Выбор цифрового фотоаппарата
Шрифт:
При использовании линзовых насадок возникают две проблемы. Во-первых, при использовании теленасадок вариообъектив необходимо устанавливать на максимальное фокусное расстояние, так как при меньших значениях в большинстве случаев наблюдается виньетирование.
Виньетирование – частичное ограничение различными оптическими элементами наклонных по отношению к оптической оси световых лучей при их прохождении сквозь оптическую систему. Выражается в затенении краевых областей светового изображения и его ограничении кругом определенного диаметра.
Во-вторых, при использовании любых насадок яркость светового изображения ослабляется, что требует наличия светосильного объектива.
Практически для всех фотокамер, объективы которых оснащены резьбой, фирмы-производители предлагают в качестве дополнительных аксессуаров минимальный набор из макролинзы, телеконвертора и широкоугольной линзы. Впрочем, есть возможность выбора из продукции специализирующихся на насадках компаний. Среди них наиболее известны HAMA, Tiffen и Raynox.
Регистрация изображения
Микропроцессор цифровой фотокамеры не только обеспечивает расчет экспозиции и наведение на резкость объектива – он также обрабатывает цвет и четкость созданного ЭОП «электронного негатива». А чтобы получить такой «негатив», сформированное объективом световое изображение проецируется на ЭОП. В роли ЭОП в большинстве случаев используются матрицы ПЗС – приборов с зарядовой связью.
ПЗС, прибор с зарядовой связью – устройство, накапливающее электронный заряд при попадании на него светового потока. Уровень заряда зависит как от интенсивности и продолжительности освещения, так и от чувствительности прибора. В англоязычной литературе для его обозначения используется определение CCD (Couple-Charged Device).
Преобразование света в электрический заряд
Для того чтобы понять, каким образом свет преобразуется в электрический заряд с помощью структуры с p-n-переходом, целесообразно вспомнить, как излучение взаимодействует с полупроводником.
Излучение, падающее на полупроводник, можно разделить на три части: одна отражается от поверхности, другая поглощается на определенной глубине, а третья проходит «навылет». Для устройств, преобразующих «фотоны в электроны», желательно, чтобы в объеме полупроводника поглощалась основная часть падающего излучения, так как отраженное от поверхности либо прошедшее «насквозь» излучение расходуется бесполезно. А при поглощении образуется пара «электрон—дырка», если фотон взаимодействовал с атомом кристаллической решетки полупроводника, либо только электрон или только дырка, если фотон взаимодействовал с атомами донорных или акцепторных примесей. Данные процессы поглощения именуются внутренним фотоэффектом. Однако просто «выбить» электрон либо дырку из полупроводника недостаточно, необходимо их сохранить.
Рис. 2.6. Элемент ПЗС-матрицы
Для этой цели в кремниевой подложке p-типа создаются каналы из полупроводника n-типа. Сверху наносится изолирующий слой оксида кремния. Над каналами размещаются электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны (рис. 2.6). После попадания фотона в слой кремния образуется электрон, который в итоге попадает в потенциальную яму, где и хранится. Чем больше фотонов попадает на поверхность (то есть чем интенсивнее световой поток, падающий на поверхность ЭОП), тем выше накапливаемый ямой заряд. Все, что требуется сделать, – считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.
Считывание заряда
Для считывания фототоков пикселов используются устройства, называемые последовательными регистрами сдвига, они преобразуют строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученная последовательность образует сигнал, который можно, например, подать на усилитель.
Таким устройством можно считать заряды строки, состоящей из ПЗС-элементов. Собственно, и сам последовательный регистр сдвига представляет собой строку ПЗС-элементов. А его функционирование основано на способности ПЗС к перемещению зарядов потенциальных ям. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод переноса (transfer gate), под который должен переместиться заряд потенциальной ямы. Количество «транзитных» электродов на каждый ПЗС-элемент регистра может варьироваться от двух до четырех, и именно в зависимости от этого количества регистр может называться двухфазным, трехфазным либо четырехфазным.
При перемещении заряды всех ПЗС-элементов регистра сдвигаются синхронно и, проходя последовательно под электродами переноса, оказываются в соседнем ПЗС-элементе. Тот заряд, которому ПЗС-элемента «не хватило», поступает на выход регистра, а затем – на усилитель.
В свою очередь, на вход последовательного регистра попадают заряды, являющиеся «лишними» для совокупности последовательных регистров, расположенных «перпендикулярно» по отношению к считывающему их фототок регистру. Эта совокупность называется параллельным регистром сдвига и, в сочетании с последовательным регистром, подающим сигнал на усилитель, представляет собой собственно ПЗС-матрицу.
Функционирование составляющих ПЗС-матрицу «перпендикулярных» последовательных регистров, именуемых столбцами, строго синхронизировано – все заряды параллельного регистра за один его рабочий цикл смещаются одновременно, а самые «нижние» попадают на вход последовательного регистра. Очевидно, что последовательный регистр должен успеть «сбросить» на вход усилителя всю строку зарядов до очередного рабочего цикла параллельного регистра.
Поэтому используются дополнительных устройства: микросхемы, подающие потенциалы на электроды переноса как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, микросхема, синхронизирующая работу обоих регистров, а также тактовый генератор.
Рис. 2.7. Полнокадровая ПЗС-матрица
Описанный тип ЭОП был создан одним из первых, он называется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix) (рис. 2.7). В своей работе он использует механический затвор фотоаппарата, который сначала открывает поверхность ПЗС-матрицы для экспонирования, а после того, как все пикселы накопили заряд (эквивалентный световому потоку, упавшему на них), снова закрывает ЭОП от лучей света. Если этот затвор убрать, то при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к заряду каждого из его пикселов добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame matrix smear). Скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. А поскольку в любом случае требуется перекрытие светового потока с объектива до завершения процесса считывания, интервал между экспонированием тоже определяется скоростью считывания. Несколько уменьшен интервал между экспонированием в матрицах с буферизацией кадра (frame-transfer CCD) (рис. 2.8), правда, при этом уменьшилась скорость считывания. Для промежуточного хранения данных (буферизации) в этих устройствах используется закрытый непрозрачной (металлической) крышкой второй параллельный регистр сдвига с теми же количеством и размерностью строк. Заряды из ячеек основной матрицы построчно перемещаются в буферный параллельный регистр, а затем считываются последовательным регистром сдвига, как и в полнокадровой матрице. В тот промежуток, пока происходит считывание данных из буферного параллельного регистра, матрица снова готова к экспонированию. Недостатком данной системы является более высокая стоимость, особенно если учесть, что кардинального увеличения скорости съемки при этом не происходит, да и от механического затвора не удается избавиться.
Чтобы максимально увеличить частоту смены кадров, необходимо предельно сжать интервал между экспонированием, поэтому для видеокамер была разработана система с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix) (рис. 2.9).
В матрицах этого типа используется буферный параллельный регистр сдвига, закрытый непрозрачной (металлической) крышкой.
Рис. 2.8. Матрица с буферизацией кадра
Буферный столбец (последовательный регистр сдвига) подключается к «светочувствительному» столбцу параллельно. Поэтому «светочувствительный» параллельный регистр за один рабочий цикл «сбрасывает» свои заряды буферному (то есть происходит перемещение зарядов не «сверху вниз», а «слева направо»), освобождая свои ямы для следующего экспонирования. А в это время буферный параллельный регистр переносит заряды по обычной схеме – «сверху вниз», к последовательному регистру сдвига матрицы.
Поскольку заряды в буферный регистр «сбрасываются» очень быстро, то при этой процедуре не происходит переполнения потенциальных ям светочувствительных элементов; таким образом, нет необходимости закрывать затвор. В то же время экспонирование занимает примерно тот же интервал времени, что и считывание зарядов из буферного параллельного регистра. В целом быстродействие такой системы позволяет обеспечить видеосигнал с приемлемой частотой кадров (от 30 кадров в секунду и выше). Прямая трансляция этого видеосигнала на ЖК-дисплей цифровой фотокамеры позволяет реализовать режим электронного видоискателя.