Сенсоры цифровых фотоаппаратов. Сенсор цифрового фотоаппарата


НОУ ИНТУИТ | Лекция | Сенсоры цифровых фотоаппаратов

Аннотация: Матрица светочувствительных элементов - основной узел цифрового фотоаппарата. Понять принцип его работы - понять принцип самой цифровой фотографии. В этой маленькой по физическим размерам микросхеме средоточие современных высоких технологий.

Цель лекции - рассказать об устройстве и принципе действия сенсоров CMOS и CCD. Здесь же подробно рассматриваются важнейшие характеристики светочувствительных сенсоров.

Качественный уровень современного цифрового фотоаппарата определяется, прежде всего, техническим совершенством установленного в нем сенсора - матрицы светочувствительных элементов. Это самая дорогая и наиболее значимая деталь цифровой камеры.

Рис. 4.1. Сенсор CCD цифрового фотоаппарата

На сегодняшний день в производстве светочувствительных сенсоров применяются две конкурирующие технологии. Первая, более простая в производстве и по ряду признаков более перспективная - технология CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ). В переводе эта технология называется КМОП - комплементарный металл-оксид-полупроводник. В силу разных причин сенсоры, построенные по технологии CMOS, устанавливаются в фототелефоны и в зеркальные камеры Canon и Sony.

Лидирующей на рынке цифровой фототехники является технология CCD ( Charge-Coupled Device ). В русском переводе этот тип сенсоров называется ПЗС - прибор с зарядовой связью. Более трудоемкие в производстве, сенсоры CCD, тем не менее, установлены в подавляющем большинстве цифровых фотоаппаратов любительского и профессионального класса.

В упрощенном виде принцип действия матрицы светочувствительных элементов цифрового фотоаппарата выглядит следующим образом. Сенсор CCD состоит из подложки, изготовленной из монокристаллического полупроводникового материала, изолирующего слоя окисла, покрывающего подложку, и набора микроскопических (микронных размеров) металлических проводников -электродов. К электродам матрицы подводится электрический ток. Засветка поверхности матрицы приводит к тому, что сила тока (заряд) на выводах электродов изменяется, то есть каждая ячейка светочувствительной матрицы реагирует на интенсивность засветки. Эти изменения считываются электронной схемой фотоаппарата, и на их основе строится картинка, соответствующая сфокусированному на поверхности сенсора изображению.

Ячейки матрицы, построенной по технологии CMOS, это полевые транзисторы, которые при засветке изменяют свое состояние, препятствуя прохождению электрического тока через выводы ячейки или, наоборот, усиливая сигнал. Электронная схема фотоаппарата считывает изменения состояния ячеек матрицы и на их основе строит картинку.

Матрицы CMOS по сравнению с матрицами CCD отличаются пониженным энергопотреблением и высокой технологичностью. С другой стороны, разрешение матриц CMOS, их светочувствительность, динамический диапазон и устойчивость к шумам ниже, чем у матриц CCD. Это объясняется сложностью устройства, а также пониженной светочувствительностью полевых транзисторов по сравнению с ячейками с зарядовой связью.

Устанавливаемые в сотовые камерофоны сенсоры CMOS выполнены в виде большой гибридной микросхемы, на кристалле которой смонтированы многие сервисные схемы встроенного в телефон фотоаппарата. Это и аналого-цифровой преобразователь ( АЦП ), и электронный затвор (схема мгновенного считывания состояния матрицы), схемы баланса белого и сжатия изображений. В массовом производстве CMOS-сенсоры оказываются дешевле, поскольку каждый элемент матрицы крупней, чем ячейка сенсора CCD. А простейшим камерам на основе CMOS-сенсоров не нужны многие вспомогательные электронные механизмы. По сути недавно еще популярная, а сегодня сошедшая со сцены дешевая веб-камера с функцией автономной работы в качестве цифрового фотоаппарата состоит из корпуса, батарейного блока питания, простого объектива, небольшого набора пассивных элементов (согласующих резисторов, порта USB, пары кнопок), монохромного символьного дисплея и одной микросхемы, на которую возложена вся работа по оцифровке и обработке изображений. Отсюда и чрезвычайно низкая цена подобных фотокамер.

Говоря о перспективах сенсоров CMOS, не стоит забывать, что это очень молодая технология. Она возникла, как альтернатива трудоемкой и малоэффективной технологии сенсоров CCD. Достаточно сказать, что выход годной продукции при массовом производстве матриц CCD еще шесть-семь лет назад находился на уровне двух процентов. Сказываются размеры элементов (порядка тысячных долей миллиметра) и очень высокие требования к технологическим допускам.

В то же время, конструкторы зеркальных цифровых фотоаппаратов Canon и просьюмерок Sony (пример - камера Sony DSC-R1) устанавливают в свои фотоаппараты именно сенсоры CMOS, дополняя их специальными схемами подавления шумов. Еще одна положительная сторона матриц CMOS - их стабильность и долговечность. Причина, опять же, в применении в качестве светочувствительных элементов полевых транзисторов, в более крупных размерах каждого элемента и в высокой технологичности массового производства...

Микроскопические ячейки светочувствительной матрицы способны отреагировать только на силу попадающего на них света (на интенсивность светового потока). Для того, чтобы получить изображение, приближающееся по качеству к пленочному фотоснимку, цифровой фотоаппарат должен распознавать еще и цветовые оттенки.

Но прежде чем говорить о технологии оцифровки цветного изображения, следует заметить, что для увеличения точности работы матрицы (улучшения соотношения сигнал/шум) и повышения светочувствительности, каждая ячейка снабжается собирающими микролинзами, фокусирующими световой поток. Особенно это касается матриц CMOS, где без подобных линз необходимого качества изображения добиться трудно.

Получить цветное изображение, и мы об этом уже говорили, можно разными способами. В профессиональной съемочной аппаратуре применяется схема с тремя светочувствительными матрицами. Сфокусированное объективом изображение расщепляется специальной призмой на три идентичных световых потока, каждый из которых засвечивает свою матрицу через светофильтр одного из базовых цветов - красного, зеленого и голубого (RGB - Red, Green, Blue). Эта технология позволяет добиться высокого качества цветопередачи, но усложняет конструкцию камеры и отражается на ее стоимости. Чаще всего три матрицы устанавливаются в дорогих цифровых видеокамерах.

В фотоаппаратах же (кроме профессиональных камер специального назначения) используется другая технология - с одним сенсором. Над поверхностью сенсора установлен блок микроскопических светофильтров, расположенных в шахматном порядке в соответствии с цветовой моделью Байера. Этот алгоритм построения цветного изображения подразумевает удвоенное количество зеленых фильтров по сравнению с красными и синими, поскольку человеческий глаз более чувствителен к зеленой части светового спектра. Цветное изображение строится электроникой камеры уже после преобразования аналогового электрического сигнала, снимаемого с ячеек сенсора камеры в цифровой код аналого-цифровым преобразователем АЦП (если говорить о сенсорах CCD, сенсоры CMOS сами могут обрабатывать цветовую составляющую сигнала, поскольку обычно это большие многофункциональные микросхемы).

www.intuit.ru

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Сенсоры цифровых фотоаппаратов

Аннотация: Матрица светочувствительных элементов - основной узел цифрового фотоаппарата. Понять принцип его работы - понять принцип самой цифровой фотографии. В этой маленькой по физическим размерам микросхеме средоточие современных высоких технологий.

Цель лекции - рассказать об устройстве и принципе действия сенсоров CMOS и CCD. Здесь же подробно рассматриваются важнейшие характеристики светочувствительных сенсоров.

Качественный уровень современного цифрового фотоаппарата определяется, прежде всего, техническим совершенством установленного в нем сенсора - матрицы светочувствительных элементов. Это самая дорогая и наиболее значимая деталь цифровой камеры.

Рис. 4.1. Сенсор CCD цифрового фотоаппарата

На сегодняшний день в производстве светочувствительных сенсоров применяются две конкурирующие технологии. Первая, более простая в производстве и по ряду признаков более перспективная - технология CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ). В переводе эта технология называется КМОП - комплементарный металл-оксид-полупроводник. В силу разных причин сенсоры, построенные по технологии CMOS, устанавливаются в фототелефоны и в зеркальные камеры Canon и Sony.

Лидирующей на рынке цифровой фототехники является технология CCD ( Charge-Coupled Device ). В русском переводе этот тип сенсоров называется ПЗС - прибор с зарядовой связью. Более трудоемкие в производстве, сенсоры CCD, тем не менее, установлены в подавляющем большинстве цифровых фотоаппаратов любительского и профессионального класса.

В упрощенном виде принцип действия матрицы светочувствительных элементов цифрового фотоаппарата выглядит следующим образом. Сенсор CCD состоит из подложки, изготовленной из монокристаллического полупроводникового материала, изолирующего слоя окисла, покрывающего подложку, и набора микроскопических (микронных размеров) металлических проводников -электродов. К электродам матрицы подводится электрический ток. Засветка поверхности матрицы приводит к тому, что сила тока (заряд) на выводах электродов изменяется, то есть каждая ячейка светочувствительной матрицы реагирует на интенсивность засветки. Эти изменения считываются электронной схемой фотоаппарата, и на их основе строится картинка, соответствующая сфокусированному на поверхности сенсора изображению.

Ячейки матрицы, построенной по технологии CMOS, это полевые транзисторы, которые при засветке изменяют свое состояние, препятствуя прохождению электрического тока через выводы ячейки или, наоборот, усиливая сигнал. Электронная схема фотоаппарата считывает изменения состояния ячеек матрицы и на их основе строит картинку.

Матрицы CMOS по сравнению с матрицами CCD отличаются пониженным энергопотреблением и высокой технологичностью. С другой стороны, разрешение матриц CMOS, их светочувствительность, динамический диапазон и устойчивость к шумам ниже, чем у матриц CCD. Это объясняется сложностью устройства, а также пониженной светочувствительностью полевых транзисторов по сравнению с ячейками с зарядовой связью.

Устанавливаемые в сотовые камерофоны сенсоры CMOS выполнены в виде большой гибридной микросхемы, на кристалле которой смонтированы многие сервисные схемы встроенного в телефон фотоаппарата. Это и аналого-цифровой преобразователь ( АЦП ), и электронный затвор (схема мгновенного считывания состояния матрицы), схемы баланса белого и сжатия изображений. В массовом производстве CMOS-сенсоры оказываются дешевле, поскольку каждый элемент матрицы крупней, чем ячейка сенсора CCD. А простейшим камерам на основе CMOS-сенсоров не нужны многие вспомогательные электронные механизмы. По сути недавно еще популярная, а сегодня сошедшая со сцены дешевая веб-камера с функцией автономной работы в качестве цифрового фотоаппарата состоит из корпуса, батарейного блока питания, простого объектива, небольшого набора пассивных элементов (согласующих резисторов, порта USB, пары кнопок), монохромного символьного дисплея и одной микросхемы, на которую возложена вся работа по оцифровке и обработке изображений. Отсюда и чрезвычайно низкая цена подобных фотокамер.

Говоря о перспективах сенсоров CMOS, не стоит забывать, что это очень молодая технология. Она возникла, как альтернатива трудоемкой и малоэффективной технологии сенсоров CCD. Достаточно сказать, что выход годной продукции при массовом производстве матриц CCD еще шесть-семь лет назад находился на уровне двух процентов. Сказываются размеры элементов (порядка тысячных долей миллиметра) и очень высокие требования к технологическим допускам.

В то же время, конструкторы зеркальных цифровых фотоаппаратов Canon и просьюмерок Sony (пример - камера Sony DSC-R1) устанавливают в свои фотоаппараты именно сенсоры CMOS, дополняя их специальными схемами подавления шумов. Еще одна положительная сторона матриц CMOS - их стабильность и долговечность. Причина, опять же, в применении в качестве светочувствительных элементов полевых транзисторов, в более крупных размерах каждого элемента и в высокой технологичности массового производства...

Микроскопические ячейки светочувствительной матрицы способны отреагировать только на силу попадающего на них света (на интенсивность светового потока). Для того, чтобы получить изображение, приближающееся по качеству к пленочному фотоснимку, цифровой фотоаппарат должен распознавать еще и цветовые оттенки.

Но прежде чем говорить о технологии оцифровки цветного изображения, следует заметить, что для увеличения точности работы матрицы (улучшения соотношения сигнал/шум) и повышения светочувствительности, каждая ячейка снабжается собирающими микролинзами, фокусирующими световой поток. Особенно это касается матриц CMOS, где без подобных линз необходимого качества изображения добиться трудно.

Получить цветное изображение, и мы об этом уже говорили, можно разными способами. В профессиональной съемочной аппаратуре применяется схема с тремя светочувствительными матрицами. Сфокусированное объективом изображение расщепляется специальной призмой на три идентичных световых потока, каждый из которых засвечивает свою матрицу через светофильтр одного из базовых цветов - красного, зеленого и голубого (RGB - Red, Green, Blue). Эта технология позволяет добиться высокого качества цветопередачи, но усложняет конструкцию камеры и отражается на ее стоимости. Чаще всего три матрицы устанавливаются в дорогих цифровых видеокамерах.

В фотоаппаратах же (кроме профессиональных камер специального назначения) используется другая технология - с одним сенсором. Над поверхностью сенсора установлен блок микроскопических светофильтров, расположенных в шахматном порядке в соответствии с цветовой моделью Байера. Этот алгоритм построения цветного изображения подразумевает удвоенное количество зеленых фильтров по сравнению с красными и синими, поскольку человеческий глаз более чувствителен к зеленой части светового спектра. Цветное изображение строится электроникой камеры уже после преобразования аналогового электрического сигнала, снимаемого с ячеек сенсора камеры в цифровой код аналого-цифровым преобразователем АЦП (если говорить о сенсорах CCD, сенсоры CMOS сами могут обрабатывать цветовую составляющую сигнала, поскольку обычно это большие многофункциональные микросхемы).

www.intuit.ru

Устройство цифрового фотоаппарата - Основные узлы фотоаппарата

Цифровой фотоаппарат это современный инструмент дающий хороший способ создавать яркие и интересные фотографии, способные производить на человека сильные впечатления от цифровых фотографий. Но чтобы раскрыть творческий потенциал, нужно знать устройство цифрового фотоаппарата и уметь пользоваться цифровой зеркальной фотокамерой.

На фото: Цифровой зеркальный фотоаппарат и его узлы в разрезе

Устройство цифрового зеркального фотоаппарата (азы)

Фотографировать цифровой зеркальной фотокамерой, на сегодняшний день — это здорово. Но чтобы получать превосходный результат, нужно быть у «руля», а значит знать и контролировать все возможности своего цифрового фотоаппарата и его узлов.

Наверное хватит лирики, давайте начнем. Так что же в черном корпусе цифровой фотокамеры? Какие там основные узлы?

На фото: разрез - схема с описанием основных узлов, элементов и механизмов цифровой зеркальной фотокамеры

Как я рассказывал раньше на странице Устройство - Пленочного фотоаппарата об элементах и узлах пленочных фотокамер и принципиальных отличий цифрового фотоаппарата от пленочного — нет. Вот все главные узлы цифровой камеры:
  1. Объектив;

  2. Затвор;

  3. Диафрагма;

  4. Выдержка;

  5. Фотовспышка;

  6. Зеркала;

  7. и т.д.

Все основные элементы и узлы в цифровом фотоаппарате остались неизменными, всего лишь чуть-чуть подверглись конструктивным изменениям. Да и сама форма корпуса фотоаппарата остается неизменной более 150 лет. Да, в цифровом фотоаппарате добавилось много современных узлов - примочек позволяющих делать снимки красивее.

- Принцип работы цифрового фотоаппарата -

Цифровая зеркальная фотокамера — это фотоаппарат, созданный на всех основных принципах работы одно объективной, зеркальной фотокамеры, которые использовались раньше в пленочной фотографии.

Цифровые камеры в основном работают совершенно идентично пленочным, но в отличие от пленки в них используют светочувствительный элемент - цифровое запоминающее устройство матрицу и процессор управления элементами диафрагма, выдержка, вспышка, другие узлы и т.д.

Эти фотоаппараты оснащены множеством дополнительных функций (обеспечиваемых микроэлектроникой), которые невозможно было раньше использовать в пленочных камерах.Таково влияние времени!

Процесс съемки цифровым зеркальным фотоаппаратом

Перед тем как нажать на кнопку спуска затвора, вы обязательно смотрите на объект съемки в видоискатель или на жидко кристаллический дисплей и то что вы там видите (куда навели объектив), то и сфотографирует (зафиксирует) ваша цифровая фотокамера, а именно:

  • Когда вы нажали на кнопку спуска затвора, определенное количество светового пучка проходя через объектив попадает на матрицу (светочувствительный элемент) фотоаппарата.
  • Матрица «захватив» свет, формирует цифровое изображение, одновременно обрабатывая и синтезируя информацию о яркости, пропорциях и количестве цветов передаваемых световым потоком.
  • Количество света попавшего на матрицу определяет степень открытия или прикрытия диафрагмы, а время, за которое свет освещает матрицу определяет скорость затвора — выдержка

Ну вот и весь принцип работы цифрового фотоаппарата вкратце.

- Матрица цифрового фотоаппарата -

Цифровые камеры выпускают различные производители, но все они используют два распространенных типа матриц:

  1. Полнокадровые;
  2. Усеченные;

Фотоаппарат с полнокадровой матрицей

Фотоаппарат с усеченной матрицей

Как мы видим на фотографиях полнокадровая матрица визуально больше усеченной рсположенной в фотоаппарате.В фотоаппаратах высокого класса используются так называемые полно кадровые матрицы. По размерам эти сенсоры совпадают с одним кадром 35 мм пленки пленочного фотоаппарата.

В остальных фотоаппаратах, так называемых «мыльницах» используют сенсоры других размеров и называются они усеченными матрицами.

Матрицы цифровых фотоаппаратов различаются форматами:

FF Матрица(35х24 мм.)

APS-H Матрица(29х19 - 24х16 мм.)

APS-C Матрица(23х15 - 18х12 мм.)

Как видно из фотографий сенсоры с индексами C и H размером меньше чем полнокадровые.Эта аббревиатура расшифровывается так:FF - Full Frame переводится как полный кадр

APS - Advanced Photo System и переводится как «усовершенствованная фото система».Символ Н — High Definition (усеченная матрица Высокого определения с кроп фактором К = 1,3 - 1,5).

Символ С — Classic (классическая усеченная матрица с кроп фактором К = 1,6 - 2,0).

Как расчитывается кроп фактор матрицы вашего фотоаппарата?

Очень просто, нужно разделить длинну каждой из сторон полнокадровой матрицы на кроп фактор матрицы вашего фотоаппарата и вы получите реальный размер матрицы вашего фотоаппарата.

Для того чтобы понять разницу этих матриц относительно друг к другу, а также увидеть, как видят эти матрицы один и тотже кадр с одного расстояния через одинаковый объектив фотоаппарата можно на фотографии ниже.

Одним словом из фотографии расположенной выше можно понять что, полнокадровая матрица видит "широкий" кадр, а "кропнутые" матрицы видят кадр уже.

По качеству изображения усеченные матрицы совершенно не уступают полно кадровым матрицам. А в практике применения — фотоаппаратами с усеченной матрицей пользуются многие фотографы профессионалы. Камеры с усеченной матрицей позволяют делать больший наезд (приближать объект съемки увеличивая его), чем полно кадровые — это положительное качество при портретной съемке.

Достоинства и недостатки полнокадровых матриц

  1. Высокая детализация кадра за счет большего количества светочувствительных элементов на матрице большого размера. На таких матрицах мельчайшие детали объекта съемки видны значительно лучше чем на «кропнутой» матрице.
  2. Большой размер окна видоискателя, за счет зеркала размером больше чем размера самой матрицы.
  3. Большой размер одного пикселя размещенного на матрице (это позволяет сделать матрицу более чувствительной к световому потоку).
  4. Высокая глубина резкости (это обеспечивается фактическим большим размером одного пикселя расположенного на матрице).
  5. Сохранность большого процентного отношения изображения к кадру (это касается портретной фотосъемки).
  6. Минимальное количество цифрового шума на фотографии (это касается прежде всего высоких значений ISO).
  1. Стоимость фотоаппарата (полнокадровые фотоаппараты значительно дороже).
  2. Трудность съемки на удаленных дистанциях (здесь выигрывают фотоаппараты с «кропнутыми» матрицами).
  3. Большой вес фотоаппарата (это в основном из-за большого размера и веса объективов к полноформатным фотоаппаратам).
  4. Узконаправленная специализация съемки (это относится к тому что, полнокадровые фотоаппараты рассчитаны в основном на съемку с близкого расстояния, а например фотоаппараты с «кропнутыми» матрицами имеющие кроп фактор К= 1,5 являются универсальными для съемки с близкого и дальнего расстояния).
  5. Большое количество разнообразных узлов этих фотокамер (По статистике большое количество механических и электронных узлов требует более внимательного отношения к технике).

Заключение

Из этого короткого обзора можно сделать такой вывод:

  1. Принцип работы цифровых и пленочных камер одинаков, разница лишь в том что, светочувствительным элементом у старых камер являлась фотопленка, а у цифровых камер — электронный сенсор матрица и большее количество дополнительных узлов.
  2. Остальные узлы участвующие в фотосъемке у обоих типов камер работают совершенно одинаково.
Цифровые фотоаппараты подразделяются, как и пленочные на:
  • Профессиональные камеры.
  • Любительские камеры.
У обоих типов фотоаппаратов есть возможность смены объективов (кроме «мыльниц»), но из-за размеров установленной матрицы (у профессиональных — полно кадровая, а у классики (любительских) — усеченная) объективы не являются обратно заменяемыми, а именно:
  • объективы для полно кадровой матрицы подходят для съемки на фотоаппаратах с усеченной матрицей.
  • объективы разработанные для фотоаппаратов с усеченной матрицей не подходят для съемки на камерах с полно кадровой матрицей.

Добиться идеального качества снимка можно как с профессиональной, так и с классической (любительской) цифровой фотокамерой. Как говориться самое главное желание хорошо снимать и немного труда.

Какую камеру лучше выбрать (полнокадровую или с кроп фактором) решать вам, в зависимости от ваших задач в фотографии. Подсказать можно только лишь одно — если вы планируете использовать камеру как источник дохода, то конечно полнокадровую. Если вы просто любитель занимающийся семейным фото, то конечно фотоаппарат с кроп фактором матрицы и без дополнительных элементных узлов.

На этом короткий обзор Устройст-во цифрового фотоаппарата - Его основные узлы и элементы наверное закончим. Более досконально и подробно о Конструкции и узлах цифрового зеркального фотоаппарата (продолжение) можно будет прочитать в ближайших публикациях.

P.S. Все фотографии этой статьи прошли предварительную цифровую обработку и оформлены в объемные багетные фоторамки АРТ Студии Вектор. Если Вас интересуют услуги по цифровой обработке и улучшение качества ваших снимков, со всем перечнем наших услуг выполняемых со снимками вы можете ознакомиться в разделе наши услги перейдя в него нажав на кнопку ниже. С каталогом наших онлайн багетных фоторамок студии, можно ознакомиться в разделе сайта фоторамки нажав на соответствующую кнопочку ниже.

Посмотреть фотографии различных жанров оформленных в нашей студии, Вы можете в разделе сайта наши работы перейдя в галерею работ нажав тоже на нужную кнопочку ниже.

Вернуться назад к выбору статей этого раздела или всей рубрики вы можете нажав одну из кнопкочек ниже

ПОИСК ИНФОРМАЦИИ ПО САЙТУ

Например: Конструкция цифровой фотокамеры - Узлы и Матрица фотоаппарата

Эти статьи раздела Вам тоже будут интересны:

Друзья если Вам была интересна данная статья не забудьте рассказать о ней в любиных социальных сетях Ниже вы можете перейти к новым статьям других разделов сайта

artsvektor.ru

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Сенсоры цифровых фотоаппаратов

Аннотация: Матрица светочувствительных элементов - основной узел цифрового фотоаппарата. Понять принцип его работы - понять принцип самой цифровой фотографии. В этой маленькой по физическим размерам микросхеме средоточие современных высоких технологий.

Цель лекции - рассказать об устройстве и принципе действия сенсоров CMOS и CCD. Здесь же подробно рассматриваются важнейшие характеристики светочувствительных сенсоров.

Качественный уровень современного цифрового фотоаппарата определяется, прежде всего, техническим совершенством установленного в нем сенсора - матрицы светочувствительных элементов. Это самая дорогая и наиболее значимая деталь цифровой камеры.

Рис. 4.1. Сенсор CCD цифрового фотоаппарата

На сегодняшний день в производстве светочувствительных сенсоров применяются две конкурирующие технологии. Первая, более простая в производстве и по ряду признаков более перспективная - технология CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ). В переводе эта технология называется КМОП - комплементарный металл-оксид-полупроводник. В силу разных причин сенсоры, построенные по технологии CMOS, устанавливаются в фототелефоны и в зеркальные камеры Canon и Sony.

Лидирующей на рынке цифровой фототехники является технология CCD ( Charge-Coupled Device ). В русском переводе этот тип сенсоров называется ПЗС - прибор с зарядовой связью. Более трудоемкие в производстве, сенсоры CCD, тем не менее, установлены в подавляющем большинстве цифровых фотоаппаратов любительского и профессионального класса.

В упрощенном виде принцип действия матрицы светочувствительных элементов цифрового фотоаппарата выглядит следующим образом. Сенсор CCD состоит из подложки, изготовленной из монокристаллического полупроводникового материала, изолирующего слоя окисла, покрывающего подложку, и набора микроскопических (микронных размеров) металлических проводников -электродов. К электродам матрицы подводится электрический ток. Засветка поверхности матрицы приводит к тому, что сила тока (заряд) на выводах электродов изменяется, то есть каждая ячейка светочувствительной матрицы реагирует на интенсивность засветки. Эти изменения считываются электронной схемой фотоаппарата, и на их основе строится картинка, соответствующая сфокусированному на поверхности сенсора изображению.

Ячейки матрицы, построенной по технологии CMOS, это полевые транзисторы, которые при засветке изменяют свое состояние, препятствуя прохождению электрического тока через выводы ячейки или, наоборот, усиливая сигнал. Электронная схема фотоаппарата считывает изменения состояния ячеек матрицы и на их основе строит картинку.

Матрицы CMOS по сравнению с матрицами CCD отличаются пониженным энергопотреблением и высокой технологичностью. С другой стороны, разрешение матриц CMOS, их светочувствительность, динамический диапазон и устойчивость к шумам ниже, чем у матриц CCD. Это объясняется сложностью устройства, а также пониженной светочувствительностью полевых транзисторов по сравнению с ячейками с зарядовой связью.

Устанавливаемые в сотовые камерофоны сенсоры CMOS выполнены в виде большой гибридной микросхемы, на кристалле которой смонтированы многие сервисные схемы встроенного в телефон фотоаппарата. Это и аналого-цифровой преобразователь ( АЦП ), и электронный затвор (схема мгновенного считывания состояния матрицы), схемы баланса белого и сжатия изображений. В массовом производстве CMOS-сенсоры оказываются дешевле, поскольку каждый элемент матрицы крупней, чем ячейка сенсора CCD. А простейшим камерам на основе CMOS-сенсоров не нужны многие вспомогательные электронные механизмы. По сути недавно еще популярная, а сегодня сошедшая со сцены дешевая веб-камера с функцией автономной работы в качестве цифрового фотоаппарата состоит из корпуса, батарейного блока питания, простого объектива, небольшого набора пассивных элементов (согласующих резисторов, порта USB, пары кнопок), монохромного символьного дисплея и одной микросхемы, на которую возложена вся работа по оцифровке и обработке изображений. Отсюда и чрезвычайно низкая цена подобных фотокамер.

Говоря о перспективах сенсоров CMOS, не стоит забывать, что это очень молодая технология. Она возникла, как альтернатива трудоемкой и малоэффективной технологии сенсоров CCD. Достаточно сказать, что выход годной продукции при массовом производстве матриц CCD еще шесть-семь лет назад находился на уровне двух процентов. Сказываются размеры элементов (порядка тысячных долей миллиметра) и очень высокие требования к технологическим допускам.

В то же время, конструкторы зеркальных цифровых фотоаппаратов Canon и просьюмерок Sony (пример - камера Sony DSC-R1) устанавливают в свои фотоаппараты именно сенсоры CMOS, дополняя их специальными схемами подавления шумов. Еще одна положительная сторона матриц CMOS - их стабильность и долговечность. Причина, опять же, в применении в качестве светочувствительных элементов полевых транзисторов, в более крупных размерах каждого элемента и в высокой технологичности массового производства...

Микроскопические ячейки светочувствительной матрицы способны отреагировать только на силу попадающего на них света (на интенсивность светового потока). Для того, чтобы получить изображение, приближающееся по качеству к пленочному фотоснимку, цифровой фотоаппарат должен распознавать еще и цветовые оттенки.

Но прежде чем говорить о технологии оцифровки цветного изображения, следует заметить, что для увеличения точности работы матрицы (улучшения соотношения сигнал/шум) и повышения светочувствительности, каждая ячейка снабжается собирающими микролинзами, фокусирующими световой поток. Особенно это касается матриц CMOS, где без подобных линз необходимого качества изображения добиться трудно.

Получить цветное изображение, и мы об этом уже говорили, можно разными способами. В профессиональной съемочной аппаратуре применяется схема с тремя светочувствительными матрицами. Сфокусированное объективом изображение расщепляется специальной призмой на три идентичных световых потока, каждый из которых засвечивает свою матрицу через светофильтр одного из базовых цветов - красного, зеленого и голубого (RGB - Red, Green, Blue). Эта технология позволяет добиться высокого качества цветопередачи, но усложняет конструкцию камеры и отражается на ее стоимости. Чаще всего три матрицы устанавливаются в дорогих цифровых видеокамерах.

В фотоаппаратах же (кроме профессиональных камер специального назначения) используется другая технология - с одним сенсором. Над поверхностью сенсора установлен блок микроскопических светофильтров, расположенных в шахматном порядке в соответствии с цветовой моделью Байера. Этот алгоритм построения цветного изображения подразумевает удвоенное количество зеленых фильтров по сравнению с красными и синими, поскольку человеческий глаз более чувствителен к зеленой части светового спектра. Цветное изображение строится электроникой камеры уже после преобразования аналогового электрического сигнала, снимаемого с ячеек сенсора камеры в цифровой код аналого-цифровым преобразователем АЦП (если говорить о сенсорах CCD, сенсоры CMOS сами могут обрабатывать цветовую составляющую сигнала, поскольку обычно это большие многофункциональные микросхемы).

www.intuit.ru


Смотрите также