Аналого-цифровой преобразователь 1 страница

Физический размер матрицы

Порой среди характеристик фотоаппарата выделяется физический размер ПЗС-матрицы по диагонали, указываемый в дюймах. Это напрямую связано с размерами оптической системы — чем больше размеры ПЗС-матрицы, тем крупнее должен быть кадр, формируемый объективом. Чтобы достичь этого, требуется увеличить размеры оптических элементов и фокусное расстояние. Если же ПЗС-матрица все-таки больше изображения, генерируемого объективом, то в создании кадра используются не все элементы ЭОП, периферийные области матрицы оказываются невостребованными. В профессиональных камерах, использующих стандартные объективы пленочных «зеркалок», чаще встречается обратная ситуация, когда создаваемая оптикой «картинка» меньше ЭОП. Последнее вызвано тем, что размер матрицы, как правило, меньше кадра 35-мм фотопленки. Подробнее об этом, а также о коэффициенте фокусного расстояния будет рассказано в главе, посвященной профессиональным фотоаппаратам.

Размер матрицы влияет также на ее чувствительность. Чем больше площадь каждого элемента, тем больше света попадает на него, соответственно возрастает чувствительность всего ЭОП. Особенно это заметно в профессиональных моделях, ЭОП которых традиционно отличается большими габаритами, а чувствительность достигает значений порядка ISO 6400 (!). И именно большие линейные размеры могут способствовать росту популярности КМОП-матриц.

Получив сигнал с усилителя, его необходимо перевести в понятный микропроцессору камеры формат.

ПРИМЕЧАНИЕ
АЦП — сокращение словосочетания «аналого-цифровой преобразователь» (analog to digital converter, ADC). Устройство, преобразующее аналоговый сигнал в последовательность цифр. Основной характеристикой является разрядность — количество дискретных уровней сигнала, распознаваемых и кодируемых АЦП. Например, разрядность 8 бит обозначает, что преобразователь в состоянии определить 28 уровней сигнала и отобразить их в виде 256 различных значений.

Чем больше разрядность АЦП, тем теоретически большая глубина цвета может быть достигнута. Однако следует помнить, что разрядность АЦП должна соответствовать динамическому диапазону ПЗС-матрицы. Понятно, что при узком динамическом диапазоне АЦП с большой разрядностью просто нечего будет распознавать. На практике цветовая глубина кадра форматов JPEG либо TIFF, используемых компьютером, ограничена 24 битами (по 8 бит на каждый цветовой канал — синий, красный и зеленый). Так что применяемые в профессиональных и высококлассных любительских камерах АЦП с 10 и даже 12 битами на канал на первый взгляд обладают некоторой избыточностью. Дело в том, что динамический диапазон ЭОП в таких моделях достаточно широкий, и если фотоаппарат оборудован функцией сохранения кадра в нестандартном формате (30-36 бит), то при дальнейшей обработке на ПК есть возможность манипуляции с «лишними» битами. Пользователь может «отрезать» «нижние» либо «верхние» биты в случае передержки или недодержки, исправив таким образом ошибки экспозиции. Если же кадр был снят с правильными диафрагмой и выдержкой, то программное обеспечение в состоянии грамотно «сжать» 30-36 бит в стандартные 24. В этом случае народная мудрость, «много — не мало», абсолютно верна.

Расчет цвета в ПЗС-матрицах. Искажения цвета

Основные цвета аддитивного синтеза — цвета излучений. В трехцветном (RGB) аддитивном синтезе используются синий (blue — В), зеленый (green — G) и красный (red — R) цвета.

ПРИМЕЧАНИЕ
Основные цвета — цвета оптических излучений или красителей, используемые для создания цветных изображений. Различают основные цвета аддитивного и субтрактивного синтеза, то есть со сложением и вычитанием цветов.

Такие основные цвета являются линейно независимыми, так как ни один из них не может быть получен оптическим смешением излучений двух других. Оптическим смешением синтезируют множество цветов, различающихся по цветовому тону, насыщенности и светлоте.

В субтрактивном синтезе используются цвета красителей. В качестве основных фигурируют желтый (yellow — Y), пурпурный (magenta — М) и голубой (cyan — С). Основной цвет субтрак-тивного синтеза называется дополнительным к основному цвету аддитивного синтеза, если красителем первого практически полностью поглощается излучение второго. Например, желтый цвет является дополнительным к синему, пурпурный — к зеленому, голубой — к красному.

Аддитивный синтез является «родным» для компьютерных устройств, в первую очередь, для монитора. В нем изображение создается тремя лучами (RGB). А вот принтеры пользуются субтрактивным синтезом, причем в дополнение к CMY-цветам используется также черный, обозначаемый литерой К — blасk. Добавление черного цвета вызвано тем, что избыток основных красителей, вызываемый необходимостью передать темные тона, может привести к разбуханию бумаги.

Следует помнить, что диапазон цветов, отображаемых с помощью цветовой модели CMY, меньше, чем множество цветов, генерируемых RGB-синтезом. Тем не менее для формирования светофильтров в ходу обе модели.

Напомню, как формируется изображение с использованием так называемой Байеровской схемы размещения элементов. Поскольку ПЗС-элементы способны регистрировать яркость, но не цвет, перед каждым из них устанавливается светофильтр, ограничивающий диапазон цветовых оттенков. Байеровская схема использует чередование R-G-B-G (красный-зеленый-синий-зеленый).

Рис. 3.10. Расположение светофильтров в Байеровской схеме

Дополнительные «зеленые» элементы служат для вычисления яркости и контрастности изображения, это объясняется восприимчивостью человеческого зрения именно к этому цвету.

В результате получается три «мозаики» — по одной для каждого из цветовых каналов. Сложив их вместе, получаем четвертую «мозаику».

Для ликвидации «эффекта мозаики» используется алгоритм, основная суть которого сводится к следующему. Например, там, где установлен пиксел с зеленым светофильтром, мы точно знаем только о яркости зеленого цвета.

Но в соседних восьми точках известны значения как зеленого, так и синего и красного цветов, поэтому возможно определить их среднее значение и для нашего пиксела. Сложив их вместе, получаем значение исходного цвета в данной точке.
Регулярная структура размещения элементов в некоторых случаях приводит к появлению муара. Возможность появления данного искажения зависит от сложности алгоритма, ответственного за расчет цвета. Если при расчете каждой точки учитываются не только соседние пикселы, но и элементы, расположенные на расстоянии 10 и более точек, вероятность возникновения муара очень мала. В идеале для расчета каждой точки желательно использовать информацию обо всех элементах матрицы данного цвета. Разумеется, что для таких интенсивных расчетов требуются высокопроизводительные микропроцессоры и большие объемы ОЗУ.

Следует отметить также, что некоторые производители фотоаппаратов используют схемы CMY (голубой-пурпурный-желтый) и CMYG (голубой-пурпурный-желтый-зеленый).

Рис. 3.13. Расположение светофильтров в субтрактивной Байеровской схеме

Избыток зеленого, как и в случае со схемой RGBG, вызван необходимостью точного расчета контрастности. Чтобы понять причины появления этих альтернативных схем, необходимо вспомнить, каким образом создаются светофильтры над пикселами. Тонкие пленки, наносимые на элементы матрицы, образуются CMY-красителями. Например, красный — комбинация пурпурного и желтого красителей, синий — пурпурного и голубого, зеленый — желтого и голубого. Используя только один слой красителя вместо двух, можно улучшить светопроницаемость светофильтра и повысить чувствительность матрицы. Основное препятствие на пути распространения схем CMY и CMYG -некоторая сложность расчета цвета. Достаточно вспомнить диапазон цветов, генерируемых аддитивным и субтрактивным синтезами, — с помощью модели RGB оттенков генерируется больше, то есть производители сознательно уменьшают диапазон воспроизводимых цветов.

Баланс белого цвета

За исключением вышеперечисленных цветовых шумов, алгоритм ликвидации «эффекта мозаики» справляется с задачей правильной цветопередачи. Однако существуют обстоятельства, затрудняющие этот процесс.

ПРИМЕЧАНИЕ
Цветовая температура— величина, характеризующая спектральный состав излучения источника света, измеряется в Кельвинах. Чем меньше цветовая температура, тем больше красноватых тонов содержится в спектре излучения, для высокой цветовой температуры характерны синеватые оттенки.

Яркий солнечный свет воспринимается человеком как наиболее естественный. А вот свет, генерируемый лампами накаливания, более «теплый», то есть содержит больше красных тонов. В то же время флуоресцентное освещение отличается избытком синих тонов и поэтому кажется «холодным». В процессе фотографирования пользователь не замечает отклонений цветовой температуры, так как подсознательно «подстраивает» свое восприятие под условия съемки. Однако при просмотре кадров смещение цветов отчетливо проявляется — фотографии, отснятые внутри помещения, имеют уклон в сторону «теплых» либо «холодных» тонов (в зависимости от типа освещения).

Для сведения к минимуму этого негативного явления используется процедура настройки баланса белого цвета.

ПРИМЕЧАНИЕ
Баланс белого — процедура, выполняемая встроенным программным обеспечением фотоаппарата при создании файла с изображением. Заключается в приведении цветовой гаммы снимка к наиболее естественному для человеческого зрения виду.

В профессиональных камерах специальный датчик определяет среднюю длину волны света, попадающего в объектив (иногда этот датчик вынесен на переднюю стенку корпуса), и все дальнейшие расчеты цвета ведутся с учетом этого значения. В любительских камерах вычисляются средние значения для каждого из основных цветов, затем производится необходимая корректировка.

В большинстве случаев автоматика камеры справляется с расчетом цветового баланса изображения. Однако в некоторых случаях требуется определенная «подсказка» со стороны пользователя. Она заключается в том, что фотограф предварительно указывает условия съемки, а дальнейшие расчеты цветовой температуры ведутся с учетом этих данных. Наиболее распространены следующие предустановленные значения:

• «Солнечно» (Sunny) — съемка на улице в ясный солнечный день.
• «Облачно» (Cloudy) — съемка на улице при облачной погоде (уменьшенный уровень ультрафиолетовых лучей по сравнению с предыдущим пунктом).
• «Лампы накаливания» (Incandescent) — съемка в помещении, освещение лампами накаливания.
• «Флуоресцентный свет» (Fluorescent) — съемка в помещении, освещение флуоресцентными лампами.

Альтернативным вариантом, чаще встречаемым в полупрофессиональных и профессиональных камерах, является указывание цветовой температуры освещения в Кельвинах, как правило, от 3000 до 7500 К.

Однако при смешанном освещении, например съемке в помещении, освещаемом одновременно сквозь окна солнечными лучами и с потолка лампами накаливания, даже предустановленные значения не могут помочь. В таком случае для корректной цветопередачи некоторые камеры снабжены функцией баланса белого по эталону. При использовании этой функции пользователь наводит камеру на эталон белого, в качестве которого может использоваться обычный лист бумаги, и фиксирует это значение -либо выбором соответствующего пункта меню, либо нажатием
специально выделенной кнопки камеры. Чаще всего эта функция применяется при съемке в студии, когда фотограф имеет достаточно времени на подготовку к фотографированию.

Использование вспышки позволяет выправить цветовую температуру даже без предустановленных значений цветовой температуры. Более того, при установке баланса белого по эталону использование вспышки приводит, как правило, к сильному смещению в область «холодных» тонов.

Интерполяция пикселов. SuperCCD

Интересно, что в некоторых случаях при перемножении количества точек по горизонтали и вертикали можно получить число, большее количества элементов ПЗС-матрицы. В данном случае имеет место обычный рекламный трюк. Когда качества матрицы не хватает на «полноценное» разрешение, оно достигается путем интерполяции точек (причем такое же «улучшение» снимка может быть достигнуто с помощью программного обеспечения для обработки изображения на компьютере). Поэтому всегда следует различать количество элементов ПЗС-матрицы и так называемое разрешение файла — о реальном качестве кадра можно судить только по первому значению.

Фирмой FujiFilm была разработана SuperCCD — ПЗС-матрица с элементами октагональной формы (в отличие от обычных, прямоугольной формы).

Рис. 3.14. Расположение фотоэлементов и регистров сдвига: а — в обычной матрице, b— в матрице SuperCCD

При этом каждые четыре пиксела (два зеленых, синий и красный) располагались как бы внутри квадрата, развернутого на 45°. Количество горизонтальных строк определялось пикселами в верхнем и нижнем углах квадрата, количество вертикальных -элементами в левом и правом углах.

Рис. 3.15. Процесс обработки кадра в матрице SuperCCD

Поскольку в файле точки располагаться так не могут, требовалось программно «развернуть» каждый такой квадрат. В результате этой операции за счет дополнительных горизонтальных и вертикальных строк, образуемых точками в левом/правом и верхнем/нижнем углах квадрата, количество точек изображения удваивалось. После этого компанией FujiFilm была проведена обширная рекламная кампания, в процессе которой провозглашалось, что переход на новую матрицу позволит получать изображения со вдвое более высоким разрешением. Однако, поскольку дополнительные пикселы образуются на основе интерполяции, с таким же уcпехом подобная операция может быть проведена и с обычной матрицей.

Возможна лишь единственная ситуация, при которой разрешение SuperCCD будет реально больше. Для этого изображение снимаемого объекта после прохождения через оптическую систему должно быть меньше расстояния между строками ЭОП, которое, как уже было сказано выше, составляет не более 30 % площади пиксела. При этом изображение должно попадать как раз между строками, то есть состоять из строго вертикальных и горизонтальных линий. В этом случае матрица FujiFilm за счет расположения элементов может «уловить» промежуточные линии. Большинство тестовых изображений, рассчитанных на измерение разрешения камер, состоит как раз из таких линий, поэтому ожидаемый эффект наблюдался.

В то же время если это же изображение будет ориентировано по диагонали, то обычная матрица его «увидит», а вот SuperCCD «пропустит». Причем большинство реальных объектов содержит как раз наклонные детали. Но человеческое зрение в первую очередь выделяет вертикальные и горизонтальные линии, именно на эту особенность восприятия и было ориентировано расположение пикселов SuperCCD.

В определенном смысле качество кадра улучшалось — в первую очередь, за счет большего размера элементов реально возросла чувствительность. Фирмой FujiFilm анонсировалась модель FinePix 4700 с разрешением файла 4,7 мегапиксела, при этом разрешение SuperCCD матрицы составляло 2,3 мегапиксела. Возникновение этой модели было своевременным, поскольку остальные производители задерживались с выпуском настоящих трехмега-пиксельных камер. С появлением фотоаппаратов с ПЗС-матри-цей из трех мегапикселов стало возможным сравнить получаемые кадры. Выяснилось, что улучшение реальных, а не тестовых изображений по сравнению с «обычной» ПЗС-матрицей того же разрешения составляет 20-30 %, в то время как трехмегапиксель-ные камеры обеспечивали рост качества любых изображений в полтора раза. В общем, какими бы ни были форма и размещение элементов матрицы, ее настоящее разрешение зависит только от количества пикселов.

К концу 2001 года Fuji анонсировала SuperCCD третьего поколения. К отличительным особенностям этой матрицы относится возможность суммировать заряды четырех соседних пикселов одного цвета и за счет этого увеличивать чувствительность. Разумеется, что при этом разрешение кадра уменьшается в два раза как по вертикали, так и по горизонтали.

Многослойные матрицы

В феврале 2002 года фирма Foveon объявила о создании сенсора принципиально нового типа. Его появление должно стать таким же технологическим прорывом, каким в свое время стала разра-Зотка ПЗС-матриц с маской Байера, так как в новой КМОП-мат-эице Foveon X3 светофильтры не используются в принципе.

Разделение светового потока на составляющие оттенки происходит за счет того, что свет с разной длиной волны проникает в слой кремния на разную глубину. Например, «синие волны» обладают наименьшей проникающей способностью, а «красные» -наибольшей. В сенсоре Foveon фотоэлемент каждого пиксела состоит из трех слоев.

Рис. 3.16. Структура матрицы Foveon ХЗ

Толщина этих слоев рассчитана так, что они пропускают лучи: определенной длиной волны. При этом к самому нижнему слою «пробиваются» фотоны с «красной» длиной волны, в среднем «увязают» «зеленые» фотоны, а в самом верхнем — «синие». Образующиеся при этом электроны и «дырки» накапливаются в трех потенциальных ямах — по одной на каждый слой. Таким образом, для любого из пикселов матрицы есть данные по каждому из цветовых диапазонов. Это позволяет отказаться от схемы Байера и связанных с ней потерь данных о цвете.

Но как у каждой новой технологии, у этой схемы есть ряд побочных эффектов. Вот лишь некоторые из них.

Ранее было описано негативное влияние блюминга на качество кадра, а также сложности, возникающие при нейтрализации этого эффекта. В многослойных матрицах блюминг становится «трехмерным» — избыточный заряд может перетекать не только в соседние пикселы, но и в «чужие» слои. При этом вертикальный электронный дренаж практически невозможен, а реализовать боковой дренаж крайне сложно.

При съемке с максимально открытой диафрагмой увеличивается процент лучей, падающих на поверхность сенсора под большим углом. Для обычных матриц это не проблема, просто лучи иногда не попадают на светочувствительную поверхность сенсора. А вот в многослойных ЭОП преломление света на стыке слоев матрицы может привести к проникновению фотонов в «Чужой» слой.

Следует помнить, что при распределении фотонов по слоям часть их неизбежно будет поглощена при переходе из одного слоя в другой. В результате чувствительность матрицы ослабляется.

Однако предположим, что разработчикам каким-то образом удалось разрешить все вышеперечисленные проблемы. Означает ли это, что многослойные матрицы при этом раз и навсегда заменят сенсоры «классической» конструкции? Вряд ли.

При одинаковом разрешении и равных физических габаритах потенциальные ямы пикселов матриц, построенных по Байеров-ской схеме, всегда будут «глубже», чем у «слоеных» сенсоров. Соответственно, шире будет и динамический диапазон. Человеческий глаз устроен таким образом, что яркость для него важнее, чем цвет. И если кадр идеален по цветопередаче, но все освещенные участки представляют собой белые пятна, а тени — черные, то такое изображение никто не назовет удачным снимком — ни профессионал, ни любитель.

Основные производители

В процессе эволюции разрешение цифровых фотокамер увеличилось в несколько раз. Поэтому большое количество производителей ЭОП, изделия которых использовались в ранних моделях фотоаппаратов, в итоге сильно сократилось. Кроме увеличения азрешения на процесс «естественного отбора» влияли и другие причины. Помимо уже рассмотренных характеристик (динамический диапазон, соотношение сигнал/шум и т. д.), для проектировщиков камеры важны также уровень энергопотребления ЭОП и совместимость с существующей элементной базой, а для производителя сенсора — процент брака и себестоимость устройств.

На рубеже тысячелетия можно было выделить двух крупнейших производителей ПЗС-матриц для профессиональной и студийной техники — Eastman Kodak в США и Philips в Европе.

Заслугой разработчиков Kodak является внедрение бокового антиблюмингового дренажа в полнокадровых матрицах, позволившего значительно увеличить динамический диапазон ЭОП по сравнению с сенсорами, в которых был применен вертикальный дренаж. В матрицах, изготовленных по технологии BluePlus, электрод, расположенный над светочувствительной областью пиксела, изготавливался на основе оксида индия и диоксида олова. За счет этого значительно повышался коэффициент пропускания электрода, в итоге резко выросла чувствительность сенсора, особенно в традиционно «трудных» для ЭОП «синей» и «фиолетовой» областях спектра.

Всю продукцию Kodak можно разделить на три большие категории:

• ПЗС-матрицы для студийной и профессиональной техники;
• ПЗС-линейки для студийных сканирующих приставок к крупноформатным фотоаппаратам;
• ПЗС-матрицы и КМОП-сенсоры для любительских фотокамер.

Сенсоры для любительских моделей используются, за редким исключением, только в фотоаппаратах Kodak. Зато матрицы, предназначенные для студийных камер, применяются практически всеми производителями этой категории. Последняя разработка фирмы — сенсор с разрешением 22 мегапиксела.

Голландским концерном Philips была сделана попытка минимизировать себестоимость ПЗС-матриц с помощью оригинальной технологии Building Block. При обычном производстве ПЗС-матрица высокого разрешения изготавливается единым блоком и при браке потери велики. Кроме того, максимальный размер ЭОП ограничивается возможностями оборудования. В противоположность этому, методика Building Block (буквально — кирпичи), разработанная Philips, основана на использовании «кирпичиков», состоящих из модулей размером 1000x1000 пикселов. Объединяя данные «кирпичики», можно построить сенсор практически неограниченного разрешения. При этом в случае обнаружения дефекта в одном из модулей его можно легко заменить. Таким образом, себестоимость изделия значительно ниже.

Наибольшей популярностью пользовалась шестимегапиксель-ная матрица FTF 3020 (36x24 мм), применявшаяся в большинстве моделей студийных камер. Из новых сенсоров перспективным считается 11-мегапиксельный ЭОП, тоже созданный по технологии Building Block. Его мегапиксельные «кирпичики» по габаритам меньше прежних модулей, поэтому размеры новой матрицы такие же, как и у шестимегапиксельной модели. Благодаря этому студийные фотоаппараты, использовавшие FTF 3020, легко могут быть оборудованы новым сенсором.

Как было замечено выше, основной особенностью матриц Fuji-Film являются нестандартная форма и расположение элементов, в то же время реальных плюсов данные решения не продемонстрировали. В результате матрицы этой фирмы применяются только в фотоаппаратах FujiFilm, хотя ассортимент сенсоров довольно широк и включает в себя разработки для профессиональной техники.

Корпорация Sony с самого начала ориентировалась исключительно на рынок массовой техники. При этом разработчикам данной фирмы удалось внедрить ряд решений, благодаря которым качество кадров значительно улучшилось.

Одной из основных инноваций была технология HAD — Hole-Accumulation Diode. В матрицах HAD носителями информации о заряде пиксела были не электроны, а так называемые «дырки». При этом отпадала необходимость в полисиликоновом электроде над светочувствительной частью пиксела и значительно увеличивалась чувствительность сенсора, особенно в коротковолновой части спектра. Кроме того, размещение поглощающего «дырки» слоя у поверхности матрицы уменьшало тепловой шум.

При максимально открытой диафрагме растет процент лучей, падающих на поверхность матрицы под большими углами. После прохождения через микролинзы обычной конструкции эти лучи, как правило, не попадали на светочувствительный элемент. Чтобы уловить максимальное количество света, попадающего на микролинзу, разработчики Sony в матрице New Structure CCD использовали дополнительный оптический элемент. Расположенная непосредственно над светочувствительным элементом внутренняя линза корректировала лучи, входящие под большими углами.

Ассортимент ПЗС-матриц Sony очень велик, причем с увеличением разрешения размер и интерфейсные разъемы сенсора не изменяются, что позволяет при разработке нового фотоаппарата использовать прежнюю оптику и корпус.

С появлением в модельном ряде матрицы ICX413 Sony заняла соответствующую нишу на рынке профессиональных камер. При диагонали 28,4 мм размеры, сенсора (23,4x15,6 мм) соответствуют кадру пленки формата APS, поэтому он идеально подходит для использования в моделях, создаваемых на базе пленочных «зеркалок». В результате эту шестимегапиксель-ную матрицу выбрал Nikon для своей профессиональной модели D-100.

Значительных успехов в разработке КМОП-матриц для профессиональных камер добился концерн Canon. Размер сенсора был увеличен до габаритов кадра APS, в результате возросло отношение светочувствительной части пиксела к «обвязке» и, как следствие, значительно поднялась чувствительность.

Кроме того, в состав компонентов каждого пиксела был включен своеобразный «фильтр», который замерял уровень электронного шума, генерируемого «обвязкой» в нерабочем состоянии. При съемке «фильтр» каждого элемента автоматически «вычитал» этот шум из сигнала, в результате влияние неравномерно распределенных по матрице электронных помех удалось снизить.

Лидирующие позиции в области разработки КМОП-матриц занимает белый искал фирма Fill Factory. Она была основана в 1999 году, но разработками КМОП-матриц занималась еще с 1987 года, будучи подразделением ШЕС, Европейского независимого центра микроэлектронных технологий. В итоге в стенах FillFactory появился ряд интересных и эффективных решений, улучшивших показатели КМОП-сенсоров.

В первую очередь удалось значительно увеличить светочувствительную область пиксела. В обычных КМОП-матрицах фотоны «выбивают» электроны на всей поверхности пиксела. Только вот эти «фотоэлектроны» (термин ненаучный, но иногда в оптоэлек-тронике применяемый) притягиваются либо «обвязкой» (расположенной, кстати, на поверхности матрицы), либо подложкой сенсора. Поэтому «фотоэлектроны», генерируемые поверхностью вокруг фотоэлемента (а это более 70 % всей площади пиксела), в процессе создания заряда никоим образом не участвуют.

Специалисты FillFactory предложили простое и гениальное решение. Благодаря генерируемому электростатическому барьеру «фотоэлектроны», генерируемые под «обвязкой», не поглощаются ни «обвязкой», ни подложкой, а «всасываются» потенциальной ямой фотоэлемента. Процесс «всасывания» не столь уж и длителен (от 10 до 50 наносекунд), поэтому тепловой шум (обычно заметен при «длинных» выдержках на всех типах сенсоров) практически отсутствует. А вот чувствительность сенсора возрастает в несколько раз, при этом нет необходимости использовать матрицы больших габаритов. Следовательно, данная технология может быть использована и в любительской технике.

Динамический диапазон КМОП-сенсора можно расширить, используя еще одну из наработок FillFactory — нелинейный режим накопления заряда. В этом режиме в «обвязку» пиксела добавлены элементы, которые при достижении определенного уровня заряда в потенциальной яме переключают пиксел в состояние «насыщения». В этом состоянии «фотоэлектроны» накапливаются в потенциальной яме менее интенсивно, уменьшая риск ее переполнения.

Благодаря данной методике происходит адаптивное сжатие динамического диапазона кадра — светлые участки не выглядят «засвеченными», а темные — «недодержанными». Кроме того, не нужна большая разрядность АЦП, сокращается также размер кадров.

Разработанные FillFactory КМОП-сенсоры нашли свое применение как в студийных (Leaf C-Most, Leaf Valeo), так и в профессиональных (Kodak DCS Pro 14n) фотоаппаратах. Возможно, что в недалеком будущем КМОП-матрицы этой фирмы будут использоваться и в любительской технике.

Дополнительные устройства

В предшествующих разделах были рассмотрены три основные части фотоаппарата: оптика, системы регистрации и хранения изображения. Разумеется, что электронно-механическая «начинка» камеры содержит и другие детали, назначение большинства из них понятно и интересно только для узких специалистов. Но есть ряд устройств, которые.выполняют понятные для обычного пользователя задачи. Среди них можно выделить систему питания, лампу-вспышку, жидкокристаллический дисплей и интерфейсы подключения.

Система питания

Поскольку, в отличие от пленочных фотоаппаратов, функционирование цифровых камер невозможно без электрического тока, надежность системы питания является ее главной характеристикой. От используемых элементов питания (батарей либо аккумуляторов) требуется высокая энергоемкость, в то же время эти элементы должны быть компактными и легкими.

В настоящее время обозначились две основные тенденции, практикуемые производителями камер. В первом варианте, наиболее распространенном, питание камеры рассчитано на 2-4 элемента формата АА (так называемые «пальчиковые батарейки»). Такой подход обеспечивает общедоступность используемых элементов питания, одновременно вынуждая пользователя тратить деньги не только на расходные материалы для принтера (если фотографии печатаются), но и на батареи. Кроме того, новые фотоаппараты потребляют энергии в несколько раз больше, чем старые модели.

Другой вариант подразумевает комплектацию камеры аккумулятором, как правило, совместимым с используемыми в портативной бытовой технике литиево-ионными элементами питания. Подобного рода аккумуляторы можно найти в CD-плейерах, видеокамерах и других устройствах. При этом камера оснащается также блоком питания от обычной электросети (если заряд аккумулятора производится внутри фотоаппарата), либо зарядным устройством (это предпочтительнее, так как при этом нет опасности повреждения камеры в случае всплеска напряжения в электросети). Минус такого варианта в сложности поиска сменных элементов питания и их высокой цене.

Дата добавления: 2015-05-26