Матрица фотоаппарата

Маркетологи играют огромную роль в нашем сознании. Иногда добавляются совершенно ненужные эффекты, что увеличивает стоимость производства.

Матрица фотоаппарата

Формат — это просто имя массива с определенными размерами.

Большие пальцы появлялись при измерении площади изображения на трубчатых телевизорах. Их запись выглядит так: 1 / 2,7”.

Нет смысла пытаться вычислить физический размер диагонали и размер сторон. Такая маркировка — не что иное, как простое обозначение, не имеющее математической силы.

Главное — научиться определять, какая из диагоналей больше. Например, 1 / 1,8 дюйма значительно больше 1 / 2,7 дюйма”.

В нашей статье мы расскажем, что такое матрица цифровой камеры, виды матриц, их размеры, разрешение, светочувствительность и как правильно ухаживать за матрицей.

Формирование изображения в фотокамере

Матрица, фотосенсор, сенсор — так называются одно и то же устройство, входящее в конструкцию камеры и являющееся ее основным элементом. По конструкции матрица представляет собой прямоугольную пластину разного размера из химически чистого кремния, на которой методом вакуумного напыления расположено большое количество np-переходов. Эти переходы представляют собой светочувствительные фотодиоды или фототранзисторы. Таким образом, матрица представляет собой интегральную схему с несколькими миллионами светочувствительных элементов. Когда свет попадает на фотодиод, он преобразуется в электрический сигнал. Количество света может быть больше или меньше в зависимости от объекта. Электрические потенциалы матрицы считываются строка за строкой или элемент за элементом, а затем обрабатываются процессором.

Основные технические характеристики матрицы: размер, разрешение ТВ-линии (ТВЛ), разрешение в пикселях, тип матрицы, чувствительность

QuantumFilm

Самая продвинутая система квантовых точек. Эта технология позволяет добиться почти полного захвата света. И для получения максимально резких изображений без обычных искажений даже в условиях низкой освещенности. В то же время сохраняется высокая рабочая скорость при низком энергопотреблении.

Даже при таких впечатляющих характеристиках цена изготовления остается на одном уровне с другими типами матриц. Это позволяет устройствам с этой технологией оставаться доступными.

Размеры матрицы камеры. Что. Какую матрицу лучше выбрать. В чем преимущества больших матриц. Таблица размеров массивов видеокамер.

Сигнал-шум

Это параметр, напрямую связанный с чувствительностью. Определяет уровень света и шума на изображении.

Следует помнить, что на каждой фотографии присутствует определенный шум. Фоточувствительность такая же. Не может иметь статических индикаторов. Они будут меняться, и эти изменения будут зависеть от условий съемки.

Даже если света совсем нет, фотосенсор все равно покажет некоторую ценность. Это и есть шум. Чтобы получить фото высокого качества, сигнал должен до определенного уровня преодолевать помехи. Это явление называется «сигнал-шум».

Чтобы получить резкое фото без нежелательных шумов, нужно правильно настроить фильтры, чтобы они не пропустили этот шум.

Если вы увеличите уровень чувствительности матрицы, фильтр будет ослаблен для захвата слабого сигнала. Но при этом шум отразится на изображении. Поэтому, чтобы не пришлось увеличивать чувствительность, нужно правильно выставить выдержку.

Что нужно сделать, чтобы уменьшить помехи?

Чтобы уровень шума был минимальным, необходимо настроить минимальную чувствительность матрицы. Однако эта возможность напрямую зависит от того, позволяет ли это выдержка камеры.

Если необходимо уменьшить выдержку, одновременно необходимо увеличить чувствительность, что, в свою очередь, приведет к увеличению уровня шума. Определенное значение вызовет появление шума на изображении. Поэтому при съемке выбор стоит между уменьшенной чувствительностью и уменьшенным временем экспозиции.

Все это свидетельствует в пользу выбора камеры с большим сенсором, который позволяет снизить уровень шума и уменьшить выдержку для съемки движущихся объектов без ущерба для качества изображения.

Тенденции цифровой фотографии. Часть 3 (CCD) В последнее время восторженные отзывы посвящены следующим

Тенденции в цифровой фотографии. Часть 3 (ПЗС-матрицы)

В последнее время в прессе соседнего компьютера (и не только) довольно часто появляются восторженные обзоры, посвященные очередному «технологическому чуду, призванному революционизировать будущее цифровой фотографии» — это обобщенная версия фразы, встречающейся в в той или иной форме в каждой из этих статей… Но что типично — всего через год первоначальный энтузиазм постепенно ослабевает, и большинство производителей цифровой фототехники вместо «продвинутых разработок» предпочитают использовать проверенные решения.

Рискну предположить, что причина такого развития событий довольно проста: достаточно обратить внимание на «гениальную простоту» того или иного решения. На самом деле разрешения матрицы не хватает? Причем мы располагаем пиксели не столбцами и строками, а диагональными линиями, поэтому программно «поворачиваем» «изображение» на 45 градусов: здесь наше разрешение сразу удвоится! Неважно, что таким образом повышается резкость только строго вертикальных и горизонтальных линий, в то время как наклонные и изогнутые (из которых состоит реальное изображение) остаются неизменными. Главное, чтобы эффект соблюдался, а значит, можно было сказать это вслух.

К сожалению, современный пользователь «избалован мегапикселями». Мало ли он знает, что каждый раз, когда разрешение увеличивается, разработчикам «классических» ПЗС приходится решать более сложную задачу обеспечения приемлемого динамического диапазона и чувствительности сенсора. Но «решения» вроде перехода с прямоугольных пикселей на восьмиугольные у обычного фотографа-любителя кажутся вполне понятными и разумными — ведь это так легко пишется в рекламных проспектах…

Цель данной статьи — попытаться на самом простом уровне объяснить, от чего зависит качество изображения, получаемого при выходе из ПЗС-матрицы. При этом на качество оптики можно смело не обращать внимания: появление второй зеркалки стоимостью менее 1000 долларов (Nikon D 70) позволяет надеяться, что дальнейшее увеличение разрешения сенсора для камер приемлемой ценовой категории будет не ограничиваться «мыльными» линзами.

Внутренний фотоэффект

Затем изображение, сформированное линзой, попадает на ПЗС-матрицу, то есть световые лучи попадают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых — преобразовать энергию фотона в электрический заряд. Происходит это следующим образом.

Для фотона, падающего на ПЗС-элемент, есть три сценария: либо он «отскакивает» от поверхности, либо поглощается толщиной полупроводника (материала матрицы), либо «пробивает» его «рабочую область». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой датчик, в котором потери от «отскока» и «боли в пояснице» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют электронно-дырочную пару, если имело место взаимодействие с атомом кристаллической решетки полупроводника, или только фотон (или дырку), если взаимодействие было с атомами донорные или акцепторные примеси, и оба эти явления называются внутренним фотоэффектом… Конечно, работа сенсора не ограничивается внутренним фотоэффектом: необходимо хранить носители заряда, «удаленные» от полупроводника в специальной памяти, а затем прочтите их.

В целом конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p-типа снабжена каналами из полупроводника n-типа. Над каналами созданы поликристаллические кремниевые электроды с изолирующим слоем из оксида кремния. После приложения электрического потенциала к такому электроду в зоне обеднения под каналом n-типа создается потенциальная яма, предназначенная для хранения электронов. Фотон, проникающий через кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается к потенциальной яме и остается там. Больше фотонов (яркий свет) дает больший заряд колодцу. Затем необходимо вычислить величину этого заряда, также называемого фототоком, и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразуют цепочку входных зарядов в серию выходных импульсов. Эта серия представляет собой аналоговый сигнал, который затем отправляется на усилитель.

Таким образом, с помощью регистра можно преобразовать линейные заряды от элементов ПЗС в аналоговый сигнал. Фактически, регистр последовательного сдвига в ПЗС реализован с использованием тех же элементов ПЗС, соединенных в строку. Работа такого устройства основана на способности устройств с зарядовой связью (это аббревиатура CCD) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется за счет наличия специальных передаточных вентилей, расположенных между соседними элементами ПЗС. Когда к ближайшему электроду приложен повышенный потенциал, заряд «течет» под ним из потенциальной ямы. Между элементами ПЗС может быть от двух до четырех передающих электродов, от их количества зависит «фаза» сдвигового регистра, который можно назвать двухфазным, трехфазным или четырехфазным.

Подача потенциалов на передающие электроды синхронизирована таким образом, что движение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. А в цикле передачи элементы ПЗС «перемещаются по цепочке» загружаются слева направо (или справа налево). Итак, ПЗС-элемент, который оказался «крайним», передает свой заряд устройству, находящемуся на выходе регистра, то есть усилителю.

В общем, регистр последовательного сдвига — это устройство параллельного ввода и последовательного вывода. Следовательно, после считывания всех зарядов из регистра можно подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, параллельный поток, вводимый в регистр последовательного сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков), обеспечивается набором вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, который называется регистром параллельного сдвига, и вся структура представляет собой просто устройство, называемое ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллель, называются столбцами CCD, и их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС одновременно смещается на одну строку вниз, и это происходит только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «внизу» последовательного регистра сдвига перейдут в усилитель. Пока регистр последовательного интерфейса не очищен, регистр параллельного интерфейса должен быть неактивным. Ну а одну и ту же ПЗС-матрицу для нормальной работы обязательно нужно подключить к микросхеме (или их набору), которая подает потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного сдвиговых регистров, а также синхронизирует работу обоих регистров. Также требуется тактовый генератор.

Этот тип сенсора является наиболее простым с точки зрения конструкции и называется полнокадровым ПЗС (матрицей). Помимо «обвязочных» микросхем, для этого типа матрицы требуется еще и механический затвор, блокирующий световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия шторки считывание зарядов начать нельзя — во время рабочего цикла параллельного регистра сдвига к фототоку каждого его пикселя будут добавляться лишние электроны, вызванные столкновением фотонов на открытой поверхности матрицы ПЗС. Это явление называется «смазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame blur).

Поэтому скорость чтения кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельных, так и последовательных регистров сдвига. Также очевидно, что световой поток, исходящий от линзы, должен быть заблокирован до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспозициями также зависит от скорости считывания.

Существует улучшенная версия полнокадровой матрицы, в которой плата за параллельный регистр не предоставляется построчно на входе последовательного регистра, а «сохраняется» в параллельном регистре буфера. Этот регистр находится под главным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно передаются в буферный регистр, откуда поступают на вход последовательного сдвигового регистра. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (обычно металлической) панелью, и вся система называется ПЗС-матрицей с кадровой передачей (frame-transfer matrix).

Матрица с кадровой буферизацией

В этой схеме потенциалы питов главного параллельного регистра сдвига «очищаются» намного быстрее, поскольку при передаче строк в буфер нет необходимости ждать полного цикла последовательного регистра для каждой строки. Таким образом, интервал между экспозициями сокращается, хотя скорость чтения также уменьшается: линия должна «пройти» вдвое большее расстояние. Следовательно, интервал между экспозициями сокращается только на два кадра, хотя стоимость устройства из-за буферного журнала значительно возрастает. Однако наиболее очевидным недостатком массивов с кадровой буферизацией является удлиненный «путь» фототоков, что отрицательно сказывается на сохранности их значений. И в любом случае между кадрами должен работать механический затвор, поэтому о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

Матрицы с буферизацией столбцов

Специально для видеооборудования был разработан новый тип матрицы, где интервал между экспозициями был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Естественно, для обеспечения этой преемственности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.

Фактически, эта схема, называемая межстрочной ПЗС-матрицей, чем-то похожа на системы с кадровой буферизацией: в ней также используется параллельный буферный регистр сдвига, элементы ПЗС которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако этот буфер не расположен в единственном блоке ниже параллельного главного регистра: его столбцы «зашифрованы» между столбцами главного регистра. Следовательно, рядом с каждым столбцом главного регистра находится столбец буфера, и сразу после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево»).), и за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, полностью освобождая дырки для последующего экспонирования.

Заряды в буферном регистре считываются в обычном порядке через регистр последовательного сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку для сброса фототоков в буферный регистр требуется всего один цикл, даже при отсутствии механического затвора, в полнокадровой матрице не наблюдается ничего подобного «размазыванию» заряда. Но время экспозиции для каждого кадра в большинстве случаев соответствует по длительности интервалу, затраченному на чтение полного параллельного буферного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создавать видеосигнал с высокой частотой кадров — не менее 30 кадров в секунду.

Буферизованный массив столбцов

Буферизованные по столбцам массивы в национальной литературе часто ошибочно называют «чересстрочными». Вероятно, это связано с тем, что английские названия «interline» (строчная буферизация) и «interlaced» (чересстрочная развертка) звучат очень похоже. Фактически, при чтении всех строк в тактовом цикле мы можем говорить о матрице прогрессивной развертки, а при чтении нечетных строк в первом тактовом цикле и четных строк во втором тактовом цикле (или наоборот) мы говорит о чересстрочной развертке).

Хотя фототоки основного параллельного регистра сдвига сразу же поступают в буферный регистр, который не подвергается «фотонной бомбардировке», размытие заряда также происходит в буферизированных массивах столбцов (размытие). Это вызвано частичным перетеканием электронов из потенциала ямы «светочувствительного» ПЗС-элемента в потенциальную «буферную» яму, особенно часто вблизи максимальных уровней заряда, когда яркость пикселей очень высока. В результате полоса света расширяется вверх и вниз от этого яркого пятна на изображении, разрушая кадр. Для борьбы с этим неприятным эффектом при проектировании датчика «светочувствительная» и буферная колонки размещаются на большем расстоянии друг от друга. Конечно, это усложняет замену заряда, а также увеличивает временной интервал этой операции, однако ущерб, который «размазание» наносит изображению, не оставляет выбора разработчикам.

Как упоминалось выше, для обеспечения видеосигнала датчик не должен требовать перекрытия светового потока между экспозициями, поскольку механический затвор в таких условиях эксплуатации (около 30 операций в секунду) может быстро выйти из строя. К счастью, благодаря буферным линиям можно реализовать электронный затвор, который, во-первых, позволяет при необходимости обойтись без механического затвора, а во-вторых, обеспечивает сверхбыстрые выдержки (до 1/10000 кадра) во-вторых) выдержка, особенно критичная при съемке динамичных процессов (спорт, природа и т д.). Однако электронный затвор также требует, чтобы в матрице была система, хорошо снимающая избыточный потенциальный заряд, однако все будет описано по порядку.

За все нужно платить, а также за возможность генерировать видеосигнал. Регистры смещения буфера «съедают» значительную часть площади матрицы, следовательно, на каждый пиксель приходится только 30% светочувствительной области своей общей поверхности, тогда как для пикселя полнокадровой матрицы эта площадь составляет 70%. Вот почему большинство современных ПЗС-матриц имеют микролинзы над каждым пикселем. Такое простое оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю долю падающих на эту часть фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направляется в сторону довольно светочувствительной области пиксель.

Поскольку с помощью микролинз можно регистрировать световой поток, падающий на датчик, гораздо более эффективно, со временем эти устройства начали поставляться не только в системы с буферизацией столбцов, но также и в полнокадровые матрицы. Однако даже микролинзы нельзя назвать «решением без недостатков».

Являясь оптическим устройством, микролинзы так или иначе искажают записываемое изображение, чаще всего это выражается в потере резкости мельчайших деталей кадра — их края становятся немного размытыми. С другой стороны, такое нерезкое изображение далеко не всегда нежелательно — в некоторых случаях изображение, формируемое линзой, содержит линии, размер и частота которых близки к размеру ПЗС-элемента и межпиксельному расстоянию матрицы. В этом случае в кадре часто наблюдается алиасинг, то есть присвоение определенного цвета пикселю, независимо от того, покрывается ли он полностью деталью изображения или только его частью. В результате линии объектов на изображении становятся неровными, с неровными краями. Для решения этой проблемы в камерах с сенсорами с микрообъективами используется дорогой фильтр сглаживания, а сенсору с микролинзами такой фильтр не требуется. Однако в любом случае за это приходится расплачиваться некоторым снижением разрешения сенсора.

Если объект плохо освещен, мы рекомендуем максимально открыть диафрагму. Однако это значительно увеличивает процент лучей, попадающих на поверхность матрицы под крутым углом. Микролинзы отсекают значительную часть этих лучей, поэтому эффективность поглощения света матрицей (для которой открыта диафрагма) значительно снижается. Хотя следует отметить, что даже лучи, падающие под большим углом, являются источником проблем: попадая в кремний пикселя, длинноволновый фотон с высокой проникающей способностью может быть поглощен материалом другого элемента матрицы, который в конечном итоге приводит к искажению изображения. Для решения этой проблемы поверхность матрицы покрывается непрозрачной «решеткой» (например, металлической), в вырезах которой остаются только светочувствительные участки пикселей.

Исторически полнокадровые датчики в основном использовались в студийной технике, а датчики с буферизацией по столбцу — в любительской. Оба типа датчиков используются в профессиональных камерах.

В классической схеме ПЗС с использованием поликремниевых электродов чувствительность ограничена из-за частичного рассеяния света от поверхности электрода. Поэтому при съемке в особых условиях, требующих повышенной чувствительности в синей и ультрафиолетовой областях спектра, используются матрицы с задней подсветкой. В датчиках этого типа регистрируемый свет падает на подложку, и для обеспечения необходимого внутреннего фотоэлектрического эффекта подложка отполирована до толщины 10-15 микрометров. Этот этап обработки значительно увеличивал стоимость матрицы, кроме того, устройства были очень хрупкими и требовали большей осторожности при сборке и эксплуатации.

Датчик с подсветкой

Очевидно, что при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл, поэтому в астрофотографии в основном используются матрицы с задней подсветкой.

Чувствительность

Одной из важнейших характеристик записывающего устройства, будь то фотопленка или ПЗС-матрица, является чувствительность: способность определенным образом реагировать на оптическое излучение. Чем выше чувствительность, тем меньше света требуется для реакции записывающего устройства. Для обозначения чувствительности использовались различные значения (DIN, ASA), но в конце концов практика закрепилась за обозначением этого параметра в единицах ISO (Международной организации по стандартизации).

Для одиночного ПЗС-элемента реакцию на свет следует понимать как генерацию заряда. Очевидно, что чувствительность ПЗС-матрицы складывается из чувствительности всех ее пикселей и, как правило, зависит от двух параметров.

Первый параметр — интегральная чувствительность, представляющая собой отношение фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания. Этот параметр позволяет оценить чувствительность датчика в целом.

Второй параметр — это монохроматическая чувствительность, то есть отношение амплитуды фототока (в миллиамперах) к амплитуде энергии светового излучения (в миллиэлектрон-вольтах), соответствующей определенной длине волны. Набор всех значений монохроматической чувствительности для интересующей части спектра составляет спектральную чувствительность — зависимость чувствительности от длины волны света. Таким образом, спектральная чувствительность показывает способность датчика регистрировать нюансы данного цвета.

понятно, что единицы измерения как интегральной, так и монохроматической чувствительности отличаются от популярных обозначений в фототехнике. Именно поэтому производители цифрового фотооборудования в технических характеристиках продукции указывают эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы в единицах ISO. А чтобы определить эквивалентную чувствительность, производителю просто нужно знать освещение объекта, диафрагму и выдержку, а также использовать пару формул. Согласно первому, количество экспозиций рассчитывается как log 2 (L * S / C), где L — освещенность, S — чувствительность, а C — постоянная экспозиции. Вторая формула определяет номер экспозиции как 2 * log 2K — log 2t., Где K — число FET — выдержка. Нетрудно вывести формулу, которая позволяет при заданных L, C, K и t вычислить, чему равен S .

Чувствительность матрицы — это интегральная величина, которая зависит от чувствительности каждого элемента ПЗС. Что ж, чувствительность пикселя в матрице зависит, во-первых, от площади светочувствительной области (коэффициента заполнения), «замещаемой фотонным дождем», а во-вторых, от квантовой эффективности, то есть от отношение количества записанных электронов к количеству электронов, попадающих на поверхностный фотонный датчик.

В свою очередь, ряд других параметров влияет на квантовую эффективность. Во-первых, это коэффициент отражения, величина, отражающая долю тех фотонов, которые «отскакивают» от поверхности сенсора. С увеличением коэффициента отражения доля фотонов, участвующих во внутреннем фотоэффекте, уменьшается.

Фотоны, не отраженные поверхностью сенсора, будут поглощаться, образуя носители заряда, но некоторые из них «застревают» на поверхности, а другие проникают слишком глубоко в материал элемента ПЗС. Очевидно, что в обоих случаях они не будут участвовать в формировании фототока. «Проникающая способность» фотонов в полупроводнике, называемая коэффициентом поглощения, зависит как от материала полупроводника, так и от длины волны падающего света: «длинноволновые» частицы проникают намного глубже, чем «коротковолновые» частицы ». При разработке ПЗС-элемента необходимо, чтобы фотоны с длиной волны, соответствующей видимому излучению, достигли такого коэффициента поглощения, чтобы внутренний фотоэлектрический эффект происходил вблизи потенциальной ямы, что увеличивает вероятность попадания в нее электрона.

Довольно часто вместо квантовой эффективности используется термин «квантовый выход», но на самом деле этот параметр отражает количество носителей заряда, высвобождаемых при поглощении фотона. Конечно, при внутреннем фотоэффекте большая часть носителей заряда все еще попадает в потенциальную яму ПЗС-элемента, но определенная часть электронов (или дырок) избегает «ловушки». Числитель формулы, описывающей квантовую эффективность, оказывается в точности числом носителей заряда, попавших в потенциальную яму.

Важной особенностью ПЗС-матрицы является порог чувствительности, параметр светорегулирующего устройства, характеризующий минимальное значение светового сигнала, которое может быть записано. Чем меньше этот сигнал, тем выше порог чувствительности. Основным фактором, ограничивающим порог чувствительности, является темновой ток. Это следствие термоэлектронной эмиссии и возникает в ПЗС-элементе при приложении потенциала к электроду, под которым формируется потенциальная яма. Этот ток называется «темным», потому что он состоит из электронов, попавших в яму в отсутствие светового потока. Если световой поток слабый, значение фототока близко, а иногда даже ниже, чем значение темнового тока.

Существует зависимость темнового тока от температуры сенсора: при нагреве матрицы на 9 градусов Цельсия ее темновой ток удваивается. Для охлаждения матрицы используются различные системы теплоотвода (охлаждения). В полевых камерах, весогабаритные характеристики которых сильно ограничивают использование систем охлаждения, металлический корпус камеры иногда используется в качестве теплообменника. В студийном оборудовании практически нет ограничений по весу и габаритам; Кроме того, допускается достаточно высокое энергопотребление системы охлаждения, которые, в свою очередь, делятся на пассивные и активные.

Пассивные системы охлаждения обеспечивают лишь «сброс» лишнего тепла от охлаждаемого устройства в атмосферу. В этом случае система охлаждения играет роль максимального проводника тепла, обеспечивая более эффективный отвод тепла. Очевидно, что температура охлаждаемого устройства не может опускаться ниже температуры окружающего воздуха, что является основным недостатком пассивных систем.

Самый простой пример системы пассивного теплообмена — это радиатор, сделанный из материала с хорошей теплопроводностью, чаще всего металла. Поверхность, контактирующая с атмосферой, имеет форму, обеспечивающую максимально возможную площадь рассеивания. Принято считать, что зоной максимального рассеивания обладают игольчатые радиаторы, по форме напоминающие «ежа», усеянные «иголками», рассеивающими тепло. Часто, чтобы усилить теплопередачу, поверхность радиатора обдувается микровентилятором — подобные устройства, называемые кулерами (от слова «круто» — охлаждать) в персональных компьютерах, охлаждают процессор. Исходя из того, что микровентилятор потребляет электроэнергию, системы, в которых он используется, называют «активными», что совершенно неверно, поскольку кулеры не могут охладить устройство до температуры ниже атмосферной. При высоких температурах окружающей среды (40 градусов и выше) эффективность пассивных систем охлаждения начинает снижаться.

Активные системы охлаждения с помощью электрических или химических процессов обеспечивают устройству более низкую температуру, чем окружающий воздух. Фактически активные системы «генерируют холод», но в этом случае тепло охлаждаемого устройства и тепло системы охлаждения выделяются в атмосферу. Классическим примером активного чиллера является обычный холодильник. Однако, несмотря на довольно высокий КПД, его весогабаритные характеристики неприемлемы даже для студийной фотоаппаратуры. Поэтому его активное охлаждение обеспечивается системами Пельтье, работа которых основана на использовании одноименного эффекта, когда при наличии разности потенциалов между двумя проводниками из разных материалов на стыке этих проводников (a в зависимости от полярность напряжения), тепловая энергия будет выделяться или поглощаться. Причина этого — ускорение или замедление электронов из-за внутренней контактной разности потенциалов стыка проводников.

При использовании комбинации полупроводников n-типа и p-типа, где поглощение тепла осуществляется за счет взаимодействия электронов и «дырок», возникает максимальный эффект теплопроводности. Чтобы усилить его, можно использовать каскадную комбинацию элементов Пельтье, и поскольку происходит как поглощение, так и выделение тепла, элементы должны быть объединены так, чтобы одна сторона чиллера была «горячей», а другая — «холодной». В результате каскадного сочетания температура наиболее удаленной от матрицы «горячей» стороны элемента Пельтье значительно выше, чем у окружающего воздуха, и его тепло отводится в атмосферу пассивными устройствами, то есть , радиаторы и чиллеры.

Активные системы охлаждения, использующие эффект Пельтье, могут снизить температуру сенсора до нуля градусов, резко снизив уровень темнового тока. Однако чрезмерное охлаждение ПЗС-матрицы может привести к конденсации влаги из окружающего воздуха и короткому замыканию электроники. А в некоторых случаях предельная разница температур охлаждаемой и светочувствительной плоскостей матрицы может привести к ее недопустимой деформации.

Однако ни радиаторы, ни кулеры, ни элементы Пельтье не применимы к полевым камерам ограниченного веса и размера. Вместо этого в этом методе используется метод, основанный на так называемых темных опорных пикселях, которые представляют собой столбцы и строки на краях матрицы, покрытые непрозрачным материалом. Среднее значение для всех фототоков черного пикселя считается уровнем темнового тока. Очевидно, что при разных условиях эксплуатации (температура окружающей среды и сама камера, ток батареи и т.д.) уровень темнового тока будет разным. При использовании в качестве «контрольной точки» для каждого пикселя, то есть путем вычитания его значения из фототока, можно определить, какой заряд был создан фотонами, упавшими на элемент ПЗС.

Так или иначе подавляя темновой ток, следует помнить еще об одном факторе, ограничивающем порог чувствительности. Это тепловой шум, создаваемый даже при отсутствии потенциала на электродах, только за счет хаотического движения электронов вдоль ПЗС-элемента. Длительные выдержки приводят к постепенному накоплению паразитных электронов в потенциальной яме, что искажает истинное значение фототока. И чем «дольше» выдержка, тем больше электронов «теряется» в колодце.

Технология производства ПЗС-матриц имеет ряд особенностей. В частности, почти во всех элементах ПЗС уровни как темнового тока, так и теплового шума не такие же, как у соседних пикселей. Следовательно, степень искажения фототоков паразитными зарядами хаотично распределяется по матрице. Ситуация усугубляется почти всегда присутствующей несогласованностью в доставке потенциалов смещения на передающие электроды. Все это приводит к появлению фиксированного структурного шума в каждом отдельном датчике, который выражается в виде разбросанных по кадру пикселей постороннего цвета, яркость которых напрямую зависит от выдержки: чем дольше длится выдержка, тем резче на изображении выделяются пятна с паразитными зарядами. Наиболее заметные пиксели называются горячими пикселями).

Есть «народное средство», позволяющее частично нейтрализовать шум фиксированного распределения: взять последний кадр серии при закрытой крышке объектива. Полученная «маска» из горячих пикселей, рассеянных на черном фоне, может затем использоваться для «удаления» паразитных зарядов из кадра. Метод казался простым и эффективным и поэтому послужил основой для аппаратного решения в виде системы шумоподавления с использованием «темной рамки». Большинство современных любительских фотоаппаратов оснащено такой системой: камера сначала делает нормальный снимок, а затем при закрытии затвора считывает «маску», полученную при той же выдержке. Однако, если уровень паразитного заряда пикселя слишком высок, невозможно судить о достоверности «остатков» его фототока, образовавшихся после «вычитания» «маски». Поэтому в некоторых камерах функция шумоподавления «темного кадра» модифицирована, так что при высоком уровне паразитного заряда «дефектный» пиксель не участвует в формировании кадра; вместо этого используется интерполированное значение яркости и цвета на основе соседних элементов матрицы. Проблема в том, что при избытке горячих пикселей кадр становится слишком «размытым». Поэтому следует помнить, что любая система шумоподавления — это вовсе не панацея, а вынужденное и не всегда эффективное средство.

Как вы знаете, чувствительность пленки внутри кассеты остается постоянной, другими словами, она не может меняться от кадра к кадру. Но цифровая камера позволяет установить наиболее оптимальное значение эквивалентной чувствительности для каждого кадра. Это достигается путем усиления видеосигнала, поступающего от матрицы — в некотором смысле эта процедура, называемая «эквивалентным увеличением чувствительности», напоминает поворот регулятора громкости плеера.

В тех случаях, когда диафрагма максимально широкая и выдержку нельзя «растягивать», только увеличение чувствительности может гарантировать нормальную экспозицию кадра. Однако эта особенность имеет и негативный эффект. Паразитно с усилением фототока увеличивается и уровень паразитных зарядов, говоря языком исполнителя: чем громче звук, тем слышнее шуршание пылинок на диске.

Поэтому в условиях низкой освещенности пользователь сталкивается с дилеммой: увеличить эквивалентную чувствительность или увеличить выдержку. При этом в обоих случаях невозможно избежать повреждения шасси от шума фиксированного распределения. Правда, практика показывает, что при «длинной» выдержке изображение не портится так сильно, как при усилении сигнала матрицы. Однако большая выдержка грозит другой проблемой: пользователь может «вытащить» кадр. Поэтому, если пользователь планирует часто снимать в помещении, ему следует выбрать камеру с объективом с высокой светосилой, а также мощную и интеллектуальную вспышку.

Динамический диапазон

Матрица необходима, чтобы уметь записывать свет как при полном солнечном свете, так и в условиях слабой освещенности помещения. Следовательно, потенциальные ямы матрицы должны быть очень емкими, а также иметь возможность поддерживать минимальное количество электронов в условиях низкой освещенности и удерживать большой заряд, получаемый при попадании мощного светового потока на датчик. А изображение, формируемое линзой, часто состоит как из ярких, так и из глубоких теневых областей, и сенсор должен уметь фиксировать все их нюансы.

Способность сенсора формировать хорошее изображение при разном освещении и высокой контрастности определяется параметром «динамический диапазон», который характеризует способность матрицы отличать более темные тона от более светлых в изображении, проецируемом на ее записывающую поверхность. По мере расширения динамического диапазона количество оттенков в изображении будет увеличиваться, а переходы между ними будут максимально соответствовать изображению, формируемому линзой.

Влияние динамического диапазона на качество кадра (A — широкий динамический диапазон, B — узкий динамический диапазон)

Характеристика, описывающая способность ПЗС-элемента накапливать определенное количество, называется «глубиной лунки», и от нее зависит динамический диапазон матрицы. Конечно, при съемке в условиях низкой освещенности на динамический диапазон также влияет порог чувствительности, который, в свою очередь, определяется величиной темнового тока.

очевидно, что потеря электронов, составляющих фототок, происходит не только во время накопления потенциального заряда ямы, но и во время его транспортировки при выходе из матрицы. Эти потери вызваны дрейфом электронов, «оторвавшихся» от основного заряда, когда он протекает под следующим передающим электродом. Чем меньше количество «оторвавшихся» электронов, тем выше эффективность переноса заряда. Этот параметр измеряется в процентах и ​​показывает долю заряда, оставшуюся во время «перехода» между ячейками ПЗС.

Влияние эффективности передачи можно продемонстрировать на следующем примере. Если для матрицы 1024 X 1024 значение этого параметра равно 98%, то для определения значения фототока центрального пикселя на выходе матрицы необходимо в мощность увеличить 0,98 (объем передаваемого заряда). 1024 (количество «пересечений» между пикселями) и умножить на 100 (процент). Результат совершенно неудовлетворительный: останется примерно 0,0000001% от первоначального заряда. Очевидно, что с увеличением разрешения требования к эффективности передачи становятся еще более строгими, поскольку количество «пересечений» увеличивается. Также снижается скорость считывания кадра, поскольку увеличение скорости передачи (для компенсации увеличения разрешения) приводит к недопустимому увеличению количества «оторвавшихся» электронов.

Для достижения приемлемых скоростей считывания кадров с высокой эффективностью переноса заряда при проектировании ПЗС-матрицы планируется «заглубленное» размещение потенциальных ям. Благодаря этому электроны не так активно «прилипают» к передающим электродам, и именно за счет «глубокого захоронения» потенциальной ямы n-канал вводится в конструкцию ПЗС-элемента.

Возвращаясь к предыдущему примеру: если в данной матрице 1024 X 1024 эффективность переноса заряда составляет 99,999%, то 98,98% от ее начального значения останется на выходе датчика от центрального фототока заряда. Если разработан массив с более высоким разрешением, требуется эффективность переноса заряда 99,9999%.

Блюминг

В случаях, когда внутренний фотоэлектрический эффект приводит к избытку электронов, превышающему глубину потенциальной ямы, заряд ПЗС-элемента начинает «разбрасываться» на соседние пиксели. На изображениях это явление, называемое «цветение» (от англ. Blooming — размытие), проявляется в виде белых пятен правильной формы, причем чем больше электронов больше, тем больше пятна.

Цветение подавляется переливающейся дренажной системой, основная задача которой — вывести лишние электроны из потенциальной ямы. Наиболее популярными вариантами являются вертикальный слив перелива (VOD) и боковой слив перелива (VOD).

В системе с вертикальным отводом к подложке матрицы прикладывается потенциал, значение которого выбирается таким образом, чтобы при слишком большой глубине потенциальной ямы избыточные электроны перетекали с нее на подложку и рассеивались там. Недостатком этого варианта является уменьшение глубины потенциальной ямы и, как следствие, сужение динамического диапазона ПЗС-элемента. Также очевидно, что эта система неприменима в матрицах с задней подсветкой.

Вертикальный электронный слив

Боковая дренажная система использует электроды для предотвращения попадания потенциальных электронов из колодца в «дренажные канавки», из которых рассеивается избыточный заряд. Потенциал на этих электродах выбирается исходя из барьера перелива потенциальной ямы, при этом ее глубина не изменяется. Однако из-за электродов стока светочувствительная площадь ПЗС-элемента уменьшается, поэтому необходимо использовать микролинзы.

Электронный боковой разряд

Конечно, необходимость добавления дренажных устройств к датчику усложняет его конструкцию, но нельзя не учитывать искажения рамы, вносимые блюмингом. А электронный затвор нельзя сделать без дренажа: он играет роль «занавеса» при ультракоротких выдержках, длительность которых меньше прошедшего интервала переноса заряда из главного параллельного сдвигового регистра в параллельный буферный регистр. «Затвор», то есть дренаж, предотвращает проникновение в лунки буферных элементов ПЗС тех электронов, которые образуются в «светочувствительных» пикселях по истечении определенного (и очень короткого) времени экспозиции.

Из-за технологических ошибок в некоторых элементах ПЗС даже самая короткая выдержка приводит к лавинообразному накоплению электронов в потенциальной яме. На изображении эти пиксели, называемые «застрявшими пикселями», сильно отличаются от окружающих точек как по цвету, так и по яркости и, в отличие от шума фиксированного распределения, они появляются при любой выдержке и независимо от температуры матрицы.

Удаление застрявших пикселей осуществляется с помощью встроенного в камеру программного обеспечения, которое гарантирует поиск дефектных элементов ПЗС и сохранение их «координат» в энергонезависимой памяти. При формировании изображения значения дефектных пикселей не учитываются, они заменяются интерполированным значением соседних точек. Чтобы определить дефектность пикселя в процессе поиска, его заряд сравнивается с эталонным значением, которое также хранится в энергонезависимой памяти камеры.

Размер матрицы по диагонали

Иногда среди других параметров цифровой камеры указывается размер диагонали ПЗС-матрицы (чаще всего в долях дюйма). В первую очередь это значение связано с характеристиками объектива: чем больше размер сенсора, тем больше должно быть изображение, формируемое оптикой. Чтобы это изображение полностью покрыло записывающую поверхность матрицы, необходимо увеличить размер оптических элементов. Если этого не сделать и «изображение», создаваемое линзой, меньше размера сенсора, периферийные области матрицы не будут востребованы. Однако в ряде случаев производители камер не указывали, что определенный процент мегапикселей в их моделях «не работает».

Но в цифровых «зеркалках», созданных по 35-мм технологии, практически всегда наблюдается обратная ситуация: изображение, формируемое объективом, перекрывает светочувствительную область матрицы. Это связано с тем, что сенсоры с 35-миллиметровым размером кадра пленки слишком дороги и приводят к тому, что часть изображения, формируемого объективом, оказывается буквально «за кадром». В результате характеристики линзы смещаются в область «длинного фокуса». Поэтому при выборе сменных объективов для цифровой «зеркалки» следует учитывать коэффициент увеличения фокусного расстояния — как правило, он составляет около 1,5. Например, если установлен зум-объектив 28-70 мм, его диапазон будет 42-105 мм.

Указанный коэффициент имеет как положительные, так и отрицательные эффекты. В частности, становится труднее снимать с широким углом обзора, требуя короткофокусных объективов. Объективы с фокусным расстоянием 18 мм или меньше очень дороги, а в зеркальных фотокамерах оно превращается в обычные 27 мм. Однако линзы с большим фокусным расстоянием также очень дороги, а с большим фокусным расстоянием относительное отверстие обычно уменьшается. Но дешевый 200-миллиметровый объектив с коэффициентом 1,5 превращается в 300-миллиметровый, а у «настоящего» 300-миллиметрового объектива светосила примерно f / 5,6 и диафрагма 200 мм, она выше — f / 4,5.

Более того, любой объектив характеризуется аберрациями, такими как кривизна поля и искажение, которые выражаются в размытии изображения и искажении по краям кадра. Если размер сенсора меньше размера изображения, формируемого линзой, «проблемные зоны» сенсором просто не будут регистрироваться.

Следует отметить, что чувствительность матрицы зависит от размера ее области записи. Чем больше светочувствительная область каждого элемента, тем больше света падает на него и тем чаще возникает внутренний фотоэффект, что увеличивает чувствительность всего датчика. Кроме того, большой пиксель позволяет создать потенциальную яму «повышенной емкости», что положительно сказывается на ширине динамического диапазона. Яркий тому пример — матрица цифровых «зеркалок», сопоставимая по размерам с кадром 35-миллиметровой пленки. Эти сенсоры традиционно имеют чувствительность порядка ISO 6400 (!), А динамический диапазон требует 10-12-битного АЦП.

При этом матрицы любительских фотоаппаратов имеют динамический диапазон, для которого достаточно 8-10-битного АЦП, а чувствительность редко превышает ISO 800. Причина тому — конструктивные особенности данной техники. Дело в том, что у Sony очень мало конкурентов по выпуску небольших сенсоров (1/3, 1/2 и 2/3 дюйма по диагонали) для любительской техники, и это было вызвано грамотным подходом к разработке серии матриц. При разработке следующего поколения матриц с разрешением «на один мегапиксель выше» была обеспечена почти полная совместимость с предыдущими моделями сенсоров как по размеру, так и по интерфейсу. В результате конструкторам фотоаппаратов не пришлось разрабатывать объектив и «электронную начинку» фотоаппарата с нуля.

Однако с увеличением разрешения параллельный сдвиговый регистр буфера захватывает увеличивающуюся часть площади сенсора, в результате чего снижаются как светочувствительная область, так и «емкость» потенциальной ямы.

Уменьшайте светочувствительную область матрицы ПЗС по мере увеличения разрешения.

Поэтому за каждым «N +1 мегапикселем» стоит кропотливая работа разработчиков, к сожалению, не всегда успешная.

Аналого-цифровой преобразователь

Видеосигнал, прошедший через усилитель, должен быть преобразован в цифровой формат, понятный микропроцессору камеры. Для этого используется аналого-цифровой преобразователь, АЦП (аналого-цифровой преобразователь, ADC) — устройство, преобразующее аналоговый сигнал в последовательность чисел. Его основная характеристика — битовая глубина, то есть количество распознаваемых и кодируемых дискретных уровней сигнала. Чтобы рассчитать количество уровней, просто увеличьте битовую глубину на два. Например, «8 бит» означает, что преобразователь способен обнаруживать 2 восьмых уровня мощности сигнала и отображать их как 256 различных значений.

При высокой битовой глубине АЦП (теоретически) возможно достичь большей глубины цвета, то есть битовой глубины обработки цвета, которая описывает максимальное количество цветовых оттенков, которые могут быть воспроизведены. Глубина цвета обычно выражается в битах, а количество оттенков рассчитывается так же, как количество уровней в сигнале АЦП. Например, при глубине цвета 24 бита можно получить 16 777 216 оттенков цвета.

Фактически, глубина цвета для файлов JPEG или TIFF, используемых компьютером для обработки и хранения изображений, ограничена 24 битами (8 бит для каждого цветового канала: синего, красного и зеленого). Поэтому иногда используемые АЦП с разрядностью 10, 12 и даже 16 бит (то есть с глубиной цвета 30, 36 и 48 бит) могут ошибочно считаться «избыточными». Однако динамический диапазон матрицы некоторых моделей цифровой фотоаппаратуры достаточно широк, и если камера оснащена функцией сохранения кадра в нестандартном формате (30-48 бит), то с дальнейшей компьютерной обработкой Можно использовать «лишние» биты. Как известно, ошибки в расчете экспозиции по скорости проявления уступают только неточностям фокусировки. И поэтому возможность компенсации таких ошибок с помощью «младших» (в случае недодержки) или «высших» (в случае передержки) битов очень полезна. Что ж, если экспозиция рассчитана без ошибок, «втиснуть» без искажений 30-48 бит в стандартные 24 — не особо сложная задача.

Очевидно, что динамический диапазон ПЗС-матрицы должен быть основой для увеличения разрядности АЦП, так как при узком динамическом диапазоне АЦП с 10-12 битами на канал распознать будет просто нечего. И зачастую не более чем рекламный ход можно назвать «36-битным» и даже «48-битным» цветом скромной «мыльницы» с полудюймовой диагональной матрицей, потому что даже 30-битный цвет требует как минимум один датчик с диагональю 2/3 дюйма.