория ракетных двигателей NASA (Jet Propulsion Laboratory – JPL) успешно внедрила активные пиксельные сенсоры (Active Pixel Sensors – APS). Идея витала в воздухе ещё давно, но воплотить её в жизнь получилось лишь в 1993 году. В этой технологии у каждого пикселя появлялся свой считывающий транзисторный усилитель (readout amplifier transistor), что позволяло преобразовывать заряд в напряжение непосредственно на пикселе. Кроме того, появилась возможность для произвольного доступа к каждому пикселю сенсора – подобно тому, как работает оперативное запоминающее устройство.

Считывание заряда с активных пикселей КМОП сенсора производится по параллельной схеме. Это позволяет считывать сигнал с каждого пикселя или колонки пикселей напрямую. Такой произвольный доступ позволяет КМОП сенсору считывать не всю матрицу целиком, а лишь некоторые области. Этот метод называется методом оконного считывания (window-of-interest, windowing readout). КМОП сенсор способен также уменьшить размер изображения. По сравнению с ПЗС при этом также увеличивается скорость считывания (в ПЗС весь заряд выходит через единственный сдвиговый регистр).

Усиливающие схемы могут быть расположены в любом месте чипа, а не только на светочувствительной области. Это позволяет создавать несколько каскадов усиления по всему сенсору. Так, например, в темных условиях усилители могут “вытягивать” изображение целиком, а в иных случаях могут усиливать лишь определенные цвета – для баланса белого или для специальных художественных эффектов.

Из-за добавления дополнительных схем на чип, у КМОП сенсоров появляется существенный недостаток – создаются помехи – это и транзисторные, и диодные рассеивания, и эффект остаточного заряда. Устранением таких помех исследователи занимаются уже довольно долго. Но при этом нельзя недооценить главное достоинство КМОП сенсоров – они позволяют непосредственно на чипе устранять шум теневого тока из заряда перед тем, как передать его с сенсора.

Разнообразие КМОП архитектур объясняется возможностью сенсоров выполнять большое число различных функций.

Да будет цвет!

Сенсоры – это устройства, определяющие лишь градации серого (градации интенсивности света – от полностью белого до полностью черного). Чтобы камера могла различать цвета, на кремний с помощью процесса фотолитографии накладывается массив цветных фильтров. В тех сенсорах, где используются микролинзы, фильтры помещаются между линзами и фотоприемником. В сканерах, где используются трилинейные ПЗС (рядом расположенные три ПЗС, реагирующие соответственно на красный, синий и зеленый цвета), или в high-end цифровых камерах, где также используются три сенсора, на каждый сенсор фильтруется свет своего определенного цвета. (Заметим, что в некоторых камерах с несколькими сенсорами используются комбинации нескольких цветов в фильтрах, а не три стандартных). Но для устройств с одним сенсором, каковыми является большинство потребительских цифровых фотоаппаратов, для обработки различных цветов используются массивы цветных фильтров (color filter arrays, CFA).

Для того чтобы каждому пикселю соответствовал свой основной цвет, над ним помещается фильтр соответствующего цвета. Фотоны, прежде чем попасть на пиксель, сначала проходят через фильтр, который пропускает только волны своего цвета. Света другой длины будет просто поглощаться фильтром. Ученые определили, что любой цвет в спектре можно получить смешением всего нескольких основных цветов. В модели RGB таких цвета три.

Для каждого применения разрабатываются свои массивы цветных фильтров. Но в большинстве сенсоров цифровых камер наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера (Bayer pattern). Эта технология была изобретена в 70-х компанией Kodak, когда проводились исследования в области пространственного разделения. В этой системе фильтры расположены вперемежку, в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие фильтры расположены между зелеными.

Такое количественное соотношение объясняется строением человеческого глаза – он более чувствителен к зеленому свету. А шахматный порядок обеспечивает одинаковые по цвету изображения независимо от того, как вы держите камеру (вертикально или горизонтально). При чтении информации с такого сенсора, цвета записываются последовательно в строчках. Первая строчка должна быть BGBGBG, следующая – GRGRGR и т.д. Такая технология называется последовательной RGB (sequential RGB).

В ПЗС камерах совмещение всех трех сигналов воедино происходит не на сенсоре, а в устройстве формирования изображения, уже после того, как сигнал преобразован из аналогового вида в цифровой. В КМОП сенсорах это совмещение может происходить непосредственно на чипе. В любом случае, первичные цвета каждого фильтра математически интерполируются с учетом цветов соседних фильтров. Заметим, что в любом изображении большинство точек – это смешение основных цветов, и лишь немногие действительно представляют чистый красный, синий или зеленый цвет.

Например, чтобы определить, влияние соседних пикселей на цвет центрального при линейной интерполяции будет обрабатываться матрица пикселей размером 3х3. Возьмем, к примеру, простейший случай – три пикселя – с синим, красным и синим фильтрами, расположены в одной строчке (BRB). Предположим, вы пытаетесь получить результирующее значение цвета красного пикселя. Если все цвета равноправны, то цвет центрального пикселя вычисляется математически как две части синего к одной части красного. На самом же деле, алгоритмы даже простой линейной интерполяции намного более сложны, они учитывают значения всех окружающих пикселей. Если интерполяция происходит плохо, то получаются зубцы на границах смены цветов (или появляются цветовые артефакты).

Отметим, что слово “разрешение” в области цифровой графики употребляется некорректно. Пуристы (или педанты – кому как больше нравится), знакомые с фотографией и оптикой, знают, что разрешение – это мера способности человеческого глаза или прибора различать отдельные линии на сетке разрешений, например, на сетке ISO, показанной ниже. Но в компьютерной индустрии принято разрешением называть количество пикселей, и раз уж так повелось, мы также последуем этой конвенции. Ведь даже разработчики называют разрешением количество пикселей в сенсоре.

Посчитаем?

Размер файла изображения зависит от количества пикселей (разрешения). Чем больше пикселей, тем больше файл. Например, изображение сенсоров стандарта VGA (640х480 или 307200 активных пикселей) будет занимать в несжатом виде около 900 килобайт. (307200 пикселей по 3 байта (R-G-B) = 921600 байт, что примерно равно 900 килобайтам) Изображение 16 MP сенсора будет занимать около 48 мегабайт.

Казалось бы, что такого – сосчитать количество пикселей в сенсоре, чтобы определить размер получающегося изображения. Тем не менее, производители камер представляют кучу разных цифр, и каждый раз утверждают, что это и есть истинное разрешение камеры.

В общее число пикселей входят все пиксели, физически существующие в сенсоре. Но активными считаются только те, которые участвуют в получении изображения. Около пяти процентов всех пикселей не будут участвовать в получении изображения. Это либо дефектные пиксели, либо пиксели, использующиеся камерой по другому назначению. Например, могут существовать маски для определения уровня темнового тока или для определения формата кадра.

Формат кадра – соотношения между шириной и высотой сенсора. В некоторых сенсорах, например, с разрешением 640х480, это соотношение равно 1,34:1, что соответствует формату кадра большинства компьютерных мониторов. Это означает, что изображения, созданные такими сенсорами, будут точно укладываться в экран монитора, без предварительного кадрирования. Во многих аппаратах формат кадра соответствует формату традиционной 35-милиметровой пленки, где соотношение равно 1:1,5. Это позволяет делать снимки стандартного размера и формы.

Интерполяция разрешения

Кроме оптического разрешения (реальная способность пикселей реагировать на фотоны), существует также разрешение, увеличенное программно-аппаратным комплексом, с помощью интерполирующих алгоритмов. Как и в интерполяции цветов, в интерполяции разрешения математически анализируются данные соседних пикселей. При этом в результате интерполяции создаются промежуточные значения. Такое “внедрение” новых данных может производиться довольно гладко, при этом интерполированные данные будут чем-то средними, между реальными оптическими данными. Но иногда при такой операции могут возникать различные помехи, артефакты, появляться искажения, в результате которых качество изображения лишь ухудшится. Поэтому многие пессимисты считают, что интерполяция разрешения – это вовсе не способ улучшения качества изображений, а лишь метод увеличения файлов. При выборе устройства обращайте внимание, какое разрешение указано. Не стоит сильно радоваться высокому интерполированному разрешению. (Оно помечается как interpolated или enhanced).

Ещё один процесс обработки изображения на программном уровне – это субдискретизация (Sub-sampling). По сути, это процесс, обратный интерполяции. Этот процесс производится на стадии обработки изображения, уже после того, как данные преобразованы из аналогового цифровой вид. При этом удаляются данные различных пикселей. В КМОП сенсорах эту операцию можно провести на самом чипе, временно отключив считывание определенных строчек пикселей, или считывая данные лишь с избранных пикселей.

Субдискретизация выполняет две функции. Во-первых, для уплотнения данных – чтобы хранить больше снимков в памяти определенного размера. Чем меньше количество пикселей, тем меньше получается размер файла, и тем больше снимков вы сможете уместить на карточке памяти или во внутренней памяти устройства и тем реже вам придется скачивать фотографии на компьютер или менять карточки памяти.

Вторая функция этого процесса – создание изображений определенного размера для определенных целей. Камеры с 2MP сенсором вполне по зубам сделать снимок стандартной фотографии размером 8х10 дюймов. Но если вы попытаетесь переслать такую фотографию по почте, то это заметно увеличит размер письма. Субдискретизация позволяет обработать изображение так, чтобы оно нормально смотрелось на мониторах ваших друзей (если не ставить целью детализацию) и при этом отправлялось достаточно быстро даже на машинах с медленным соединением.

Теперь, когда мы ознакомились с принципами работы сенсоров, знаем, как получается изображение, давайте заглянем несколько глубже и затронем более сложные ситуации, возникающие при цифровой фотографии.

Коллизии фотонов

Электроны, вырабатываемые в результате фотоэлектрического эффекта, перемещаются по сенсору практически хаотически. На движение электронов влияет множество факторов – это и угол попадания фотона, и энергия фотона, и длина волны фотона, и расположение атомов кремния, и качество кремния, и количество слоев на матрице. Кроме того, влияют ещё и другие законы физики. В итоге электроны перемещаются беспорядочно, а не прямолинейно. Также факт высвобождения электрона вовсе не означает попадание этого электрона на пиксель – электрон может снова вернуться в кремний, а может направиться совершенно в другом направлении.

В зависимости от угла падения фотона, при прохождении массива цветных фильтров траектория может измениться, и фотон может попасть на фотодиод соседнего пикселя, а не на свой фотодиод. Это может привести к искажению заряда соседнего пикселя – такой эффект называется оптической перекрестной помехой (cross-pixel talk или optical crosstalk). К примеру, фотон, летевший на красный фильтр, после его прохождения попал на пиксель с зеленым фильтром. В результате искажается изображение (см. рисунок).

Результат такого эффекта нельзя устранить на стадии обработки изображения. Но с помощью специальных стенок между фильтрами этот эффект можно нейтрализовать. Например, Kodak и другие производители, для того, чтобы избежать такого эффекта, в массивах цветных фильтров используют черные перегородки. В других технологиях (к примеру, Philips) используют металлические щиты, которые расположены за фильтрами. Считается, что этот метод надежнее, чем черные границы в фильтрах. Но, во-первых, металл дороже стоит, во-вторых, занимает больше места, а в третьих, добавляет вес.

Электрические помехи объясняются свойствами света. Глубина проникновения фотона в кремний (прежде чем высвободится электрон) зависит от длины световой волны. (Помните, мы говорили, что если длина волны слишком большая, свет просто не задержится в кремнии) Чем короче волна, тем большей энергией обладают фотоны и тем скорее они высвободят электроны. Конечно, если длина волны не слишком коротка. В этом случае, фотоны просто отразятся от поверхности сенсора. Из основных цветов системы Байера, красный обладает максимальной диной волны (соответственно фотоны красного света обладают меньшей энергией), а длина синего цвета – самая короткая. Поэтому, когда фотоны проходят через красный фильтр, они проникают глубже в кремний, перед тем как высвободить электроны. Это может привести к неадекватной реакции на различные цвета, потерю заряда на подложке, а также к переходу электронов в другие пиксели. Как и оптические помехи, электрические помехи нельзя откорректировать на стадии обработки изображений, и посему должны быть предотвращены дизайном сенсора.

Помутнение

Помутнение – это самый распространенный побочный эффект. Пиксели могут накопить лишь ограниченное количество заряда. Этот параметр называется коэффициентом заполнения. При очень ярком свете электроны переполняют пиксель и попадают в соседние. По этой причине на изображении возникает яркое пятно или полоса, которые мы и называем расплыванием или помутнением.

Чтобы избавиться от этого эффекта создаются специальные перегородки и пиксели, способные забрать избыточные электроны и не допустить их дальнейшую обработку. К сожалению, перегородки занимают более 30 процентов полезной площади, при этом уменьшается чувствительность сенсора и квантовая эффективность. А так как цена – это главный сдерживающий фактор, то в некоторых случаях приходится мириться с такими недостатками.

Способность сенсора детализовать изображение при различных условиях освещенности определяется динамическим диапазоном. Чем шире этот диапазон, тем лучше сенсор.

Помехи

Соотношение сигнал/шум – также является важной характеристикой сенсора. Это соотношение можно определить по динамическому диапазону. Другими словами, не зная, как много посторонних помех или шумов возникает на сенсоре, вычислить динамический диапазон невозможно. Самое интересное, чтобы обеспечить ту же степень детализации при различной освещенности, что и у обыкновенной фотопленки, динамический диапазон сенсора должен быть больше, чем динамический диапазон пленки.

Итак, помехи в изображениях могут возникать по целому ряду вышеописанных причин. Кроме того, часто пиксели неравномерно реагируют на свет, таким образом, создаются зоны с разной чувствительностью. Это также можно рассматривать как помеху. Из всех этих шумов, пожалуй, самую негативную роль, особенно в связи с динамическим диапазоном, играют темновые токи. Темновой ток – это те нежелательные сигналы, вырабатываемые камерой в полной темноте – без всякого освещения, своеобразный фон.

Основная причина возникновения темнового тока – это примеси в кремниевой пластине или повреждение кристаллической решетки кремния. Чем чище кремний, тем меньше темновой ток. Отметим, однако, что при этом и камера становится дороже. Также, ток может возникать вследствие некорректного производственного процесса (например, от неправильного ионного легирования). Ток возникает и от нагревания (при увеличении температуры на 6-8 градусов, значение темнового тока удваивается)

Горячо – холодно

При продолжительной работе любой цифровой фотоаппарат нагревается. Поэтому в профессиональных цифровых камерах сенсор активно охлаждается – либо с помощью конвекции, либо элементом Пельтье, либо вентиляторами. В high-end сенсорах, предназначенных для высокоточных научных и астрономических наблюдений, используется жидкостное охлаждение.

Читайте также:  Размер монитора 27 дюймов в сантиметрах

Интересный компромисс наблюдается в фотоаппаратах с ЖК видоискателями, крепящимися к камере на шарнирах. Это решение удобно и для пользователей – так проще наводить фотоаппарат, но самое главное – таким образом от сенсора отдаляется негативный шум и тепло от ЖК экрана, а соответственно снижается и темновой ток.

Ещё один способ сокращения темнового тока – технология синхронизации режимов накопления (Accumulation Mode Clocking, также эту технологию называют MultiPinned Phase – MPP). При этом с помощью изменения напряжения “дырки” (положительные заряды) передвигаются по поверхности кремния и притягивают “заблудшие” свободные электроны – так предотвращается появление теневого тока. Подобным образом работают и диоды с накоплением “дырок” (Hole Accumulation Diode – HAD), добавляющие еще один слой к пикселю, притягивающий дырки.

Различные производители вычисляют динамический диапазон немного по-разному. Но вообще принято считать, что динамический диапазон (в децибелах) равен количеству электронов, которое может хранить пиксель (емкость пикселя, или глубина пикселя), деленному на темновой ток и шумы при считывании (также выраженные количеством электронов)

Компания Philips Semiconductors вполне разумно утверждает, что нельзя говорить о динамическом диапазоне, не упоминая при этом температуры. Иначе нетрудно запутать потребителя, так как нельзя будет сравнить динамические диапазоны двух разных производителей в связи с разными методами их расчета. Однако все производители могут использовать значение динамического диапазона в децибелах для определения битовой глубины сенсора. Например, если динамический диапазон равен 72 дБ, это означает, что отношение полной зарядной емкости к помехам – около 4096, и 12-битный АЦП может точно обработать такой сигнал (2 в 12 степени – как раз равно 4096) .

Любимые формулы

Обратимся к формуле. Предположим, что полная зарядная емкость составляет 40960 электронов, пусть помехи будут составлять 10 электронов. Поделив первое число на второе, получим 4096. Десятичный логарифм означает, в какую степень нужно возвести число 10, чтобы получить число искомое значение (в нашем случае – 4096). Итак, вычислив логарифм, получим, что показатель степени равен 3,61236. Помножив его на 20, мы получим динамический диапазон в 72,25 дБ, что приближенно равно 72 дБ.

Идея заключается в семплировании выходного сигнала сенсора с помощью АЦП с глубиной 8, 10, 12 бит и так далее, при этом можно получить столько оттенков серого, сколько позволяет динамический диапазон сигнала. При 10-битном семплировании таких градаций будет 1024, а при 12-битном – 4096. Но если динамический диапазон сигнала составляет всего 60 дБ, что примерно соответствует значению полная зарядная емкость/шум = 1024, или двойке в десятой степени, использовать 12-битный АЦП, способный определить 4096 градаций – все равно, что стрелять из пушки по воробьям. А при сэмплировании такого сигнала с динамическим диапазоном 60 дБ с помощью 8-битного АЦП какие-то оттенки будут отброшены – с восемью битами можно указать лишь 256 градаций. Следовательно, 10-битный АЦП окажется в самый раз.

Чем меньше размер пикселя, тем меньше его зарядная емкость, следовательно, тем меньше будет его возможный динамический диапазон. С другой стороны, слишком большие пиксели (с большей зарядной емкостью) далеко не всегда означают больший динамический диапазон, если только не нейтрализованы помехи. Ведь больший размер пикселей означает увеличение вероятности возникновения различных помех, шумов и артефактов. (Помехи возникают при неправильной интерпретации изображения пикселем или группой пикселей, при этом изображение искажается, например, на синем небе появляются красные точки. Каким бы ни был источник помех, результат всегда одинаков – искажается изображение).

Отношение размера сенсора к числу пикселей также влияет на величину шума. Если вы будете плотнее располагать пиксели на сенсоре, то вам придется уменьшать их размер, соответственно увеличивается вероятность электрических помех, что снижает динамический диапазон. Именно поэтому в высококлассных камерах используются сенсоры большего размера. Соответственно увеличивается и цена.

Сенсорам сейчас уделяется особое внимание – множество лабораторий разрабатывают все новые и новые дизайны этих устройств. Конечно же, люди желают, чтобы фотоаппараты были дешевле. При этом они также требуют и высокого качества изображений. Поэтому новые архитектуры сенсоров должны обладать повышенной чувствительностью и меньшим уровнем помех – чтобы был выше динамический диапазон. При этом размер пикселей должен быть минимальным.

Упаковка сенсора

О корпусе стоит поговорить отдельно – ведь он составляет третью часть от стоимости всего сенсора. В настоящее время сенсоры помещаются на керамическую подложку, а сверху закрываются стеклом. Эта технология довольно дорога. Кроме этого, такие сенсоры занимают в камере немало места. Производители понимают, что для корпусов необходимы более дешевые материалы, а размер сенсоров должен быть меньше. Но материалов с соответствующими характеристиками крайне мало, а создавать новые – не так-то просто.

В ближайшее время должны появиться новые технологии сенсоров. Такими разработками параллельно занимается несколько различных лабораторий, и все они решают одни и те же проблемы, используя различные вариации ПЗС и КМОП сенсоров.

Например, MOSAD-чип (Multiplexed OverSample AID), разработанный JPL по технологии Amain Technology является гибридом КМОП/ПЗС чипа. Пиксель выдает уже оцифрованное значение, полученное с помощью семплирования с высокой частотой (oversampling) на АЦП. По существу, измеряется избыток электронов на пикселе, а не их общее количество. Если существует избыток, чип ставит единичку, в противном случае – нолик. Это и называется оцифрованным видом. При этом не учитываются градации яркости, изображение получается черно-белым, но компания утверждает, что при большом значении модуляции монитора (то есть когда происходит быстрое мерцание черного и белого цветов) человеческий глаз будет добавлять к черно-белому изображению оттенки серого (или оттенки цвета, если изображение цветное). Кроме того, по утверждениям компании, получившееся таким образом изображение будет равномерным, в отличие от изображений с неравномерными шумами от КМОП сенсоров.

Сенсоры компании Pixim (Pixim’s Digital Pixel Sensor – CMOS DPS), разработанные в Стэнфордском университете (Stanford University), также считывают цифровые данные с каждого пикселя, используя параллельный АЦП на каждом пикселе. Компания утверждает, что при размещении АЦП в области формирования заряда постоянный шум практически устраняется. Кроме того, достигается большая скорость и меньшее потребление энергии по сравнению с традиционными КМОП сенсорами с активными пикселями.

Обе компании довольно молоды и их продукты пока что находятся лишь в стадии разработки. И что самое интересное, они не желают работать совместно, хотя и проводят исследования в одной области – считывании с пикселя цифрового сигнала. Явного преимущества какой-либо из них пока не наблюдается. Быть может, на смену этой технологии придут новые, а эта так и останется незамеченной.

Вот такой ширины

Размер пикселя и общий размер всего сенсора сильно влияют на стоимость камеры.

Чем больше светочувствительная область пикселя, тем больше света он может собрать и преобразовать в электроны. Но чем больше пиксели, тем больше места они занимают на сенсоре, тем меньше число пикселей на сенсоре и тем меньше разрешение камеры. С другой стороны, если меньший размер пикселей и увеличивает разрешение камеры, то их зарядная емкость снижается, что в свою очередь означает меньшую светочувствительность. Кроме того, увеличение количества пикселей в сенсоре может привести к возникновению помех.

Размер самого маленького на сегодняшний день ПЗС пикселя – 2,5 квадратных микрона. Но такие размеры больше подходят для цифровых видеокамер, а не для фотоаппаратов. Отметим, что на динамический диапазон влияет не только размер пикселя, но и его дизайн. Цифровой фотоаппарат должен обладать, по крайней мере, 10-битной глубиной цветопередачи, а это означает, что пиксели должны быть немногим больше, чем у существующих дизайнов. В настоящее время размер самых маленьких ПЗС пикселей для цифровых камер составляет 3,3 микрона, а в КМОП – около четырех микрон. Размер пикселей популярного сенсора Sony 3,3 MP составляет 3,45 микрона. Во многих бытовых цифровых аппаратах размер составляет в среднем 5 микрон. В новом ПЗС сенсоре Kodak 16,6 MP размер пикселя – 9 микрон, что обеспечивает ему больший динамический диапазон. Но такой сенсор отличается очень большим размером. В некоторых профессиональных сенсорах используются пиксели размером 12 микрон или даже больше.

Производители должны учитывать не только влияние размера пикселя на качество сенсора, но и количество чипов, которое можно вырезать из одной кремниевой пластины. Из одной 8” кремниевой вафли компания Philips получает буквально тысячи 0,25” VGA КМОП сенсоров. С другой стороны, из 6” пластины Kodak получает только 5 16MP сенсоров размером 33,6 х 37,8 мм. При этом увеличивается пустой расход кремния. (Представьте пять квадратных или прямоугольных чипов в круге – поймете, почему такой большой расход).

К тому же, большой размер сенсора влечет также увеличение размера объектива, а следовательно и всей камеры. А чем больше объектив, тем дороже камера. Подводя итог, отметим, что на цену и на размер камеры влияют характеристики используемого сенсора – число и размер пикселей, светочувствительность и разрешение.

Немного о стандартизации

Большинство камер оснащены ручной настройкой светочувствительности, которую иногда называют ISO, а иногда усилением (gain).

Светочувствительность пленки измеряется числами, определенными Международной организацией по стандартизации ISO. Было бы логично оценивать чувствительность сенсоров по этой же шкале несмотря на различия в технологиях. На светочувствительность сенсора влияют квантовая эффективность и размер пикселя (его емкость).

Чем больше число ISO, тем выше светочувствительность пленки или сенсора. Часто его называют “скоростью” ISO пленки, – ведь на самом деле пленка или сенсор с большим числом может быстрее захватывать изображение при меньшем свете. Если число недостаточно велико для данного освещения, придется увеличивать выдержку. При этом изображение может размываться или увеличиваться количество помех.

Но часто, когда мы упоминаем эквивалент ISO у сенсора, на самом деле мы имеем в виду усиление – способность сенсора электронным образом усиливать сигнал. Также как в фотопленке при увеличении этого числа увеличивается и зернистость, в сенсорах увеличивается вероятность появления помех. Поэтому приходится искать компромисс между светочувствительностью и качеством изображения.

Круг нерезкости (пятно рассеяния)

Каждое изображение состоит из множества точек и кругов, потому что лучи света, достигающие пленки/сенсора камеры всегда дают точку круглой формы. Эти круги или «размытые точки» могут быть маленькими или большими. Чем меньше эти круги нерезкости, тем более похожими на точку они воспринимаются нашими глазами. В принципе, Википедия определяет круг нерезкости (пятно рассеяния) как максимально допустимую степень размытия области, при которой она все еще будет восприниматься человеческим глазом как точка. Любая часть изображения – распечатано ли оно или отображается на мониторе компьютера – воспринимается нашими глазами размытым, если оно недостаточно четкое. Когда вы испытываете разочарование из-за размытой фотографии – это вызвано тем, что ваши глаза не могут найти на изображении достаточного количества деталей, поэтому мозг воспринимает его размытым, не в фокусе и т.д. Но если у вас плохое зрение и вы не можете определить разницу между резким и размытым изображением, значит, вы не можете видеть то, что другие могут. Вот почему тема круга нерезкости настолько неоднозначна и запутанна – она не учитывает, что ваше зрение может быть ниже принятого стандарта хорошего зрения (при котором человек способен различать 5 пар линий на миллиметр, при просмотре под углом 60 ° с расстояния в 25 см). Какое это имеет отношение к эквивалентности, спросите вы? Ну, круг нерезкости оказывает косвенное влияние на эквивалентность, поскольку он тесно связан с форматом печати и несколькими другими вещами.

Матрица цифрового фотоаппарата: типы, размер, разрешение, светочувствительность, чистка

Ни один фотоаппарат не может обойтись без матрицы. Современные модели оснащаются ей практически поголовно. Так произошло в момент, когда цифровые аналоги начали вытеснять устаревшие пленочные технологии.

Матрица фотоаппарата является одним из основных компонентов, без которых невозможна эксплуатация всего прибора в целом, ведь его роль если и не является ключевой, то, по крайней мере, может считаться одной из ведущих. Именно матрица отвечает за качество будущего снимка, цветопередачу, четкость, полноту кадра.

Как и другие важные элементы фототехники, матрица обладает рядом основных параметров, на которые обычно принято ориентироваться при выборе той или иной модели.

Типы матриц

Матрица цифрового фотоаппарата – это, в первую очередь, микросхема. Она преобразует световые лучи, которые, преломившись в системе линз и зеркал, попадают на нее.

В результате такого преображения получается электрический сигнал, который выводится в цифровом виде, образуя снимок. За весь этот процесс отвечают специальные фотодатчики, расположенные на самой плате.

Чем больше количество датчиков, чувствительных к свету, тем больше разрешение, и, как следствие, качество конечного снимка.

Встречаются матрицы следующих типов.

  1. ПЗС – тип матрицы фотоаппарата, который дословно расшифровывается как прибор зарядовой связи. В английском варианте – Charge-Coupled Device. Весьма известная аббревиатура, которая, впрочем, не так часто встречается в наши дни. Многие используют приборы, в основе которых лежат светодиоды, имеющие высокую светочувствительность, созданные на основе ПЗС системы, но, несмотря на широкую распространенность, данный вид микросхем все больше вытесняется более современным.
  2. КМОП-матрица. Формат матрицы, введенный в эксплуатацию в 2008 году. Впрочем, история создания данного формата уходит корнями в далекий 93-й, когда впервые была опробована технология APS. КМОП-матрица – это комплиментарный металл-оксид-полупроводник. Данная технология позволяет производить выборку отдельного пикселя почти так же, как и в стандартной системе памяти, к тому же, каждый пиксель оснащается дополнительным усилителем. Поскольку данная система является более современной, она зачастую оснащается автоматической подстройкой времени экспонирования каждого пикселя по отдельности. Данное улучшение позволяет получить полный кадр без потери боковых границ, а так же без потери верха и низа кадра. Полноразмерная матрица чаще всего бывает выполнена по технологии КМОП.
  3. Существует еще один тип матрицы – Live-MOS-матрица. Ее выпустила фирма «Панасоник». Данная микросхема функционирует при помощи технологии, в основе которых лежит МОП. МОП-матрица позволяет делать качественные профессиональные снимки без высокого уровня шума, а также исключает перегрев.

Физический размер матрицы

Размер матрицы фотоаппарата – одна из ее важнейших характеристик. Как правило, его указывают в дюймах в виде дроби. Больший размер подразумевает меньшее количество шумов на конечном снимке. К тому же, чем больше физический размер, тем больше световых лучей способна зарегистрировать матрица. Объем и количество лучей напрямую влияют на качество передачи оттенков и полутонов.

Кроп-фактор — это соотношение размеров кадра пленочного фотоаппарата 35 мм к размерам матрицы цифрового фотоаппарата. Все дело в том, что процесс создания цифровой матрицы довольно дорогостоящий, и поэтому производители постарались максимально сократить ее размер.

Чаще всего кроп-фактор используют для замера наиболее точного расстояния фокуса у объектива, устанавливая его на различные приборы. Здесь вступает в игру такое понятие, как эквивалентное фокусное расстояние (ЭФР), которое вычисляется путем умножения фокусного расстояния (ФР) на кроп-фактор.

Так, объектив с полнокадровой матрицей (кроп=1) и объективом с ФР 50 мм зафиксирует такое же по размерам изображение, как и кропнутая матрица 1,6 с объективом с ФР 30 мм. В этом случае можно сказать, что ЭФР у этих объективов одинаковое.

Ниже приведена таблица, в которой можно провести сравнение, как меняется ЭФР в зависимости от кроп-фактора.

Количество мегапикселей и разрешение матрицы

Матрица сама по себе является дискретной. Она состоит более чем из миллиона элементов, которые и преобразовывают световой поток, идущий от линз. В характеристике каждой модели фотоаппарата можно отыскать такой параметр матричной платы как количество светочувствительных элементов или разрешение матрицы, измеряемое в мегапикселях.

Правда, здесь есть и обратная зависимость. Если физический размер матрицы меньше, то и количество мегапикселей должно быть пропорционально меньше, в противном случае не удастся избежать эффекта дифракции: фотографии будут замыленными, без четкости.

Чем больше размер пикселя, тем больше он способен зафиксировать лучей, падающих на него. Размер пикселей напрямую связан с размерами матрицы, и влияет, в основном, на широту кадра.

Чем больше количество мегапикселей с правильным соотношением размеров матрицы, тем больше лучей света смогу уловить датчики.

Количество зафиксированных лучей напрямую влияет на исходные параметры преобразуемого материала: резкость, цветность, объем, контрастность, фокус.

Таким образом, разрешение фотокамеры влияет на качество снимка. Зависимость разрешения от объема использующихся пикселей очевидна. В объективе при помощи сложной расстановки оптических элементов формируется необходимый световой поток, который потом матрица поделит на пиксели.

Оптические приборы тоже обладают собственным разрешением. Более того, если разрешение объектива достаточно мало, а передача двух светящихся точек, разделяемых одной темной, происходит как единого целого, то разрешение будет не столь отчетливо выделяться.

Происходит это именно из-за прямой зависимости и привязки к числу мегапикселей.

Если говорить о разрешении современных цифровых микросхем, то оно складывается из размера пикселя (от 2 до 8 мкм). На сегодняшний день на рынке представлены модели с показателями до 30 мп.

Светочувствительность

В фотоаппаратах по отношению к матрице принято использовать термин эквивалентной чувствительности. Связано это с тем, что подлинную чувствительность можно измерять различными способами в зависимости от множества параметров матрицы. Зато, применив усиление сигнала и цифровую обработку, пользователь может обнаружить высокие пределы чувствительности.

Параметры светочувствительности демонстрируют возможность исходного материала преобразовываться из электромагнитных воздействий потока света в электрический двоичный сигнал. Проще говоря, показывать, сколько требуется света для получения объективного уровня электрического импульса на выходе.

Параметр чувствительности (ISO) чаще всего используется фотографами для демонстрации возможности съемки в условиях плохого освещения.

Увеличение чувствительности в параметрах прибора позволяет улучшить качество конечного снимка при необходимом значении диафрагмы и выдержки. ISO может достигать значения от нескольких десятков до тысяч и десятков тысяч единиц.

Негативной стороной высоких значений светочувствительности является появление «шумов», которые проявляются в виде эффекта зернистости кадра.

Как проводить чистку матрицы в домашних условиях

Битые пиксели не всегда могут быть таковыми на самом деле. В действительности, когда происходит смена объектива, на матрицу могут попасть частицы мусора, вызывающие эффект «битого пикселя». Чистка матрицы фотоаппарата нужна для профилактики этого эффекта, а также для более комфортной работы с прибором.

Со временем, в особенности, если устройство эксплуатируется подолгу в различных погодных условиях, матрица может покрыться слоем пыли.

При нарушении герметичности в области крепления объектива на поверхность может попасть небольшое количество влаги, что тоже может негативно сказаться на качестве кадра.

Чистку можно доверить профессионалам из сервисного центра, а можно провести и самостоятельно, в домашних условиях.

Первый и самый простой способ очистки стеклянной поверхности кремниевой пластины микросхемы – сдувание пыли.

Для этого следует использовать самую обычную грушу для чистки объективов, она продается в любом крупном магазине бытовой техники. К сожалению, использование груши помогает только при снятии легкого налета небольших песчинок пыли.

Для более крупных частиц, которые могли прилипнуть к поверхности, может потребоваться что-то более основательное.

Если груша не помогла справиться с пятнами на матрице, можно попробовать использовать специальный набор для очистки стеклянной поверхности. Стоит он несколько дороже, но эффективность очистки значительно выше.

  1. Первый пункт в очистке – использование специального пылесоса. Его сборка не занимает много времени и детально описана в инструкции к набору. На конце устройства находится мягкий наконечник, так что повреждение прибора во время работы исключено. Лучше всего будет прочистить при помощи пылесоса не только стеклянную поверхность, но и все скрытые полости, доступные для чистки.
  2. После уборки при помощи пылесоса можно начинать влажную уборку. Она осуществляется при помощи специальных щеточек, одна из которых влажная, другая сухая. Этот вид уборки нужен для пылинок, которые, будучи мокрыми, попали на поверхность стекла, и, высохнув, прикрепились к нему, создав эффект «битого пикселя». Влажная щетка пропитана специальным раствором, который эффективно удаляет засохшие песчинки и пылинки, не оставляя пятен и разводов. Необходимо проводить по стеклу плавными аккуратными движениями, лишь слегка нажимая на саму щетку. Оставшаяся влага довольно быстро испарится сама. Даже если после влажной уборки на стекле остается пара капель, то они прекрасно удаляются сухой щеточкой (кисточкой).
  3. Третий этап – финальный, проводим сухой щеточкой по матрице и убеждаемся, что она чистая.

После очистки можно попробовать сделать тестовый снимок, чтобы убедиться, что процедура прошла успешно. Для этого необходимо закрыть диафрагму до максимального значения и сделать снимок чистого белого листа, приведя объектив в состояние полной расфокусировки. Затем сравнить качество снимков до и после.

Почистить матрицу зеркального фотоаппарата довольно просто, для этого не требуется каких-то глубоких знаний или большого опыта, достаточно желания, немного терпения и знания базовых принципов очистки высокоточной оптической техники.

Заключение

Матрица фотоаппарата является важнейшей деталью любой современной зеркалки. Без нее невозможно сделать снимок, а от ее параметров зависит дальнейшее использование устройства. Если параметры матрицы выбраны неправильно, фотоаппарат не будет оптимально справляться со своими задачами. Матрица не требует какого-то дополнительного ухода, кроме периодической чистки стеклянной поверхности.

Как выбрать смартфон с лучшей камерой. 5 параметров, на которые стоит обратить внимание

Видео © LIFE / Татьяна Руденко

Необходимых модуля три: основной, телефото и ультраширокоугольный. Это минимальный набор для съёмки с разными углами обзора и увеличением. Ультраширокоугольный модуль позволяет захватить больше объектов, а телефото — снимать с увеличением в высоком качестве.

Это не единственный вариант набора камер. В Xiaomi Mi Note 10 два телефотосенсора — с двукратным и пятикратным увеличением. Это позволяет снимать без потери качества с разными зумами.

Читайте также:  Цифровое аудио HDMI не подключено что делать

Фото © LIFE / Татьяна Руденко

Фото © LIFE / Татьяна Руденко

Кроме того, в смартфоны среднего класса принято добавлять макромодули для съёмки мелких объектов на расстоянии до пяти миллиметров. Только это бесполезный модуль. Как правило, у них посредственная детализация и слабо работает автофокус. Практичнее делать макрофото с ультраширокоугольного сенсора. В общем, другие модули совершенно не обязательны.

Оптимальное значение: три камеры — основная, ультраширокоугольная и телефото.

Оптический зум. Больше — не значит лучше

Обзор камер Huawei P40 Pro. В каких условиях он обошёл iPhone 11

Оптимальный — трёхкратный. Этого достаточно, чтобы захватить объект вдали и получить качественную фотографию с низкой потерей качества. Альтернатива — двукратный и пятикратный, но они менее практичны.

У двукратного оптического зума есть один минус: если в смартфоне стоит сенсор с таким параметром, в портретном режиме устройство снимает именно с него. А любой телефотомодуль по качеству хуже основного. Из-за этого возникают проблемы с балансом белого, задний план слабо детализируется, хуже работает HDR.

Видео © LIFE / Татьяна Руденко

Пятикратный зум — тоже неуниверсальное решение. С ним получаются эффектные фотографии объектов вдали с высокой детализацией. При этом при двукратном, трёхкратном и четырёхкратном увеличении работает цифровой зум — изображение обрезается программно, и качество получается ниже, чем с телефотомодуля. Кроме того, сценариев использования пятикратного увеличения гораздо меньше, чем у двукратного и трёхкратного.

Оптимальное значение: трёхкратный.

Количество мегапикселей — важное значение. Но это не главное

Huawei P40 убил iPhone SE и Galaxy S20. Он лучший по двум причинам, но с большим недостатком

Количество мегапикселей имеет значение, но это далеко не единственное, что влияет на качество. Размер пикселей, цветовая модель, программное обеспечение, в частности HDR, — всё это имеет не меньшее значение.

Количество мегапикселей влияет на детализацию изображения. Сделайте две одинаковые фотографии в разрешении 48 Мп и 12 Мп. На первый взгляд они одинаковые. Но увеличьте изображения. В первом случае картинка будет гораздо более детализированной.

Оптимальное значение: 48 Мпикс. Но камера должна быть хороша и по другим параметрам.

Ночной режим обязателен

Xiaomi Mi 10 — не флагман, но камера интересная. Почему его можно брать только на AliExpress

Тренд последних трёх лет — съёмка при недостаточной освещённости. Фотографии в высоком качестве получаются благодаря специальному ночному режиму. В противном случае снимку не хватает детализации и динамического диапазона.

В нём фотография получается благодаря следующему алгоритму: камера делает серию снимков с разной экспозицией (поэтому для получения снимка нужно статично держать смартфон до восьми секунд, в зависимости от условий), затем накладывает их друг на друга и вытягивает значение яркости на максимум. Получается так, что камера смартфона видит то, чего не разглядит человеческий глаз.

Светосила. Чем меньше, тем лучше

Гаджеты. Главное по теме

Скорее всего, вы даже не знаете, о чём идёт речь. Но если вы покупаете фотофлагман, стоит изучить этот момент. От него зависит, как камера будет вести себя при недостаточной освещённости.

Чем меньше значение, тем лучше — тем больше света попадает на матрицу. Например, f/1,6 лучше f/2,4. В первом случае матрица пропустит больше света. Это, пожалуй, единственное, на что влияет диафрагма в камере смартфона.

Фото © LIFE / Татьяна Руденко

Фото © LIFE / Татьяна Руденко

В мире серьёзной фототехники она прямо влияет на глубину резкости — путём увеличения апертуры размывается фон и получается эффект боке. Но это не касается смартфонов, тут задний план размывается строго программно.

Основные характеристики камер смартфонов

Характеристики камеры смартфона по сути не отличаются от характеристик любой цифровой камеры. Но нужно понимать, за что отвечает тот или иной параметр.

Мегапиксели

Именно им в рекламных кампаниях производители уделяют больше всего внимания. Пиксель — это светочувствительный элемент на сенсоре камеры, или фотодиод. Он состоит из четырёх субпикселей, каждый из которых за счёт светофильтров пропускает только свет своего оттенка. Чаще всего это красный, синий и зелёный. Из комбинации этих цветов и получается точка необходимого оттенка и нужной яркости.

Некоторые производители отходят от наиболее популярной схемы и к светофильтрам красного, синего и зелёного цветов добавляют белый или жёлтый. В таком случае фотодиод улавливает больше света и изображения получаются более яркими.

Мегапиксели показывают, с каким разрешением камера способна снимать фотографии, то есть из скольки миллионов пикселей будет состоять конечное изображение.

Сегодня многие производители представляют смартфоны с камерами на 48, 64 или 108 Мп, которые работают в режиме объединения точек. В таких сенсорах пиксели состоят не из четырёх, а из 16 субпикселей, объединённых по четыре. Если в классическом сенсоре, например, один пиксель состоит из одного синего, двух зелёных и одного красного субпикселя, то в камерах с высоким разрешением он состоит из четырёх синих, восьми зеленых и четырёх красных субпикселей.

Характеристики камер смартфонов: пиксели

Изображение: Алина Ранд / Лайфхакер

За счёт увеличения числа пикселей повышается светочувствительность и вырастает динамический диапазон изображения — разница между самым тёмным и самым светлым участком на фотографии. Но при этом камеры на 48 Мп за счёт такого объединения по факту создают изображения с разрешением в 12 Мп. И тут нет ничего плохого: это тот случай, когда количество переходит в качество, и снимков с разрешением 4 000 × 3 000 (те самые 12 Мп) вполне достаточно для публикации в соцсетях.

Размер сенсора

Пожалуй, это самый важный элемент камеры смартфона. Размер сенсора показывает, на какой площади расположились светочувствительные диоды. Чем крупнее сенсор, тем больше могут быть сами пиксели, а чем больше пиксель, тем лучше он улавливает свет. Типичные размеры пикселей в современных сенсорах мобильных камер — от 0,8 до 2,4 мкм, правда, последний как раз и достигается объединением субпикселей, о котором мы рассказали в предыдущем пункте.

Чем больше света может поймать сенсор, тем лучше будут изображения, созданные камерой. Особенно это важно при съёмке в условиях плохого освещения. И в такой ситуации может оказаться, что сенсор с меньшим числом более крупных пикселей выдаст изображение качественнее, чем сенсор с большим числом менее крупных пикселей, потому что каждый фотодиод поймал больше света и, соответственно, больше информации.

То есть камера, у которой в характеристиках указано меньше пикселей, может превзойти по качеству камеру с огромным числом пикселей за счёт того, что сами пиксели крупнее.

В современных смартфонах габариты сенсоров указываются в дробных частях дюйма. Самый крупный сенсор — 50‑мегапиксельный Samsung ISOCELL GN2 — установлен в Xiaomi Mi 11 Ultra: его диагональ составляет 1/1,12 дюйма.

Характеристики камер смартфонов: Xiaomi

Изображение: Xiaomi

Объективы

Немалое влияние на качество изображения оказывают используемые объективы. Они состоят из линз — прозрачных пластинок с определёнными оптическими свойствами. Основная функция линзы — правильным образом исказить попадающий на неё луч света. Тип искажения зависит от формы пластины.

Объективы чаще всего состоят из нескольких линз, поскольку одной недостаточно. Между собой чередуются выгнутые и вогнутые линзы разной плотности. Их правильный подбор и расположение в объективе влияют на чёткость изображения и контрастность. С кривыми линзами можно получить оптические искажения. В некоторых линзах, например широкоугольных, искажения, наоборот, стали стилистической особенностью. Правда, некоторые устройства программно их корректируют на этапе постобработки.

В современных смартфонах модули камер состоят из нескольких объективов, у каждого из которых свой сенсор, подходящий под определённую задачу. Чаще всего это стандартный, широкоугольный и макрообъектив. При этом нельзя сказать, что смартфоны с несколькими объективами снимают заведомо лучше, чем с одним: это зависит от реализации конкретного устройства. Может случиться так, что среди множества камер в одном модуле ни одна не даст приемлемого результата и количество не перейдёт в качество.

Фокусное расстояние и апертура

Чем ниже фокусное расстояние, тем выше угол обзора объектива, и наоборот — объективы с высоким фокусным расстоянием снимают далеко, но при этом с малым углом обзора.

Апертура показывает, сколько света попадает на сенсор камеры через линзу. У большинства смартфонов апертура фиксированная, она представляет собой соотношение фокусного расстояния к размеру входного отверстия камеры.

Чем больше света попадает на сенсор и чем больше входное отверстие камеры, тем меньше глубина резкости, то есть в фокусе будет только объект съёмки, а фон за ним будет размыт.

Чтобы увеличить глубину резкости, нужно уменьшить входное отверстие, правда, с этим понизится и яркость. В смартфонах это чаще всего достигается программным образом. Однако в современных устройствах используются модули с несколькими объективами — с линзами разных размеров, разными фокусными расстояниями и апертурами. Поэтому вместо того, чтобы полагаться на программную обработку, можно переключаться между объективами.

Характеристики камер смартфонов: НТС

Изображение: HTC

Сегодня смартфоны оснащены продвинутыми системами автоматической фокусировки. Например, в технологии PDAF часть точек на сенсоре камеры используется в качестве фокусных. Два находящихся рядом пикселя расположены так, что один из них воспринимает световой поток, идущий сверху, а другой — снизу, и система корректирует фокусировку в том случае, если на пиксели падает разное количество света.

alt=”Характеристики камер смартфонов: система фокусировки Sony 2×2 OCL.” width=”630″ height=”315″ />Система фокусировки Sony 2×2 OCL. Изображение: Sony

Также есть лазерная и автофокусировка, основанная на контрастности. Некоторые компании используют в камерах технологии, которые позволяют фокусироваться на конкретных объектах в кадре, например распознают лица и делают их более чёткими.

Зум показывает, насколько можно приблизить изображение. Существуют два варианта зума: цифровой и оптический. Цифровой попросту увеличивает и обрезает полноразмерное изображение. Оптический же для увеличения использует специальные объективы, которые за счёт правильной системы линз могут смотреть далеко.

С развитием камер в смартфонах всё чаще начали появляться модули с оптическим зумом — обычно 2X или 3X. Однако есть и варианты, которые производители называют перископами. Такие объективы используют систему из линз и зеркал, расположенных в корпусе смартфона боком, и за счёт них можно получить, например, пятикратный зум. То, насколько сильно можно приблизить изображение, зависит от фокусного расстояния.

Характеристики камер смартфонов: Huawei

Изображение: Huawei

Максимальный оптический зум, который сегодня предлагают смартфоны, — 10‑кратный. Он встречается в Huawei P40 Pro+ (именно в нём использован тот самый «перископ») и в отдельных объективах Samsung Galaxy S21 Ultra. Для тех случаев, когда такой сильный зум не нужен, у этих смартфонов также предусмотрены объективы с меньшим увеличением — трёхкратным.

Вспомогательные датчики

Датчики света, глубины, дальномеры, лидары — все эти системы помогают смартфону понять, где расположены фотографируемые объекты, как они освещены, двигаются или нет. Полученные данные смартфон использует и в видоискателе, и в процессе постобработки, достраивая и редактируя изображение.

Разрешение датчиков далеко не самый важный параметр: для качественного выполнения своих функций им достаточно совсем небольшого количества пикселей. Поэтому не стоит удивляться, увидев, например, датчик глубины с разрешением 2 Мп: для его работы их хватает.

Разрешение и частота кадров видео

Разрешение видео показывает, сколько пикселей будет содержаться в одном кадре. А частота кадров — сколько таких кадров в секунду будет снято.

С ростом пикселей улучшается детализация и чёткость изображения. С увеличением частоты кадров уменьшается эффект размытия, видео выглядит чётче и лучше воспринимается человеческим глазом. Более того, видео, снятое с высокой частотой кадров, затем можно замедлить до привычных 24 кадров в секунду и получить интересный эффект слоу‑мо.

HDR означает «высокий динамический диапазон», то есть большую разницу между самыми тёмными и самыми светлыми участками изображения. Камера в HDR‑режиме делает несколько снимков (в случае съёмки видео — кадров) с разной экспозицией и потом их объединяет, балансируя светлые и тёмные участки. За счёт этого удаётся достичь более высокой контрастности и детальности изображения.

Фокусное расстояние

Фокусным называют расстояние от оптического центра объектива до плоскости изображения, в телефонных камерах это означает до датчика изображения.

При масштабировании изменяется оптический центр зум-объектива, поэтому изменяется и значение фокусного расстояния. ФР также говорит нам об угле зрения, что особенно важно. Для простоты, смотрите на эквивалентное фокусное расстояние объектива, которое учитывает размер датчика и даёт вам ФР в 35 мм эквиваленте. Такой показатель можно сравнить среди различных фотокамер.

Эквивалентное фокусное расстояние говорит о том, насколько широк объектив. Вы можете использовать этот конвертер, чтобы понимать о каком угле обзора идёт речь при определённом ФР в 35-мм эквиваленте. Чем короче фокусное расстояние, тем шире поле зрения.

• iPhone 6 / iPhone 6 Plus: 29 мм (в 35 мм эквиваленте)
• Galaxy S5: 31 мм (в 35 мм эквиваленте)

Можно сказать, что с iPhone 6 и iPhone 6 Plus поле зрения шире, так как 29 мм переводится в 73.4 градуса, а 31 мм – в 69.8 градусов.

Камера в смартфоне

При меньшем значении фокусного расстояния фотокамера может охватывать более широкую область сцены (по вертикали и горизонтали). Это очень удобно для съёмки групповых кадров, интерьеров, архитектуры, селфи и т.д. Вот почему производители смартфонов наделяют объектив фронтальной камеры меньшим фокусным расстоянием, – чтобы сделать её более подходящей для автопортретов.

Камера в смартфоне

Объективы с фиксированным фокусным расстоянием называют «фиксами». Это означает, что в фотокамере нет масштабирования.

В смартфонах Galaxy Zoom переменное фокусное расстояние. Например, Galaxy S4 Zoom оснащён объективом 24-240 мм F/3.1-6.4. Таким образом, 24 мм – это фокусное расстояние на широком угле, а 240 мм – на теле-конце. Конечно, диафрагма, как мы упоминали выше, максимально открыта в широкоугольном положении и минимально на теле-конце.

Видео Майка Брауна.

К слову, оптический зум рассчитывают путём деления максимального фокусного расстояния на кратчайшее. Например, в случае S4 Zoom мы делим 240 на 24 и получаем 10. Другими словами, S4 Zoom обладает 10-кратным оптическим зумом.

Больше – не значит лучше

Конечно, если вы зайдете в магазин бытовой техники, позовете консультанта и попросите помочь вам с выбором фотоаппарата, возможно и услышите один из аргументов для покупки той или иной модели – большее количество мегапикселей разрешения матрицы. Но все же это и правда не влияет на качество изображение, а лишь только на его размер. Физическое же отличие одной матрицы от другой характеризуется в ее размере и величине этих отдельных пикселей. Таким образом, компакт с 14 мигапикселями и дорогая зеркалка с 14 мегапикселями имеют совершенно разные матрицы, да и вообще состоят из разных элементов. Отсюда и кардинальное отличие в цене.

Вспышка

В камерах смартфонов есть различные типы вспышек, наиболее популярными из которых являются светодиодные. Эти светодиоды являются энергосберегающими и могут обеспечить непрерывное освещение.

Двойная светодиодная вспышка обеспечивает решение проблемы тона светодиодной вспышки благодаря использованию двух светодиодов разной цветовой температуры. Благодаря двойной светодиодной вспышке программное обеспечение телефона рассчитывает баланс между «теплым» и «холодным» светодиодами, чтобы создать вспышку, которая лучше подходит для окружающего освещения.

Другими вариантами этой системы вспышек являются тройная светодиодная и четырех светодиодная вспышка. Они работают аналогично двойной светодиодной вспышке. Некоторые производители дали специальные названия для своих технологий, таких как вспышка True Tone от Apple.

Апертура, Выдержка, ISO

Другим часто упоминаемым в описании камер смартфонов параметром является апертура. Название термина происходит от латинского слова apertura – отверстие. Упрощенно апертуру можно охарактеризовать как величину открытия диафрагмы объектива, через которую световой поток попадает на матрицу. Обратите внимание, величина апертуры характеризует не только количество света попадающего на матрицу, но и глубину резкости. При больших значениях апертуры (например, f/1.4) в фокусе будет только объект съемки, а фон будет размытый. В тоже время на малых значениях глубина резкости будет больше, а в резкости будет не только объект съемки, но и фон.

Говоря о классических параметрах фотокамер нельзя не упомянуть и о выдержке. Также этот термин называют скоростью затвора (shutter speed value) или временем экспозиции (exposure time). Он характеризует интервал времени, в течение которого матрица камеры фиксирует изображение. Выражается выдержка в долях секунды. Для съемки статических объектов можно использовать медленную скорость затвора, для движущихся – быструю, в противном случае картина будет смазанной. Кроме того, использование медленной скорости затвора позволяет захватить больше света, а соответственно – больше шансов сделать хорошее фото в условиях недостаточной освещенности. Однако здесь не стоит забывать и том, что камерой смартфона обычно фотографируют с рук, а не со штатива. Соответственно, при больших значениях выдержки дрожь рук и другие факторы могут привести к смазанной картинке.

В камерах смартфонов выбор значения выдержки обычно выполняется автоматически, поэтому на качество снимков довольно сильно влияет совершенство алгоритмов. Автоматически выбирается и чувствительность сенсора камеры (ISO). При низких значениях ISO картинка получается четче, тогда как при высоких ISO – матрица улавливает больше шумов. С другой стороны, при съемке в условиях недостаточной освещенности использование больших значений ISO мера вынужденная.

Достаточно наглядно смысл перечисленных параметров иллюстрируется на «шпаргалке фотографа» от blog.hamburger-fotospots.de:

Популярно о железе: что обозначают параметры фотокамеры?

Чувствительность ISO и размер сенсора камеры

От размера сенсора цифровой камеры напрямую зависит – насколько низким будет уровень шумов при тех или иных параметрах ISO.

Следует понимать, что размер сенсора – это не то же самое, что количество мегапикселей. Размер сенсора – это его фактические физические размеры. На протяжении большей части истории цифровой фотографии, размер сенсоров цифровых камер был меньше, размера кадра 35-мм плёнки. На цифровых «мыльницах» сенсор был очень маленьким (да и продолжает оставаться таковым), а на большинстве цифровых зеркалок размер сенсора равнялся размеру кадра APC-фотоплёнки (23×15 мм).

Сенсоры меньшего размера производят гораздо больше шума на высоких значениях ISO (800 и выше), главным образом, потому, что высокое количество пикселей, размещённых на небольшой площади, производят больше зерна на всех значениях ISO, исключая самые низкие.

В настоящее время многие производители цифровых зеркальных камер выпускают сенсоры того же размера, что и размер кадра 35-мм фотопленки (так называемые Full Frame или полнокадровые).

Чем больше размер сенсора, тем большее число пикселей может быть размещено на нём, без ущерба для качества изображения вплоть до ISO 1600 (для некоторых камер). На полнокадровом сенсоре более крупные пиксели индивидуально более чувствительны к свету, так что электрическая энергия, необходимая для имитации ISO 800 не создает такое же количество шума, как в случае сенсоров меньшего размера. Поэтому полнокадровые камеры способны захватывать динамичные и эффектные изображения без большого количества цифрового шума даже в условиях низкой освещенности.

Эффективные пиксели

Как мы уже сказали выше, часто размер в мегапикселях, указываемый в характеристиках видеокамер, не дает точного представления о разрешении получаемого изображения. Производитель указывает количество пикселей на матрице (сенсоре) камеры, но далеко не все из них участвуют в создании картинки.

Поэтому был введен параметр “Количество (число) эффективных пикселей”, который как раз и показывает, сколько пикселей формируют итоговое изображение. Чаще всего он соответствует реальному разрешению получаемой картинки, хотя бывают и исключения.

Уход за сенсором

Вы заметили черные точки на своих фотографиях? Возможно, во время съемки пейзажей вы отметили небольшие темные области на ясном небе. Вы, конечно, можете легко убрать их при помощи штампа в Photoshop, но то, что вы видите, это пылинки на сенсоре. Точнее, частицы пыли на фильтре на поверхности сенсора.

Это, конечно, не большая проблема, но они раздражают, так что вы можете захотеть что-нибудь с ними сделать. Есть пара шагов, которые можно предпринять, чтобы очистить ваш сенсор от пыльных «зайчиков». Первая вещь, которую я бы рекомендовал, это использование воздушной груши типа «Rocket Blower», ей можно просто сдуть пыль с сенсора. Это вообще отличный инструмент, который стоит держать под рукой для очистки любого фотооборудования.

Чтобы использовать Rocket Blower, для начала переведите вашу камеру в режим ручной выдержки (bulb, B). В этом режиме нажатие кнопки спуска открывает затвор для проведения экспонирования и оставляет его в таком положении до повторного нажатия. Это позволяет получить доступ к обычно защищенному сенсору. После того, как зеркало поднято, используйте воздушную грушу, нажав на нее несколько раз и направляя поток воздуха на область сенсора. Если вы при этом будете держать камеру «вверх ногами», это гарантирует вам то, что сила притяжения сыграет свою роль в удалении пылинок.

Воздушная груша Rocket Blower – отличный инструмент для очистки сенсора.

Альтернативный метод состоит в «контактной» очистке, иначе говоря, это метод чистки, при котором вы касаетесь сенсора, чтобы удалить пыль и частички грязи. Этот тип очистки обычно используется, когда загрязнение более серьезное. Есть ряд методик, от работы с кисточками для сенсора до применения жидких растворов.

Помните, что серьезные профессионалы могут наругаться на вас за очистку этим способом. Использование ручной выдержки означает, что сенсор работает, а заряженные сенсоры (особенно CCD сенсор) действительно притягивают пыль. Чтобы «правильно» очистить вашу камеру, обратитесь к руководству по эксплуатации. Обычно существует некий режим очистки, который позволяет получить доступ к сенсору, когда он выключен, хотя, возможно, вам понадобится купить специальное устройство. Помня обо всем этом, я очищал мои сенсоры, пользуясь вышеуказанным методом, годами, без заметных негативных эффектов.

Когда моя камера нуждается в более серьезной чистке, я просто отправляю ее в сервис. Не стоит рисковать вашей камерой, пытаясь разобрать ее в домашних условиях.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector