ABC цифровая фотография часть 7 - CMOS светочувствительные матрицы

В седьмой части нашего цикла мы подробно опишем принцип работы матриц КМОП. Мы обсуждаем основные различия между преобразователями CMOS и CCD и задаемся вопросом, какое решение заслуживает того, чтобы быть лучше. Добро пожаловать! 1. КМОП матрицы

CMOS - это первые буквы названия дополнительного оксида металла, что означает определенную полупроводниковую технологию, которая характеризуется более низким напряжением источника питания, более низким энергопотреблением и более высокой помехоустойчивостью (по сравнению с матричными элементами CCD). Наиболее важной особенностью матриц КМОП, которая отличает их от датчиков ПЗС, является их архитектура, и только затем технология производства используемых полупроводниковых приборов.
В матрицах CMOS каждый пиксель интегрирован с электрическим преобразователем заряда для напряжения и усилителем этого напряжения. Эта архитектура устраняет шум, генерируемый в ПЗС при перемещении зарядов в общую схему преобразования напряжения для всех пикселей.
Каждый пиксель имеет свой адрес (x, y), определяющий его положение в матрице CMOS. Это позволяет не только читать пиксели в любом порядке, но и любое количество пикселей. Это дает вам возможность легко прочитать часть изображения (управление окнами, которое можно перевести как «управление окнами»). Как правило, дополнительный усилитель напряжения и аналого-цифровой преобразователь интегрированы с матрицей CMOS, поэтому мы фактически читаем числа, представляющие яркость каждого пикселя из преобразователя. Эти элементы дают КМОП-датчикам преимущество по сравнению с ПЗС-датчиками с точки зрения скорости и читаемости. CMOS, однако, имеет не только преимущества.
Фотодиоды, изготовленные по технологии CMOS, имеют более низкую чувствительность (рассчитанную на единицу площади) и больший темновой ток, что проявляется в виде шума на снимках с длительным временем экспозиции. Более низкая чувствительность фотодиодов компенсируется использованием больших размеров пикселей в матрицах CMOS, что, однако, требует большего общего размера датчика. Именно поэтому CMOS используются в основном в зеркальных фотокамерах с большими размерами преобразователя. Большой, то есть формат, похожий на маленький рисунок или даже полный кадр (24x36 мм).
Если большинство компактных камер имеют ПЗС 1 / 1,8 ", что соответствует примерно 5,3x2,2 мм, матрицы CMOS, используемые в популярных зеркальных фотокамерах, имеют символ APS, который соответствует размерам от примерно 14x21 мм до 16x24 мм. Поэтому матрица формата APS примерно в 8 раз больше, чем матричная поверхность 1 / 1,8 ". К сожалению, часть этой области занята электронными схемами, объединенными с каждым пикселем. Поэтому коэффициент заполнения пикселя меньше, чем в ПЗС. На всякий случай напомним - коэффициент заполнения - это отношение поверхности всего пикселя к поверхности, освещенной светом.

схематическое представление поперечного сечения матрицы CMOS

Сравнивая рисунок выше с первой иллюстрацией из 5. части нашего руководства мы видим дополнительные зеленые прямоугольники, которые символизируют электронную схему преобразования заряда в напряжение и усилитель этого напряжения. Интеграция датчика нагрузки в напряжение с фотодиодом и считывание этого напряжения в адресной системе (x, y) является наиболее важным отличием матриц КМОП по отношению к датчикам ПЗС. Такая архитектура значительно сокращает время считывания всей матрицы, поскольку обработка зарядов для напряжения происходит одновременно для всех пикселей, в то время как в матрице ПЗС нагрузки от каждого пикселя поочередно подаются в систему обработки.
Однако конструкция CMOS-матриц имеет недостаток. С технологической точки зрения невозможно создать несколько или около десятка миллионов совершенно идентичных систем, преобразующих нагрузку в напряжение. Таким образом, при равномерной экспозиции всего CMOS-датчика мы будем считывать немного отличающееся напряжение от каждого пикселя, которое будет отображаться на изображении как шум. Однако этот недостаток можно легко устранить с помощью соответствующей функции программы, хранящейся в камере. Сразу после съемки камера выполняет вторую, с закрытым механическим затвором. Из напряжений, представляющих фотографию объекта, программа в камере вычитает напряжения, представляющие «фотографию» с закрытым затвором. Это устраняет как шум от неравномерного усиления сигнала на отдельных пикселях, так и шум от темнового тока.
2. Электронный затвор в матрице CMOS
Возможность управления сбросом пикселей, то есть сбросом нагрузки, собранной на них, и процессом сбора нагрузки под воздействием света, позволяет использовать «электронный затвор». Не вдаваясь в подробности, это выглядит так:

• С помощью соответствующих электрических импульсов мы сбрасываем заряд в пикселях,
• мы ждем время, установленное программой, например, 1/125 с,
• мы читаем сборы, собранные на матрице.

Таким образом, мы получаем фотографию с выдержкой 1/125 с. Конечно, для ясности мы опускаем в этом описании процесс установки других параметров, необходимых для получения технически правильной фотографии.
Однако использование потенциала цифровой камеры, такой как уже упомянутая компенсация шума, требует механического затвора. Сочетание снимков обоих типов расширяет возможности цифровой камеры по сравнению с возможностями аналоговых камер.

КМОП-сенсор для Canon EOS 5D

Это стандартный вопрос для большинства фотографов-любителей, на который нет однозначного ответа. Исторически говоря (имеется в виду начало 90-х годов), матрицы CCD были определенно лучше. Они обладали большей чувствительностью и меньшим уровнем шума, и это те параметры, которые определяют качество получаемой фотографии. В настоящее время матрицы CMOS начинают доминировать в камерах высокого класса. Использование датчиков с большей площадью пикселя обеспечивает высокую чувствительность и динамику, то есть максимальную разницу яркости, регистрируемую матрицей. Большой темновой текущий CMOS-пиксель компенсируется отсутствием шума, связанного со смещением зарядов к считывающим элементам в ПЗС. Матрицы CMOS потребляют меньше энергии, что продлевает срок службы всей камеры от одного заряда батареи.
Чтение CMOS-пикселей в адресной схеме (x, y) дает вам огромные возможности программного контроля качества изображения. Упомянутое выше окно, то есть считывание выбранного фрагмента изображения, записанного на матрице, позволяет значительно ускорить последовательность нескольких или даже нескольких фотографий, что может быть очень полезно в некоторых обстоятельствах.
С помощью метода управления окнами мы можем записать изображение с меньшим разрешением, например, считывая примерно каждый пиксель, но мы также можем сохранить небольшой фрагмент большого изображения. Более того, это может быть фрагмент любого размера, взятый из любого фрагмента оригинальной фотографии. Оконное управление позволяет легко реализовать метод фокусировки путем максимизации контраста. Мы загружаем небольшие части изображения в память процессора (необходимые для анализа контраста), а не целое изображение, а затем выбираем из него нужные нам фрагменты.
Такая система чтения также позволяет легко добавлять нагрузки из нескольких соседних пикселей. Это снижает разрешение, но увеличивает чувствительность, что очень полезно при фотографировании в условиях низкой освещенности. Нам приходится иметь дело с повышением чувствительности без увеличения уровня шума. Обычное увеличение чувствительности в цифровой камере состоит в увеличении усиления напряжения, полученного от пикселя, перед подачей его на аналого-цифровой преобразователь. Такое усиление приносит шум по аналогии с усилением акустических сигналов.
Глядя на данные каталога цифровых камер, мы видим, что ПЗС используются как в компактных камерах, так и в камерах среднего радиуса действия. Сравнение нескольких моделей камер разных производителей показывает, что оба типа головок используются в зеркальных камерах. Разрешение матрицы и размеры указаны в скобках.
Камеры с датчиками CMOS:

• Canon EOS 400D (10,1 Мп, 22,1x14,8 мм)
• Canon EOS 1D Mark II N (8,2 Мп, 28,7x19,1 мм)
• Nikon D2Xs (12,2 Мп, 23,7х15,7 мм)

• Nikon D40 (6 Мп, 23,7х15,5 мм)
• Nikon D80 (10 Мп, 23,6x15,8 мм)
• Pentax K10D (10 Мп, 23,5x15,7 мм)

Матрицы CMOS в принципе используются только в зеркальных камерах высокого и высшего класса. В последнем случае матрицы КМОП выбираются из множества произведенных в данной серии. Двойная разница в цене между цифровыми камерами с почти одинаковыми параметрами объясняется тем, что более дорогая камера имеет матрицу, выбранную из 10 предметов, полученных в серийном производстве. Гекс из предыдущего предложения не является ошибкой. Производители не предоставляют такую ​​информацию общественности.
В дополнение к дорогим зеркальным камерам матрицы CMOS также устанавливаются в фотоаппаратах, интегрированных с мобильными телефонами. Эти матрицы потребляют в несколько раз меньше электроэнергии, чем датчики CCD, и этот фактор решает установить их в ячейках. Они используют преобразователи с более низким разрешением, чем в «классических» цифровых камерах, но уже есть ячейки с камерами с разрешением выше 3 Мп, что намного больше, чем в первых цифрах, доступных в продаже.
Таким образом, у обоих типов матриц есть свои плюсы и минусы, и выбор аппарата с той или иной матрицей зависит от наших финансовых возможностей.
4. FOSSON X3 CMOS сенсор
Это особая разновидность матриц, выполненная по технологии CMOS, отличающаяся другим способом получения цветов, чем использование фильтра Байера. Конструкция и принцип работы матрицы Foveon X3 настолько отличаются от «классических» CMOS-матриц, что требуют отдельной статьи.
Более широкое обсуждение представленных проблем можно найти в книге « Датчики изображения и обработка сигналов для цифровых фотоаппаратов» под редакцией Юниха Накамуры, опубликованной издательством Taylor & Francis (Лондон, 2006 г.).
Автор - профессор физического факультета Университета А. Мицкевич в Познани.
Следующие термины в нашем словаре помогут вам понять этот текст: ПЗС ">, Чувствительность">, CMOS ">, Светочувствительная матрица">, Пиксель ">.

Похожие