Матрица в фотоаппарате

Архитектура

Пиксель

Трехтранзисторный активный пиксельный сенсор.

Стандартный пиксель CMOS APS сегодня состоит из фотодетектора ( закрепленного фотодиода ), плавающего диффузора и так называемой ячейки 4T, состоящей из четырех транзисторов CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник ) , включая передаточный вентиль , вентиль сброса, селекторный вентиль. и считывающий транзистор «исток-повторитель». Прикрепленный фотодиод изначально использовался в ПЗС-матрице с межстрочным переносом из-за его низкого темнового тока и хорошего синего отклика, а в сочетании с передаточным затвором позволяет полностью переносить заряд от закрепленного фотодиода к плавающему диффузионному (который дополнительно подключен к затвору считывающий транзистор), устраняющий запаздывание. Использование внутрипиксельной передачи заряда может снизить уровень шума за счет использования коррелированной двойной выборки (CDS). Пиксель Noble 3T все еще иногда используется, поскольку требования к изготовлению менее сложны. Пиксель 3T содержит те же элементы, что и пиксель 4T, за исключением передаточного затвора и фотодиода. Транзистор сброса, M _rst , действует как переключатель для сброса плавающей диффузии на V _RST , который в этом случае представлен как затвор транзистора M _sf . Когда транзистор сброса включен, фотодиод эффективно подключается к источнику питания V _RST , очищая весь встроенный заряд. Поскольку транзистор сброса n-типа , пиксель работает в режиме мягкого сброса. Считывающий транзистор M _sf действует как буфер (в частности, истоковый повторитель ), усилитель, который позволяет наблюдать напряжение пикселя без удаления накопленного заряда. Его источник питания V _DD обычно подключается к источнику питания транзистора сброса V _RST . Транзистор выбора, M _sel , позволяет считывающей электронике считывать одну строку массива пикселей. Существуют и другие инновации пикселей, такие как пиксели 5T ​​и 6T. При добавлении дополнительных транзисторов возможны такие функции, как глобальный затвор, в отличие от более распространенного рольставни . Для увеличения плотности пикселей можно использовать совместно используемое считывание строк, четырех- и восьмистороннее общее считывание, а также другие архитектуры. Вариантом активного пикселя 3T является датчик Foveon X3, изобретенный Диком Мерриллом . В этом устройстве три фотодиода наложены друг на друга с использованием планарных технологий изготовления , причем каждый фотодиод имеет свою собственную схему 3Т. Каждый последующий слой действует как фильтр для слоя под ним, сдвигая спектр поглощенного света в последовательных слоях. Путем деконволюции отклика каждого многоуровневого детектора можно восстановить красный, зеленый и синий сигналы.

Множество

Типичный двумерный массив пикселей организован в строки и столбцы. Пиксели в заданной строке разделяют линии сброса, так что за один раз сбрасывается вся строка. Линии выбора строки каждого пикселя в строке также связываются вместе. Выходные данные каждого пикселя в любом заданном столбце связаны вместе. Поскольку в данный момент времени выбирается только одна строка, конкуренция за строку вывода не возникает. Дополнительная схема усилителя обычно построена на колонке.

Боковые и вертикальные конструкции

Существует два типа структур датчика с активными пикселями (APS): боковой и вертикальный. Эрик Фоссум определяет боковой APS следующим образом:

Fossum определяет вертикальный APS следующим образом:

Тонкопленочные транзисторы

Двухтранзисторный активный / пассивный пиксельный датчик

Для таких приложений, как цифровое рентгеновское изображение большой площади, в архитектуре APS также могут использоваться тонкопленочные транзисторы (TFT). Однако из-за большего размера и меньшего усиления крутизны TFT по сравнению с CMOS транзисторами необходимо иметь меньше TFT на пикселях, чтобы поддерживать разрешение и качество изображения на приемлемом уровне. Было показано, что двухтранзисторная архитектура APS / PPS является многообещающей для APS с использованием TFT на аморфном кремнии . В двухтранзисторной архитектуре APS справа T _AMP используется как переключаемый усилитель, интегрирующий функции M _sf и M _sel в трехтранзисторном APS. Это приводит к уменьшению количества транзисторов на пиксель, а также к увеличению крутизны пикселя. Здесь C _pix — это емкость хранения пикселя, и она также используется для емкостной связи импульса адресации «Считывание» с затвором T _AMP для переключения ВКЛ-ВЫКЛ. Такие схемы считывания пикселей лучше всего работают с детекторами на фотопроводниках с малой емкостью, такими как аморфный селен .

Что такое фотоматрицы?

Прежде чем мы подробно остановимся на типах фотоматриц, следует подчеркнуть, что вообще представляют собой матрицы в зеркальных фотокамерах или цифровых камерах.

Матрица фотоаппарата – это электронные светочувствительные датчики. Они используются для преобразования изображения в сигнал, позволяющий сохранить изображение в памяти устройства. Тщательный анализ характеристик сенсора позволит нам выбрать оборудование высочайшего качества. Чтобы купить оборудование высокого класса с хорошим сенсором, сравните две камеры с учетом, например, производителя. Таких комбинаций стоит составить несколько, ведь ассортимент продукции чрезвычайно богат и разнообразен.

Что же выбрать: CCD или CMOS?

Одним из немаловажных параметров, которые определяют выбор между этими технологиями, является количество усилителей матрицы. CMOS-устройства имеют большее количество этих приборов (в каждой точке), поэтому при прохождении сигнала несколько снижается качество картинки. Поэтому CCD-матрицы используют для создания изображений с высокой степенью детализации, например, в медицинских, исследовательских, промышленных целях. А вот CMOS-технологии применяют в основном в бытовой технике: веб-камерах, смартфонах, планшетах, ноутбуках и т. п.

Следующим параметром, который определяет, какой тип лучше — CCD или CMOS, — является плотность фотодиодов. Чем она выше, тем меньше фотонов «пропадет вхолостую», соответственно, изображение будет лучше. В этом параметре CCD-матрицы обходят своих конкурентов, так как предлагают макет, не имеющий таких зазоров, в то время как у CMOS они присутствуют (в них расположены транзисторы).

Тем не менее, когда перед пользователем встает выбор: какой — CMOS или CCD — приобрести, всплывает главный параметр — цена устройства. CCD-технология значительно дороже своего конкурента и энергозатратнее. Поэтому устанавливать их там, где достаточно изображения среднего качества, нецелесообразно.

КМОП-матрица

В КМОП-матрицах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости.

Эквивалентная схема ячейки КМОП-матрицы: 1 — светочувствительный элемент (фотодиод); 2 — затвор; 3 — конденсатор, сохраняющий заряд с диода; 4 — усилитель; 5 — шина выбора строки; 6 — вертикальная шина, передающая сигнал процессору; 7 — сигнал сброса.

Часть третья. Дифракция в фотографии. Теория

Для этой части моей статьи все рисунки взяты из замечательного учебного пособия про дифракцию:Tutorials: difraction & photography. Очень рекомендую его всем, кто хочет глубоко разобраться в этой теме.

В этой части матрица ни причём, а отдуваться всё равно приходится. За физику. Какое отношение имеет дифракция к матрице цифрового фотоаппарата? Никакого. Но давайте рассмотрим, что же мы имеем ввиду под словом дифракция, когда говорим о головной боли фотографов?

Если не вдаваться в подробности, то дифракция — это физическое явление, которое мешает нам сильно закрывать диафрагму, снижая качество получаемого изображения.

Если рассмотреть причины дифракции, то мы увидим, что появляется она при прохождении света через диафрагму. После прохождения диафрагмы, лучи идут уже не столь прямо, как нам хотелось бы, а немного «расслаиваются», расходятся в стороны. В результате каждый лучик образует на поверхности матрицы не просто точку, а «кружок и круги по воде» — дифракционные кольца, или, как это ещё называют диск Эри (по фамилии учёного, английского астронома — George Biddell Airy):

Разумеется, что, в отличие от хорошо сфокусированной точки, подобные диски могут залезть на соседние пиксели, если те расположены достаточно плотно. А когда они лезут на соседние пиксели, мы прощаемся с хорошей резкостью.

Давайте рассмотрим это явление на примере. Зная размер пикселей, мы без труда построим сетку, обозначающую границы пикселей (пунктиром). Далее по формуле мы вычисляем диаметр диска Эри и для упрощения представляем его в виде пятна света. И попробуем наложить диски Эри, характерные для самых распространённых диафрагм, на нашу сетку. Для примера я взял размер пикселя камеры 5D MarkII, а значения диафрагм указаны под каждым рисунком:

Как вы видите, при неизменной сетке пикселей кружок Эри растёт. При f/16 он уже значительно залезает на соседние пиксели, что в реальной жизни будет размывать картинку, не давая нам попиксельной резкости. А при f/22 этот диск занимает почти всю площадь 9 пикселей! Зная размеры этого кружка, я могу рассчитать максимально закрытую диафрагму, после которой дальнейшее закрытие, будет ухудшать фотографию. Этот параметр мой коллега с the-digital-picture.com называет DLA (diffraction limited aperture), что соответствует русскому термину ДОД (дифракционное ограничение диафрагмы). Однако мои расчёты числового значения этого параметра несколько отличаются от вычислений автора вышеуказанного сайта. Например, в своей формуле он, видимо, каким-то образом учитывает и размер всей матрицы (в частности, при равной плотности пикселей, значения DLA 40D (f/9.3) и 1D MarkIV (f/9.1) различаются). Это, конечно же, не может быть верным, когда мы говорим о дифракции на уровне пикселей. Впрочем, наши результаты не сильно расходятся, так что разницей можно принебречь. К тому же, в силу сочетания очень многих факторов (нечеткость границ диска, сложная структура ячеек матрицы и пр.), невозможно с абсолютной точностью назвать величину DLA, после которой начинает наблюдаться деградация изображения. Итак, давайте посмотрим, как это работает. Для 5D MarkII (как и для 20D), DLA составляет f/10,8, что очень близко к рисунку выше с подписью f/11. В то же время, для Canon 1D (всего 4 mp, — самые крупные ячейки матрицы среди всех камер Canon), этот параметр составляет f/19,1. Давайте закроем диафрагму до f/16, и посмотрим, как будет выглядеть диск Эри, спроецированный на сетку пикселей 1D и на сетку 5D MarkII (или 1Ds MarkIII или 20D):

Как видно из этого примера, что позволено Юпитеру, не позволено быку. При съёмке на 1D мы легко можем закрыть диафрагму до f/16, а на 5D Mark II это приведёт к снижению возможной детализации.

Сравнение с ПЗС-матрицами

Пиксели APS решают проблемы скорости и масштабируемости пассивного пиксельного сенсора. Как правило, они потребляют меньше энергии, чем ПЗС-матрицы, имеют меньшую задержку изображения и требуют менее специализированных производственных мощностей. В отличие от CCD, датчики APS могут совмещать в одной интегральной схеме функцию датчика изображения и функции обработки изображения . Датчики APS нашли применение во многих потребительских приложениях, особенно в телефонах с камерой . Они также использовались в других областях, включая цифровую рентгенографию , сверхвысокоскоростное получение изображений в военных целях, камеры наблюдения и оптические мыши . Производители включают Aptina Imaging (независимое дочернее предприятие Micron Technology , купившее Photobit в 2001 году), Canon , Samsung , STMicroelectronics , Toshiba , OmniVision Technologies , Sony и Foveon и другие. Датчики APS типа CMOS обычно подходят для приложений, в которых важны упаковка, управление питанием и обработка на кристалле. Датчики типа CMOS широко используются, от высококачественной цифровой фотографии до камер мобильных телефонов.

Преимущества CMOS по сравнению с CCD

Цветение на ПЗС-изображении

Основным преимуществом датчика CMOS является то, что его производство обычно дешевле, чем датчик CCD, поскольку элементы захвата изображения и считывания изображения могут быть объединены на одной ИС, что требует более простой конструкции.

CMOS-датчик также обычно лучше контролирует цветение (то есть перетекание фотозаряда из переэкспонированного пикселя в другие близлежащие пиксели).

В трехсенсорных системах камер, которые используют отдельные датчики для разрешения красной, зеленой и синей составляющих изображения в сочетании с призмами светоделителя, три КМОП-сенсора могут быть идентичными, тогда как для большинства призм делителя требуется, чтобы один из ПЗС-сенсоров имел быть зеркальным отображением двух других, чтобы считывать изображение в совместимом порядке. В отличие от датчиков CCD, датчики CMOS имеют возможность обратной адресации сенсорных элементов. CMOS — датчик с светочувствительностью ИСА 4 миллиона существует.

Недостатки CMOS по сравнению с CCD

Искажение, вызванное рольставнями

Поскольку CMOS-датчик обычно захватывает строку в течение примерно 1/60 или 1/50 секунды (в зависимости от частоты обновления), это может привести к эффекту « скользящего затвора », когда изображение перекошено (наклонено влево). или вправо, в зависимости от направления движения камеры или объекта). Например, при отслеживании автомобиля, движущегося на высокой скорости, автомобиль не будет искажен, но фон будет казаться наклонным. ПЗС-сенсор с кадровой передачей или КМОП-сенсор с «глобальным затвором» не имеют этой проблемы; вместо этого он сразу захватывает все изображение в хранилище кадров.

Давнее преимущество ПЗС-сенсоров заключается в их способности снимать изображения с низким уровнем шума . Благодаря усовершенствованиям в технологии CMOS, это преимущество исчезло с 2020 года, когда доступны современные CMOS-датчики, способные превзойти датчики CCD.

Активная схема в пикселях CMOS занимает некоторую область на поверхности, которая не является светочувствительной, что снижает эффективность обнаружения фотонов устройством ( датчики с задней подсветкой могут смягчить эту проблему). Но ПЗС-матрица с передачей кадров также имеет примерно половину нечувствительной области для узлов хранения кадров, поэтому относительные преимущества зависят от того, какие типы датчиков сравниваются.

Архитектура видео сенсора

Компоновочный план архитектуры видео сенсора приведен на рисунке. Ядро получения изображения состоит из массива пикселов, адресных регистров по Х и Y, драйверов массива пикселов и усилителей по столбцам. Видео сенсор размером 640 х 480 пикселов считывается последовательным сканированием. Архитектура сенсора позволяет программировать адресацию в направлении X шагами по 8 пикселов, а в направлении Y – шагами в 1 пиксел. Стартовый адрес загружается через последовательно-параллельный интерфейс (SPI).

Усилители с программируемым коэффициентом передачи (УПКП) усиливают сигнал от столбца и добавляют к нему смещение, чтобы этот сигнал вписался во входной диапазон АЦП. Затем четыре АЦП преобразуют сигнал в цифровую форму. Пикселы выбираются ядрами 4*1. Каждый АЦП считывает сигнал одного из 4 выбранных пикселов. Частота выборки составляет 20 МГц. Цифровые выходы 4 АЦП мультиплексируются на одну выходную шину, работающую с частотой 80 МГц.

Применение КМОП-сенсоров

В начале 1990-х годов на рынке фотооборудования наметилось оживление, направленное на новые разработки, посредством которых планировалось создать недорогие и качественные фотоаппараты и камеры с КМОП-датчиками изображения. Сегодня КМОП-матрицы на равных конкурируют с ПЗС-сенсорами на рынке фототехники, и каждая из технологий обладает определенными особенностями и преимуществами. Выделим несколько сфер применения датчиков изображения:

• мобильные устройства (мобильные телефоны и камеры);
• автомобильный рынок;
• системы наблюдения;
• промышленное техническое зрение (контроль геометрических параметров и т. д.);
• медицинское оборудование.

Несомненно, наиболее развитый рынок для применения КМОП-видеосенсоров — это сегмент портативной техники, включающий в себя цифровые камеры и мобильные телефоны. Сенсоры, изготовленные по КМОП-технологии, имеют низкое потребление и возможность создания систем на кристалле (system on chip), что является большим преимуществом перед ПЗС-структурами. Кроме этого, технология изготовления позволяет выпускать недорогие продукты и существенно выигрывать у ПЗС-структур без значительного снижения качества получаемого изображения. Наряду с пользовательской электроникой активно развивается рынок систем безопасности, по оценкам специалистов компании Micron, системы видеонаблюдения на базе КМОП-видеосенсоров сегодня имеют от 300 до 350 миллионов частных домов и организаций в мире, каждая система соответственно в свой состав может включать от 3 и более камер. Несмотря на существенные объемы, этот рынок продолжает расширяться с каждым днем благодаря выпуску рядом компаний готовых недорогих решений, быстро и просто интегрируемых в систему охраны дома или офиса.

Активно внедряются в промышленность системы технического зрения, которые могут контролировать различные процессы или просто геометрические параметры предметов. В Москве несколько компаний ведет разработки автономных систем для ГИБДД, с помощью которых на дорогах возможно осуществление контроля скорости автотранспорта с приложением фотографии машины и ее номера. Это может расстроить любителей быстрой езды, но направлено на повышение безопасности дорожного движения и фиксирование нарушения правил водителем без присутствия выездной бригады сотрудников инспекции. Применение в медицине КМОП-сенсоров сегодня обусловлено их небольшим размером и достаточными для диагностирования характеристиками, большинство сенсоров находят применение в эндоскопах и другом оборудовании.

Очень широкое применение в последнее время находят КМОП-датчики в автомобильной промышленности (рис. 5). Наряду с уже ставшими стандартными камерами бокового вида для упрощения парковки и обзора во время движения активно внедряются камеры для контроля положения пассажира при его посадке в транспорт для приведения систем безопасности (ремней и т. д.) в состояние, обеспечивающее наибольший комфорт пассажиру. Также очень интересной можно считать разработку датчика состояния водителя, который посредством контроля степени закрытости глаза, среднего количества моргания глаза, положения головы и других параметров отслеживает признаки усталости водителя и информирует об этом, дабы предотвратить аварию. Камеры инфракрасного диапазона позволяют водителю контролировать ситуацию на дороге (появление животных и т. д.) в темное время суток без включения фар дальнего света, что дает возможность дополнительно обезопасить водителей транспортных средств встречного направления.

Рис. 5. Применение КМОП-датчиков в автомобильной промышленности

Актуальным направлением можно также считать камеры на базе высокоскоростных сенсоров со скоростью съемки от 500 и более кадров в секунду (например сенсор MT9M413 компании Micron). Решения на базе этих систем позволяют отслеживать и анализировать динамику быстропротекающих процессов в природе и повседневной жизни.

Типы матриц в фотоаппаратах

Фотоматрицы можно разделить по размеру и типу. Один из самых популярных типов – CMOS. Этот тип матриц фотокамеры состоит из детекторов RGB, которые после экспонирования и обработки процессором устройства создают изображение.

Их неоспоримое преимущество – отличная цветопередача и возможность работать с повышенной чувствительностью. Сигнал считывается линейно, что отличает CMOS-матрицы от CCD, где считывание осуществляется в один момент со всего сенсора. Этот тип матрицы в фотоаппаратах очень популярен, хотя одним из недостатков может быть «эффект рольставни». Это означает, что при записи объекты, которые движутся перпендикулярно оси наклона объектива, наклоняются. Это происходит потому, что верхние пиксели считываются раньше, чем нижние.

Одним из популярных типов CMOS-сенсоров является фотодатчик BSI CMOS. Его преимущество – повышенная чувствительность за счет несколько иного расположения светочувствительных элементов. Слой кремния расположен под линзами, что позволяет регистрировать больше света. Мы часто встречаем этот тип матриц в цифровых камерах мобильных телефонов.

Другим предложением могут быть датчики CCD. Это часто применяемая матрица для цифровых фотоаппаратов – цена этих устройств намного ниже по сравнению с популярными SLR. Преимуществом этого типа решения может быть очень хорошая цветопередача при низкой чувствительности и отсутствие эффекта рольставни. Однако, эти матрицы работают немного медленнее. Следует подчеркнуть, что сегодня подобные решения становятся всё менее популярными.

Чтобы провести честное сравнение матриц камер, следует учитывать датчики типа Foveon, которые мы встречаем в камерах Sigma. Матрицы состоят из трёх слоев, что означает, что они отдельно регистрируют три основных цвета. Хотя эти типы датчиков сегодня не очень популярны, следует отметить, что камеры обладают высокой резкостью, хотя могут появляться помехи и проблемы с правильной цветопередачей.

Сравнение размеров матриц фотокамер

Мы упоминали, насколько важен размер сенсора в цифровых камерах и зеркальных фотокамерах. Мы можем выбрать несколько видов.

Вот самые популярные:

• 1/2.3” – очень распространенный размер матриц фотокамер. Размер одного пикселя не слишком велик, что сказывается на качестве фото. Стоит упомянуть, что такие датчики также можно найти в камерах с ультразумом, потому что их конструкция в сочетании с относительно небольшим корпусом может обеспечить очень большое приближение.
• 1/1.7” – этот сенсор отлично подходит в качестве матрицы качественной цифровой камеры. Чем больше размер, тем выше качество изображения. Такие фотокамеры позволяют сохранять фотографии в формате RAW. Это отличное предложение для людей, которые ищут профессиональные решения по хорошей цене.
• 1” – такой сенсор можно использовать как матрицу для цифровой камеры и зеркальной камеры. Это одна из самых популярных матриц, которая даёт возможность делать фотографии высокого качества.
• 4/3” – такой размер матрицы в камере позволит делать снимки очень хорошего качества – до ISO 6400, что является отличным результатом при сохранении небольшого размера корпуса. Если конструкция вашего фотоаппарата дополнена такой матрицей – фотографировать будет сплошное удовольствие.
• APS-C/Dx – один из самых популярных размеров сенсоров в фотоаппаратах. Датчики используются в различных типах устройств. Используемый коэффициент преобразования составляет 1,5x или 1,6x для полнокадровых фокусных расстояний. Их размер достаточно велик, а цена довольно привлекательна, что делает их популярным выбором.
• Полнокадровый – размеры матриц камеры соответствуют кадру 35-миллиметровой пленки, а значит, преобразователь фокусных расстояний не используется. Это отличное предложение для людей, которые часто фотографируют при неблагоприятных условиях освещения.

Несомненно, что при выборе фотоаппаратов основным компонентом для анализа являются фотоматрицы. Правильно подобранный сенсор обеспечит ожидаемое качество фотографий и позволит запечатлеть много прекрасных моментов. Выберите одну из проверенных моделей и оцените комфорт использования.

Электро-оптические характеристики LUPA-300:

• Шум фиксированного распределения FPN < 2,5% (среднеквадратичное значение)
• Неоднородность светочувствительности PRNU < 2,5% (среднеквадратичное значение)
• Коэффициент преобразования на выходе 34 мкВ/электрон
• Заряд насыщения 35000 электронов
• Чувствительность 3200 В*м2/(Вт*сек); 17 В/(Люкс*сек); только видимый диапазон (180 Люкс = 1 Вт/м2)
• Пиковая квантовая эффективность*коэффициент заполнения (QE * FF) = 45%
• Количество шумовых электронов < 32
• Стандартный динамический диапазон 60,7 дБ
• Модуляционная передаточная функция MTF > 60%
• Рассеиваемая мощность 160 мВт (типичная, без учета выходной нагрузки); 190 мВт (типичная, включая выходную нагрузку 15 пФ)

Частота кадров и работа с окном

Частота кадров зависит от частоты синхроимпульсов, времени кадровой задержки (ВКЗ) и времени строковой задержки (ВСЗ). Длительность периода кадров можно вычислить следующим образом:

Кадровый период = ВКЗ + Число строк * (ВСЗ + Число пикселов * частота синхроимпульсов)

Пример: считывание изображения при полном разрешении при номинальной скорости (частота пикселов 80 МГц = 12,5 нс, GRAN<1:0>=10):

Кадровый период = 7,8 мкс + 480 * (400 нс + 12,5 нс * 640) = 4,039 мс => 247,6 кадров в секунду

Если видео сенсор работает в режиме выборки с уменьшенным разрешением, то ВСЗ увеличивается на 8 периодов синхроимпульсов. Для расчёта максимальной частоты кадров для произвольного размера окна, нужо в эту формулу подставить требуемые значения X и Y области интереса.

Параметры для расчёта частоты кадров

Работа с окном

Используя интерфейс SPI, можно организовать работу с окном. Через этот интерфейс загружаются начальная точка (координаты X и Y) окна и его размер. Минимальный шаг в направлении X составляет 8 пикселов (только числа, делящиеся на 8 могут быть использованы в качестве адреса начала/остановки). Минимальный шаг в направлении Y составляет одну строку (возможна адресация любой строки) в обычном режиме и две строки в режиме выборки с уменьшенным разрешением. Размер окна в направлении X загружается в регистр NB_OF_PIX, размер окна в направлении Y определяется регистром FT_TIMER.

Характерные значения для частоты кадров при GRAN<1:0> = 10

Аналого-цифровой преобразователь

В видео сенсоре имеется четыре встроенных конвейерных 10-битных АЦП. Эти АЦП работают при номинальной частоте выборки 20 МГц. Входной диапазон АЦП – от 0,75 В до 1,75 В. Выборка аналогового входного сигнала производится через 2,1 нс после нарастающего фронта управляющего строба АЦП. Цифровые данные на выходе появляются через 5,5 периодов синхроимпульса. Это соответствует 6-му спадающему фронту после момента выборки. Данные задерживаются на 3,7 нс относительно этого спадающего фронта.

Параметры АЦП

Эволюция CCD

С момента изобретения CCD лабораторией Белла (Bell Laboratories, или Bell Labs) в 1969 г. размеры сенсора изображения непрерывно уменьшались. Одновременно увеличивалось число чувствительных элементов. Это естественно вело к уменьшению размеров единичного чувствительного элемента (пикселя), а соответственно и его чувствительности. Например, с 1987 г. эти размеры сократились в 100 раз. Но благодаря новым технологиям чувствительность одного элемента (а следовательно, и всей матрицы) даже увеличилась.

Что позволило доминировать
С самого начала CCD стали доминирующими сенсорами, поскольку обеспечивали лучшее качество изображения, меньший шум, более высокую чувствительность и большую равномерность параметров пикселей. Основные усилия по совершенствованию технологии были направлены на улучшение характеристик CCD.

Как растет чувствительность
По сравнению с популярной матрицей Sony HAD стандартного разрешения (500х582) конца 1990-х гг. (ICX055) чувствительность моделей более совершенной технологии Super HAD выросла почти в 3 раза (ICX405) и Ex-view HAD – в 4 раза (ICX255). Причем для черно-белого и цветного варианта.

Для матриц высокого разрешения (752х582) успехи несколько менее впечатляющие, но если сопоставлять модели цветного изображения Super HAD с самыми современными технологиями Ex-view HAD II и Super HAD II, то рост чувствительности составит в 2,5 и 2,4 раза соответственно. И это несмотря на уменьшение размеров пикселя почти на 30%, поскольку речь идет о матрицах самого современного формата 960H с увеличенным количеством пикселей до 976х582 для стандарта PAL. Для обработки такого сигнала Sony предлагает ряд сигнальных процессоров Effio.

Добавилась ИК-составляющая
Одним из эффективных методов роста интегральной чувствительности является расширение спектральных характеристик чувствительности в область инфракрасного диапазона. Это особенно характерно для матрицы Ex-view. Добавление ИК-составляющей несколько искажает передачу относительной яркости цветов, но для черно-белого варианта это не критично. Единственная проблема возникает с цветопередачей в камерах «день/ночь» с постоянной ИК-чувствительностью, то есть без механического ИК-фильтра.

Развитие этой технологии в моделях Ex-view HAD II (ICX658AKA) в сравнении с предыдущим вариантом (ICX258AK) обеспечивает рост интегральной чувствительности всего на 0,8 дБ (с 1100 до 1200 мВ) с одновременным увеличением чувствительности на длине волны 950 нм на 4,5 дБ. На рис. 1 приведены характеристики спектральной чувствительности этих матриц, а на рис. 2 – отношение их интегральной чувствительности.

Оптические инновации
Другим методом роста чувствительности CCD являются увеличение эффективности пиксельных микролинз, светочувствительной области и оптимизация цветовых фильтров. На рис. 3 представлено устройство матриц Super HAD и Super HAD II, показывающее увеличение площади линзы и светочувствительной области последней модификации.

Дополнительно в матрицах Super HAD II значительно увеличено пропускание светофильтров и их устойчивость к выцветанию. Кроме того, расширено пропускание в коротковолновой области спектра (голубой), что улучшило цветопередачу и баланс белого.

На рис. 4 представлены спектральные характеристики чувствительности матриц Sony 1/3″ Super HAD (ICX229AK) и Super HAD II (ICX649AKA).

Основные характеристики сенсоров

При выборе сенсора разработчик должен произвести анализ всех предложений на рынке и сделать выбор в пользу наиболее оптимальной микросхемы с точки зрения технических характеристик и стоимости. Не секрет, что датчик изображения, применяемый в системах видеонаблюдения, в большинстве случаев будет значительно отличаться от датчика изображения, используемого в камере для скоростной съемки, отличие будет проявляться как в технических характеристиках, так и стоимости. Рассмотрим основные характеристики сенсоров и составим сравнительную таблицу, характеризующую продукцию компаний Micron Technology, OmniVision и Cypress на базе сенсоров с оптическим форматом 1/3 дюйма (таблица).

Таблица. Основные характеристики сенсоров компаний Micron Technology, OmniVision и Cypress

В таблице приведены различные типы сенсоров в зависимости от частоты кадровой развертки, чувствительности, разрешения и других характеристик. У каждого из производителей КМОП-датчиков продукция ориентирована на определенные области применения, например компания Omnivison имеет очень сильные позиции на рынке датчиков изображения для работы в диагностической медицинской технике. КМОП-сенсоры от Micron имеют самый широкий спектр применения на сегодняшний день. Компания предлагает датчики изображения с разрешением от VGA до планируемого к выпуску в конце 2007 г. сенсора MT9E001 с разрешением 3264×2448. Частота кадровой развертки сенсоров компании Micron от 2500 кадров в секунду при разрешении 512×512 (КМОП-датчик MT9S402, не указан в таблице) до стандартных 15–30 кадров в секунду. Применение подобных сенсоров позволяет разрабатывать высокоскоростные камеры для отслеживания различных быстропротекающих процессов, а также решать другие задачи.

Основные характеристики сенсоров:

1. Разрешение — характеристика сенсора, показывающая количество пикселей по горизонтали и вертикали. В портативной технике (в цифровых фотоаппаратах и мобильных телефонах) принято показывать общее количество пикселей в мегапикселях.
2. Размер пикселя — физический размер пикселя (мкм).
3. Частота кадровой развертки измеряется в количестве снятых кадров в секунду (fps, кадр/с).
4. Диагональ рабочей площади матрицы выражается в долях дюйма и показывает размер активной площади матрицы.
5. Частота тактирования шины данных определяет скорость обработки данных (МГц).
6. Чувствительность к освещению (В/лк·с) — изменение электрического сигнала в зависимости от изменения освещения.

Все эти характеристики являются лишь частью большого количества характеристик. Не стоит забывать, что сам датчик может на кристалле содержать дополнительные блоки, обеспечивающие сенсору большую функциональность и простоту применения. Например, в качестве такого узла может выступать АЦП, тогда к характеристикам сенсора добавляются дополнительные параметры, традиционно являющиеся характеристиками самого АЦП.