Матрица цифрового фотоаппарата. Основные типы сенсоров

Цифровая фотография в настоящее время практически полностью поглотила пленочные технологии, ей предшествовавшие. Но путь развития цифровых технологий в фотографии был не таким уж коротким, как может показаться. Еще в конце 60-х годов прошлого века были изобретены фоточувствительные полупроводниковые устройства, чувствительные к свету, названные комплиментарными металлооксидными полупроводниками, сокращенно КМОП, а по-английски — Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor, сокращенно CMOS.

Однако, как известно, наука не стоит на месте, и позднее были изобретены приборы с зарядовой связью – ПЗС, по-английски – Charge Coupled Device, CCD. Они быстро вытеснили КМОП, так как качество формирования изображений у них было намного выше. Уже в 1973 году первые ПЗС-сенсоры поступили в продажу, став идеальным выбором для изготовления светочувствительных сенсоров. В современном мире ПЗС-матрицы представляют собой микросхемы специального назначения, и применяются, в основном, только для получения изображения. Производство матриц этого типа является трудоемким процессом. Их изготовлением занимается небольшое число корпораций, в их числе Kodak, Sharp, Sony, Philips, Fuji.

А что же КМОП-матрицы? Они тоже продолжают использоваться, но, как правило, в недорогих фотоаппаратах, а также применяются для изготовления памяти, обработки данных и других цифровых функций. Матрицы КМОП по сравнению с матрицами ПЗС отличаются пониженным энергопотреблением и высокой технологичностью. Но их разрешение, светочувствительность, динамический диапазон и устойчивость к шумам ниже, чем у ПЗС-матриц. И все-таки ряд характеристик этих устройств по-прежнему привлекает к себе внимание производителей цифровой фототехники. К примеру, используя технологии КМОП можно производить обработку изображения в той же микросхеме (так как и сенсоры, и обрабатывающая аппаратура изготавливаются на одной и той же базе элементов), а устройства на базе КМОП-технологий (в том числе и цифровые камеры) получаются значительно меньшими по цене и обладают более миниатюрными размерами. Характеристики КМОП-сенсоров и технологии их производства были значительно улучшены в начале 90-х годов прошлого столетия. Это привело к повышению их светочувствительности за счет увеличения эффективной площади освещаемой матрицы, то есть в последние годы КМОП стали серьезной альтернативой ПЗС.

Матрицы ПЗС на сегодняшний день строятся на основе различной архитектуры. Наиболее распространены до недавнего прошлого были матрицы с двумя различными механизмами сдвига кадра — FFT, Full-Frame Transfer, перенос полного кадра, и FT, Frame-Transfer, перенос кадра. В этих устройствах применяются фотоконденсаторы в качестве детекторов. В третьем типе архитектуры используются матрицы с IT, Interline Transfer, межстрочным переносом, в котором детектор состоит из фотодиода и фотоконденсатора. Из всех этих трех типов простейшая архитектура, технология производства и способ функционирования принадлежит FFT-матрицам. Из-за простоты конструкции они обладают наиболее высоким разрешением и более высокой плотностью, но при этом не отличаются высокоскоростными характеристиками. FT-матрицы имеют во многом похожую архитектуру, но у них присутствует такой же, но отдельный и не имеющий светочувствительности параллельный сдвиговый регистр, который называется Storage Array — область хранения. Превосходство такой архитектуры заключается в осуществлении практически непрерывного процесса съемки. Но для претворения в жизнь такого построения необходима площадь матрицы в два раза большая, чем для сенсоров FFT-архитектуры, и камеры на таком базисе в результате обладают меньшим разрешением и имеют более высокое ценовое выражение. Эти ограничения FT-матриц преодолеваются IT-матрицами, но главным минус последних — сложность технологии их производства, которая и приводит в результате к росту их стоимостной оценки. Плюс к этому, у этих матриц более низкая светочувствительность из-за меньшей площади светочувствительной зоны, что равносильно уменьшению действующего отверстия, что к тому же приводит к росту числа ошибок в процессе оцифровки полученного изображения.

Не так давно один из лидеров по производству ПЗС-матриц — корпорация Sharp — заявила о смене стратегии: она готова предложить так называемые FIT (Frame-Interline Transfer) ПЗС, которые сочетают в себе все преимущества IT- и FT-архитектур.

Сенсоры изображений, построенные на базе КМОП-структур, выполняют более высокое количество функций на одном чипе, чем матрицы на основе ПЗС-структур. Такая интеграция функций на одной микросхеме является главным преимуществом КМОП над ПЗС. Кроме генерирования электронов проводимости под воздействием падающего света и их переноса, КМОП-сенсоры могут сами совершать обработку изображений, выделять контуры, производить шумоподавление и аналогово-цифровое конвертирование. Такой высокий уровень внедрения позволяет не устанавливать в цифровиках дополнительных микросхем, например процессора цифровой обработки сигналов и АЦП. Однако самая привлекательная их особенность — возможность программирования различных функций, что позволяет делать КМОП-устройства весьма гибкими. Да и к тому же, поскольку КМОП-устройства потребляют меньше энергии, чем ПЗС, они не греются, а следовательно, у них более низкий уровень тепловых шумов.

Критерии выбора между ПЗС- и КМОП-матрицами для производителей конечной продукции были довольно четкими лишь до 2001 года: ПЗС-матрицы обеспечивали лучшие показатели при съемке динамичных и мелких объектов, поэтому их использовали для построения систем, требующих высокого качества изображения, а КМОП отводилась ниша устройств, для которых критична конечная стоимость — недорогие фотоаппараты, бытовая и офисная техника, а также игрушки. Правда, такие цифровые камеры, как Canon 10D и 300D, давали профессиональное качество снимков и на КМОП-сенсорах. Но в 2001-2003 годах появились и начали стремительно завоевывать популярность мобильные телефоны со встроенными фотокамерами — камерафоны, и противостояние КМОП- и ПЗС-сенсоров вышло на новый уровень. Сейчас многие производители начали пересматривать свое отношение к КМОП как к элементной базе дешевого оборудования. Чтобы повысить качество, в процесс создания КМОП-сенсоров были внесены существенные изменения. Раньше их изготавливали на таких же высокоскоростных линиях, как и, например, чипы памяти. Сегодня растущая потребность в более качественных КМОП заставляет разработчиков переводить производство на менее скоростные специализированные линии. В результате они подорожали, и в настоящее время разница в цене КМОП-сенсоров и ПЗС-матриц сократилась до минимума.

4 марта 2009
Раздел: Статьи

Связной

Комментарии

Есть мнение о написанном в статье? Напишите свой комментарий!