Фотодатчик

Матрица на печатной плате цифрового фотоаппарата

Ма́трица или светочувстви́тельная ма́трица — специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — фотодиодов.

• Предназначена для преобразования спроецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).
• Является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств.
• Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации.

Устройство одного пикселя матрицы

Архитектура пикселей у производителей разная. Здесь приводится архитектура ПЗС пикселя для примера.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС — матрицы с карманом n-типа
1 — Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата.
2 — Микролинза субпикселя
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера.
4 — Прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова.
5 — Оксид кремния.
6 — Кремниевый канал n-типа. Зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта.
7 — Зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей
8 — Кремниевая подложка p-типа.

Микролинза субпикселя

Основная статья: Микролинзы

Буферные регистры сдвига на ПЗС матрице, равно как и обрамление КМОП-пиксела на КМОП-матрице «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю достаётся лишь 30 % светочувствительной области от его общей поверхности. У матрицы с полнокадровым переносом эта область составляет 70 %. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС матриц над пикселем устанавливается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает бо́льшую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела.

Поскольку с помощью микролинз удаётся гораздо полнее регистрировать падающий на сенсор световой поток, по мере совершенствования технологии ими стали снабжать не только системы с буферизацией столбцов, но и матрицы с полнокадровым переносом. Между тем, микролинзы нельзя назвать «решением без недостатков».

• Микролинзы уменьшают эффективную угловую апертуру матрицы как воспринимающей оптической системы. Косо падающие лучи света оказываются подвержены частичному отражению от передней поверхности микролинз и полному внутреннему отражению в короткофокусной оптической системе, каковой является микролинза. Это приводит к виньетированию изображения. Было предложено два основных решения этой проблемы:
  • От фирмы [1]
  • В дальномерных цифровых аппаратах фирмы

Характеристики матриц

Светочувствительность, отношение сигнал-шум и физический размер пикселя однозначно взаимосвязаны (для матриц, созданных по одной и той же технологии). Чем больше физический размер пикселя, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном сотношении сигнал-шум. Физический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют размер пикселя.

Отношение сигнал/шум

Основная статья: Отношение сигнал/шум

Чувствительность

Основная статья: Светочувствительность фотоматериала

К матрицам применяется термин эквивалентная «чувствительность», потому что:

• в зависимости от назначения матрицы формальное значение чувствительности может определяться различными способами по различным критериям;
• аналоговым усилением сигнала и цифровой постобработкой можно менять значение чувствительности матрицы в широком диапазоне;

У цифровых фотоаппаратов значение эквивалентной чувствительности может меняться в диапазоне

Разрешение

Основная статья: Разрешение (оптика)#Разрешающая способность матриц цифровых фотоаппаратов

Обычно, говоря о разрешении цифровой матрицы, следуют сложившемуся штампу, то есть просто приводят количество пикселей. При этом забывают упомянуть, что матрица может разрешить только то изображение, которое уже сформировано объективом. И если объектив в силу недостаточно высокой разрешающей способности передаёт ДВЕ светящиеся точки объекта, разделённые третьей чёрной, как одну светящуюся точку на ТРИ подряд расположенных пиксела, то говорить о разрешении фотоаппарата в целом на основе данных о матрице будет опрометчиво.

Разрешение матриц цифровых фотокамер в мегапикселях (2008 г.), (миллионах пикселей):

• Разрешение матриц компактных цифровых фотокамер 6-12 Мпикс;
• Камеры мобильных телефонов имеют разрешение матриц 0,1-8 Мпикс;
• фотокамера Nikon D3X имеет разрешение матрицы 24 Мпикс;
• цифровые задники для среднеформатных фотоаппаратов «Hasselblad» имеют разрешение матриц более 16 Мпикс;

Физический размер матрицы

Основная статья: Кроп-фактор

Сравнение размеров фотосенсоров цифровых фотокамер и 35-мм плёнки.

• Размер матрицы измеряется по диагонали, в долях дюйма (4/3", 2/3", 1/1,8", 1/2,2"). Данная традиция измерения происходит от диаметра передающих телевизионных трубок и часто называется «дюймы видикона».
• Чем больше физический размер матрицы, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном сотношении сигнал-шум.
• Законы геометрической оптики задают зависимость ГРИП от физического размера матрицы. Сфотографируем тремя фотоаппаратами с разным физическим размером матрицы одну и ту же сцену с одним и тем же углом зрения и одним и тем же значением диафрагмы на объективах. После чего станем рассматривать результат (файл на компьютере, распечатку с принтера) в одинаковых условиях. ГРИП на снимке, сделанном фотоаппаратом с наименьшей матрицей, будет наибольшей (больше предметов в кадре будет показано резко), а фотоаппарат с наибольшей матрицей покажет наименьшую ГРИП (предметы не в зоне резкости будут сильнее размыты).

Отношение сторон кадра

• Стандарт кадра 4:3 в основном применяется в любительских цифровых фотоаппаратах. Некоторые фирмы, например, Canon, выпускают в этих фотоаппаратах настройку соотношения сторон в диапазонах 4:3 и 16:9.^[2]

• Стандарт кадра 3:2 применяется в зеркальных цифровых фотоаппаратах
• Выпускается незначительное число моделей с кадром 16:9
• В цифровых зеркальных фотоаппаратах Olympus используется матрица с соотношением сторон 4:3 (стандарт Four Thirds System).

Пропорции пиксела

Выпускаются матрицы с тремя различными пропорциями пиксела

• Для видеоаппаратуры выпускаются сенсоры с пропорцией пиксела 4:3 (NTSC)
• Фотографическое, рентгенографическое и астрономическое оборудование, а также развивающееся сейчас HDTV видеооборудование обычно имеет квадратный пиксел.

Типы матриц по применяемой технологии

Долгое время ПЗС-матрицы были практически единственным массовым видом фотосенсоров. Реализация технологии Active Pixel Sensors около 1993 года и дальнейшее развитие технологий привели в итоге к тому, что к 2008 году КМОП-матрицы стали практически альтернативой ПЗС.^[3]

ПЗС-матрица

Основная статья: ПЗС-матрица

Состоит из светочувствительных фотодиодов, выполнена на основе кремния, использует технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

КМОП-матрица

Основная статья: КМОП-матрица

Выполнена на основе КМОП-технологии. Каждый пиксел снабжён усилителем считывания, а выборка сигнала с конкретного пискела происходит, как в микросхемах памяти, произвольно.

SIMD WDR матрица, также выполненная на основе КМОП-технологии, имеет в обрамлении каждого пиксела ещё и автоматическую систему настройки времени его экспонирования, что позволяет радикально увеличить фотографическую широту устройства.^[4]

Live-MOS-матрица

Основная статья: Live-MOS-матрица

Выполнена на основе МОП технологии, однако содержит меньшее число соединений для одного пиксела и питается меньшим напряжением. За счёт этого и за счёт упрощённой передачи регистров и управляющих сигналов имеется возможность получать «живое» изображение при отсутствии традиционного для такого режима работы перегрева и повышения уровня шумов.

Матрицы с пикселами различного размера

В фотоаппаратах фирмы фотографическую широту матрицы на величину до 4-х ступеней.^[5]

Методы получения цветного изображения

Сам по себе пиксель фотоматрицы является «чёрно-белым». Для того, чтобы матрица давала цветное изображение, применяются специальные технические приёмы.

Трёхматричные системы

Основная статья:

Пример работы дихроической призмы

Поступающий в камеру свет, попадая на пару дихроидных призм, делится на три основных цвета: красный, зелёный и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу (чаще всего используется CCD матрицы, поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD).

Трёхматричные системы применяются в видеокамерах среднего и высокого класса.

Достоинства трёх матриц по сравнению с одноматричными

• лучше передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного муара;
• выше разрешение. Отсутствует необходимый для устранения муара low-pass фильтр;
• выше светочувствительность и меньший уровень шумов;
• возможность введения цветокоррекции постановкой дополнительных фильтров перед отдельными матрицами, а не перед съёмочным объективом, позволяет добиться существенно лучшей цветопередачи при нестандартных источниках света;

Недостатки трёх матриц по сравнению с одноматричными

• принципиально бо́льшие габаритные размеры;
• трёхматричная система не может использоваться с объективами с малым рабочим отрезком;
• в трёхматричной схеме есть проблема сведе́ния цветов. Такие системы требуют точной юстировки, причём чем большего размера матрицы применяются и чем больше их физическое разрешение, тем сложнее добиться необходимого класса точности;

Матрицы с мозаичными фильтрами

Основная статья: Массив цветных фильтров

Во всех таких матрицах пиксели расположены в одной плоскости, и каждый пиксель накрыт светофильтром некоего цвета. Недостающая цветовая информация восстанавливается путём интерполяции (см. Фильтр Байера#Дебайеризация).

Существует несколько способов расположения светофильтров. Эти способы различаются чувствительностью и цветопередачей, при этом чем выше светочувствительность, тем хуже цветопередача.

• RGGB — Фильтр Байера, исторически самый ранний;
• RGBW. Такие сенсоры имеют более высокую чувствительность и фотографическую широту (типично выигрыш чувствительности в 1,5—2 раза и 1 ступень по фотографической широте). Частный случай RGBW-матрицы — CFAK-матрица компании Kodak;
• RGEB (красный — зелёный — изумрудный — синий);
• CGMY (голубой — зелёный — лиловый — жёлтый);

Матрицы с полноцветными пикселами

Существуют две технологии, позволяющие получать с каждого пикселя все три цветовые координаты. Первая применяется в серийно выпускаемых камерах фирмы Sigma, вторая на середину 2008 года существует только в виде прототипа.

Многослойные матрицы (Foveon X3)

Основная статья: Foveon X3

Фотодетекторы матрицы X3 компании

Матрицы X3 применяются в цифровых фотоаппаратах Sigma.

Матричные фотоприемники компании SensorIS

Основная статья: Матричный КМОП фотоприемник цветного изображения компании SensorIS

Российский аналог Foveon X3, отличается принципом разделения фототока в глубине светочувствительной ячейки.

На 2008 год не существует в виде готовой продукции.

Полноцветная RGB-матрица Nikon

Основная статья: Nikon RGB-матрица

В полноцветных матрицах Nikon (Патент Nikon от 9 августа 2007) лучи RGB предметных точек в каждом пикселе проходят в сжатом виде через линзу и при помощи цветоделительных зеркал в порядке «синий», «зелёный», «красный» попадают на подпиксельные детекторы^[6].

Пока аппаратуры с этим типом матрицы не производится, создан только прототип.

См. также

• Устройство цифрового фотоаппарата

Примечания

1. ↑ подробное описание телецентричности
2. ↑ о формате 16:9 в аппаратах canon
3. ↑ CCD vs CMOS: facts and fictions (англ.)
4. ↑ описание WDR камеры Pelco CCC5000 Pixim
5. ↑ Описание камеры Fujifilm S5 Pro (англ.)
6. ↑ о матрице Nikon

Портал:Фотография — все о фотографии, фототехнике и фотографах в Википедии.

Wikimedia Foundation. 2010.