Анатомия цифровой камеры: Что у нее внутри?

Eсли вы держите в руках этот журнал, вероятно, не в ваших правилах пользоваться вещью (а уж тем более ее покупать), не зная, что у нее внутри

Главный принцип работы фотокамеры не изменился со времен ее изобретения — лучи света, отраженные от фотографируемых объектов, фокусируются объективом камеры и создают уменьшенное изображение на плоской поверхности, расположенной на небольшом расстоянии от объектива. Но если в случае традиционной камеры этой поверхностью оказывается кусок фотопленки, то в цифровой камере лучи падают на сенсор, задача которого — преобразовать поток фотонов (а им, собственно, и являются эти лучи света) в поток электронов, то есть, попросту, в электрический ток. Затем ток будет усилен, преобразован в набор битов, обработан и, наконец, записан в память камеры. Сенсор разделен на так называемые пиксели — ячейки размером в несколько микрон, каждая из которых отвечает за регистрацию одной точки изображения. Традиционно пиксели имеют форму квадрата и собраны в «строчки» и «столбцы», так что сенсор зачастую называют «матрицей».

Основным материалом для изготовления сенсора служит краеугольный камень современной цивилизации, скрывающийся внутри самых разнообразных предметов, от микросхем бытовой электроники до бюстов голливудских звезд, — кремний (он же силикон). Фотоны, падающие на поверхность сенсора, выбивают электроны с внешней орбиты атомов кремния, образуя пару «электрон — дырка». Дальнейшая судьба внезапно обретшего свободу электрона (его путь до усилителя) зависит от того, какой из двух распространенных сейчас типов сенсора (CCD или CMOS) используется в камере.

CCD

CCD (ChargeCoupled Device, он же прибор с зарядовой связью, ПЗС) в данный момент является наиболее распространенным типом сенсора. Как и конкурирующая технология (CMOS), он был разработан Bell Laboratories в конце 60-x и изначально предназначался для использования в качестве компьютерной памяти. Однако уже в начале 70-х появились первые коммерческие CCD-матрицы с разрешением, пригодным для использования в телевизионных камерах. Принцип действия CCD основан на накоплении электронов, освобожденных в результате фотоэлектрического процесса, непосредственно в пикселях матрицы (в так называемых «потенциальных ямах»), потом построчного перемещения зарядов, накопленных в этих ямах, на соседние строчки (отсюда и название технологии), а затем — и на край матрицы. Строчку, оказавшуюся с краю, аналогичным образом попиксельно сдвигают в один из углов, где заряды попадают на вход усилителя и преобразуются в электрический ток. Как же устроены «потенциальные ямы» и каким образом происходит сдвиг зарядов из ямы в яму? На поверхность кремниевой пластины сенсора наносится тончайший слой окисла кремния, служащего диэлектриком, а за ним — слой металла (электрод), на который во время «экспозиции» матрицы подается положительный потенциал. В результате в прилегающем полупроводнике возникает электрическое поле, отталкивающее дырки и притягивающее свободные электроны. Чем дольше экспонировалась матрица и чем больше фотонов попало на отдельный пиксель сенсора, тем больше электронов скапливается в потенциальной яме этого пикселя. Если на электрод соседней строки матрицы будет подан больший потенциал, заряд переместится в соседнюю, «более глубокую» потенциальную яму. Таким образом во время считывания осуществляется перенос зарядов к краю матрицы и в сторону усилителя. Усиленный сигнал попадает на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), а затем уже подвергается цифровой обработке.

CMOS

Другой набирающей популярность технологией изготовления сенсоров цифровых камер является CMOS (Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor, или Комплиментарная Метал-Окисел-Полупроводник [схема], КМОП). В отличие от CCD, CMOS выполняет преобразование заряда в напряжение (то есть усиление) непосредственно в самом пикселе, а затем обеспечивает прямой доступ к содержимому произвольного пикселя аналогично тому, как это происходит в памяти компьютера. Произвольный доступ к элементам изображения позволяет увеличить скорость камеры при предварительном считывании, а за счет использования для изготовления сенсора технологии, широко применяемой при производстве многих цифровых микросхем, CMOSсенсоры могут быть интегрированы с другими компонентами цифровой камеры — АЦП и даже процессором, выполняющим обработку изображения. К преимуществам CMOS можно отнести значительно более скромное энергопотребление, а также компактность и дешевизну всей конструкции камеры, ведь усилитель и АЦП как отдельные компоненты уже не нужны. Однако до недавнего времени CMOS использовался только в самых дешевых камерах, поскольку он не мог соперничать с CCD по качеству изображения: за счет того, что каждый пиксель пользуется собственным усилителем, в результирующей картинке был заметен изрядный разнобой. Да и с чувствительностью матрицы возникали проблемы, ведь за счет обилия электроники на матрице оставалось не так уж и много места для собственно светочувствительных элементов. Однако возросшее качество производства кремниевых"