Камерофон как цифровой фотоаппарат - азы устройства. Часть 1:

Сенсоры CMOS и CCD
Как устроена фотографическая половинка камерофона? Что такое сенсор? Как он работает? В принципе, без этих необязательных знаний можно обойтись.


Множество людей успешно пользуется сотовыми телефонами, даже не подозревая о тонкостях их устройства. Но техника фотографии настолько интересна, настолько увлекательна, что удержаться от соблазна небольшого исследования невозможно...

Цифровой фотоаппарат, как и многие замечательные электронные штучки, окружающие нас, дело рук инженеров компании Sony. В начале 80-х годов в недрах этой новаторской корпорации появился на свет проект Mavica. Итогом исследований должен был стать трёхмерный сканер, способный оцифровывать объёмные изображения. Исходная технология оцифровки двухмерных изображений уже существовала и применялась достаточно широко. Обычный планшетный (барабанный, ручной – неважно) сканер состоит из набора светочувствительных полупроводниковых элементов, выстроенных в линейку, оснащённых миниатюрными объективами и лампой подсветки. Сканирование плоского оригинала (листа бумаги с рисунком или текстом) производится построчно и последовательно. Линейка располагается под сканируемой поверхностью оригинала. Лампа освещает лист, световой поток отражается от поверхности оригинала и фокусируется микрообъективами на поверхности светочувствительных электронных элементов. В переходном слое полупроводника возникает слабый электрический ток. Чем выше яркость света, тем больше ток. Этот сигнал усиливается и поступает в АЦП, где преобразуется в цифровой двоичный код, последовательность логический нулей и единиц. После сканирования узкой полосы оригинала линейка сдвигается шаговым двигателем и процесс сканирования повторяется. Таким образом, общее изображение строится из отдельных отсканированных строк.

Каждый элемент сканера снабжен оптической системой. Очень похоже на микроскопический фотоаппарат, только угол сканирования очень мал – на поверхности светочувствительного элемента фокусируется изображение всего одной точки. А если собрать светочувствительные элементы не в узкую линейку, а в прямоугольную матрицу? И расположить полученный набор в кадровом окне плёночного фотоаппарата? Получится тот самый трёхмерный сканер, над которым трудились инженеры Sony.

Теоретически задача выглядит элементарно простой. На практике она оказалась настолько труднореализуемой, что на разработку технологии ушли многие годы. Здесь возникает целый ряд очень непростых проблем. Во-первых, элементы матрицы должны быть таких размеров, которые были бы хотя бы сравнимы с размером зёрен фотоэмульсии обычной фотоплёнки на основе галогенидов серебра. Во-вторых, самих элементов должно быть достаточное количество, чтобы обеспечить приемлемое разрешение. При этом размеры самой матрицы должны быть как можно больше, чтобы воспользоваться оптикой для узкоплёночных камер. Далее – полученное изображение должно быть полутоновым, то есть сенсор должен различать не только светлые и темные участки изображения, но и градации между абсолютно черным и абсолютно белым. Минимальное количество градаций не менее 16, то есть оцифровка должна быть не менее, чем 4-разрядной. Но более или менее приемлемая картинка получается при 8-разрядной оцифровке, когда каждый элемент монохромного изображения может иметь какую либо из 64 градаций серого цвета.

Да, а как быть с настоящим цветом? Цветное изображение можно получить разными способами, но самый простой – наложением трёх базовых цветов (красного, зелёного и голубого). Точность цветопередачи не самая высокая (другие цветовые модели используют четыре и более цветов), но и при этом способе каждый светочувствительный элемент матрицы должен состоять из триады более мелких субэлементов, каждый из которых прикрывается светофильтром одного из базовых цветов. То есть сенсор состоит из набора элементов, каждый из которых, в свою очередь, не один, а три субэлемента - триада. Размеры субэлемента втрое меньше размеров элемента и различимы разве что под микроскопом. Задача всё же была решена, и в начале 90-х годов на рынке появились первые цифровые камеры любительского и профессионального классов. Позже на основе этих же технологий были созданы и цифровые видеокамеры для съемки движущихся объектов… К слову – в современных сенсорах ПЗС используется иная, более сложная с технической точки зрения, но и более точная, более эффективная технология построения цветного изображения, основанная на анализе яркостной составляющей цветовой характеристики изображения.

Сегодня в цифровой съёмочной технике применяются сенсоры двух типов – ПЗС (прибор с зарядовой связью, в английском варианте получается аббревиатура CCD) и КМОП (комплиментарный металл-окисел-полупроводник, в английском варианте CMOS). Первые, ПЗС, более сложны в производстве, обладают высокой светочувствительностью и точностью оцифровки изображений, вторые, КМОП, более технологичны, а потому считаются самыми перспективными. Однако сенсоры КМОП, применяемые в любительской аппаратуре начального уровня и в камерофонах, имеют невысокую светочувствительность и разрешение (хотя в дорогие полупрофессиональные камеры, вроде Canon EOS 350D, устанавливают сенсоры, построенные именно по этой технологии). Почему же в камерофонах не используются сенсоры ПЗС? Причина в особенностях устройства самих сенсоров.

Сенсор КМОП - это матрица светочувствительных элементов, каждый из которых представляет собой крошечный полупроводниковый элемент (полевой транзистор), изменяющий свои параметры в зависимости от яркости падающего на его поверхность света. Количество элементов в матрице определяет разрешение сенсора, то есть в сенсоре разрешением 350 тыс. пикселей (что равно разрешению VGA - 640х480 пикселей) примерно столько же светочувствительных ячеек. На самом деле их несколько больше, поскольку часть ячеек выходит за границы кадровой рамки и в построении снимка не используется. Сенсор КМОП потребляет электроэнергию только в момент экспозиции (транзисторы изменяют своё состояние на открытое или закрытое только под воздействием светового потока), поэтому экономичен и не требователен к источникам энергии. Вместе с тем ячейки матрицы КМОП крупней ячеек ПЗС и светочувствительность их ниже (поскольку на поверхности матрицы располагаются не только транзисторы, но полупрозрачные металлические проводники).

Каждая ячейка сенсора ПЗС представляет собой трёхслойную конструкцию из полупроводниковой подложки, изолирующего слоя окисла и металлического электрода. К электродам постоянно подводится электрический ток, величина которого изменяется под воздействием светового потока. Эти изменения считываются контроллером сенсора, обрабатываются процессором, который на основе этих сигналов строит картинку. Сенсор ПЗС устроен намного сложней сенсора КМОП. Кроме светочувствительных ячеек (они называются стеками накопления), на поверхности матрицы располагаются специальные ячейки (стеки) хранения и транспортировки сигналов (регистры вертикального сдвига). Если сенсор КМОП в самых простых камерах (и, кстати, в камерофонах) не требует применения механического затвора - контроллер просто считывает мгновенное состояние ячеек засвеченной матрицы, в сенсоре ПЗС затвор необходим. Дело, опять же, в особенностях устройства сенсоров ПЗС. Существует три вида светочувствительных матриц на основе элементов с зарядовой связью. Первый вид – матрицы с построчным переносом зарядов. На них стеки накопления и стеки хранения расположены в непосредственной близости. Возникающие на электродах стеков накопления электрические заряды перемещаются в стеки хранения, представляющие собой такие же ячейки, но прикрытые светоизолирующим слоем, а потом заряды по регистрам вертикального сдвига поступают в выходной усилитель матрицы. Если световой поток будет облучать поверхность такого сенсора постоянно, то сохранённые и только что возникшие заряды будут смешиваться и картинки не получится. Поэтому сенсорам со строчным переносом зарядов требуется фотозатвор, ограничивающий время экспозиции.

Сенсоры другого вида – с покадровым переносом – устроены несколько иначе. В них светочувствительные ячейки соединены не с регистрами хранения, а непосредственно с регистрами вертикального сдвига. По регистрам электрические заряды попадают в регистры хранения, расположенные по краям поверхности сенсора. Поскольку процесс переноса зарядов занимает некоторое время, заряды не успевают смешиваться. Такой матрице фотозатвор не нужен. Но в фотоаппаратах лишь изредка применяются сенсоры с построчным переносом зарядов и почти никогда с покадровым. Почему? Потому что сенсор первого вида не позволяет использовать встроенный дисплей фотоаппарата для визирования кадра, а сенсор второго типа оказывается крайне громоздким и неэффективным – значительная часть поверхности матрицы не используется, поскольку на ней располагаются и стеки накопления, и стеки хранения зарядов.

В современных фотоаппаратах в подавляющем большинстве случаев используются сенсоры, построенные по гибридной технологии. То есть центральная часть матрицы устроена по принципу сенсора с покадровым переносом зарядов и работает в системе построения изображения на дисплее камеры в режиме визирования. А остальная часть сенсора построена по принципу матрицы с построчным переносом зарядов. Непосредственно перед съёмкой (когда мы скомпоновали кадр по электронному дисплею и нажимаем спусковую кнопку) затвор фотоаппарата закрывается, сенсор переключается в режим построчного переноса, затвор отрабатывает выдержку, сенсор экспонируется, сигналы с ячеек поступают в выходной усилитель и далее в контроллер сенсора, матрица снова переключается в режим покадрового переноса зарядов, затвор открывается – мы снова можем использовать встроенный дисплей камеры в качестве электронного видоискателя.

Автор: © Николай Надеждин, специально для Mobiset.ru

Если Вас заинтересовала эта лекция , впереди ещё четыре:

Источник: http://www.mobiset.ru/articles/text/?id=595