Чтение онлайн

Рис. 2.9. Матрица с буферизацией столбцов

Существует два типа схем с буферизацией столбцов. Если за один такт считываются все строки, то это матрица с прогрессивной разверткой (progressive scan). Если за первый такт считываются нечетные строки, а за второй – четные (или наоборот), то это матрица с чересстрочной разверткой (interlace scan). Следует отметить, что к настоящему моменту обозначение «сенсор с буферизацией столбцов» практически повсеместно вытеснено термином «матрица с прогрессивной (или чересстрочной) разверткой».

Схема с буферизацией столбцов также дает возможность реализации электронного затвора. Данное устройство позволяет, в принципе, обойтись без механического затвора и достичь сверхмалых (до 1/10 000 с) значений выдержки, особенно критичных для съемки быстротекущих процессов (спорт, природа и т. д.). Правда, для реализации электронного затвора необходима функция удаления избыточного заряда пиксела, речь о которой пойдет далее. Система с буферизацией столбцов имеет и недостатки. Главный из них состоит в следующем: в результате того, что часть площади матрицы занята регистрами сдвига, размер светочувствительной области каждого пиксела составляет лишь 30 % от его площади, в то время как у полнокадровой матрицы этот параметр равен 70 %. Поэтому производители вынуждены вносить в конструкцию матриц микролинзы, покрывающие пикселы целиком (рис. 2.10). Эти несложные оптические устройства концентрируют световой поток, падающий на всю поверхность элемента сенсора, на относительно небольшую светочувствительную область пиксела.

Рис. 2.10. Микролинзы

При применении микролинз удается гораздо эффективнее использовать световой поток, попадающий на поверхность ЭОП. Поэтому со временем этими устройствами стали снабжать и полнокадровые матрицы.

Чувствительность

Под чувствительностью регистрирующего устройства подразумевается его способность реагировать на свет. Для ПЗС-элемента под такой реакцией следует понимать генерацию заряда. А чувствительность ПЗС-матрицы является суммарной характеристикой и зависит от чувствительности каждого пиксела. При этом чувствительность ПЗС-матрицы зависит от двух параметров.

Во-первых, это интегральная чувствительность – отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания. Этот параметр позволяет оценить чувствительность сенсора в целом. Во-вторых, это монохроматическая чувствительность – отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектрон-вольтах), соответствующей определенной длине волны. Совокупность значений монохроматической чувствительности составляет спектральную чувствительность – зависимость чувствительности от длины волны света. Спектральная чувствительность определяет способность сенсора корректно регистрировать оттенки определенного цвета. В прежние времена большинство ПЗС-матриц отличалось ослаблением спектральной чувствительности в краевых областях видимой части спектра, поэтому синие и красные оттенки нередко получались искаженными.

Как следует из сказанного, единицы измерения и интегральной, и монохромной чувствительности отличаются от принятых в фототехнике. Именно поэтому производители цифровой фототехники в характеристиках изделия указывают эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы в единицах ISO. Для того чтобы определить эквивалентную чувствительность, достаточно знать освещенность объекта съемки, диафрагму и выдержку.

Как уже было сказано, чувствительность матрицы определяется чувствительностью каждого ее пиксела. В свою очередь, чувствительность элемента ПЗС-матрицы зависит, во-первых, от площади светочувствительной области (fill factor), а во-вторых, от квантовой эффективности (quantum efficiency), на которую влияет ряд других параметров.

Квантовая эффективность – параметр регистрирующего свет устройства, характеризующий эффективность регистрации. Для ЭОП это отношение числа зарегистрированных носителей заряда (электронов либо дырок) к числу упавших на поверхность сенсора фотонов.

Зачастую вместо квантовой эффективности используют термин «квантовый выход» (quantum yield), хотя на самом деле этот параметр отображает количество носителей заряда, образующихся при поглощении одного фотона. Хотя при поглощении фотонов основная масса носителей заряда все же попадает в потенциальную яму ПЗС-элемента, определенная часть электронов (или дырок) избегает «ловушки». В числителе формулы, описывающей квантовую эффективность, оказывается именно то количество носителей заряда, которое попало в потенциальную яму.

Еще одним важным параметром ПЗС-матрицы является порог чувствительности.

Порог чувствительности – параметр регистрирующего свет устройства, характеризующий минимальную величину светового сигнала, который может быть зарегистрирован. Чем меньше этот сигнал, тем выше порог чувствительности.

Основным фактором, ограничивающим порог чувствительности, является темновой ток (dark current). Он является следствием термоэлектронной эмиссии, возникает в ПЗС-элементе при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма, а «темновым» называется потому, что складывается из электронов, попавших в яму при полном отсутствии светового потока. При малых световых потоках величина фототока близка, а порой и меньше величины темнового тока. Поскольку при увеличении температуры на 9 °C темновой ток возрастает в два раза, для подавления этой помехи используются различные методы. Иногда проблему решают «в лоб». Чтобы уменьшить влияние температуры, используют различные схемы теплоотвода. В частности, иногда в качестве теплообменника используется металлический корпус камеры, в студийной фототехнике работают более сложные схемы.

Однако этот подход нельзя применить к любительским камерам, ограниченным по весу и габаритам, поэтому для них разработан метод, подразумевающий использование «черных» пикселов (dark reference pixels) – столбцов и строк по краям матрицы, покрытых непрозрачным материалом. Усредненное значение заряда, снятого с «черных» пикселов, считается уровнем темнового тока. Разумеется, при разных условиях эксплуатации (температура окружающей среды и самой камеры, ток аккумуляторов и т. д.) уровень темнового тока будет разным. Если принять его значение за «нулевую отметку», то можно определить истинный заряд «рабочих» пикселов матрицы.

При исключении влияния темнового тока основным фактором, ограничивающим порог чувствительности, становится тепловой «шум» (thermal noise), вызванный хаотичным движением носителей заряда внутри ПЗС-элемента даже при отсутствии потенциала на электродах. При съемке с «длинной» выдержкой блуждающие носители заряда постепенно накапливаются в потенциальной яме, искажая истинное значение фототока, причем их количество тем больше, чем «длиннее» выдержка.

Следует отметить, что вследствие особенностей технологии изготовления ПЗС-матриц практически во всех пикселах сенсора накопление паразитного заряда, вызванного как темновым током, так и тепловым «шумом», происходит с различной интенсивностью. Неравномерность распределения усугубляется несогласованностью при подаче управляющих импульсов на электроды ПЗС-матрицы. Именно поэтому по всему кадру бывают разбросаны хорошо заметные пикселы постороннего цвета, называемые «шумом» фиксированного распределения (fixed pattern noise). При этом яркость пикселов напрямую связана с выдержкой: чем дольше длится экспонирование, тем резче выделяются на снимке точки с паразитными зарядами.

Для борьбы с неоднородным распределением паразитных зарядов фотографы стали применять «народное средство» – съемку кадра при закрытом крышкой объективе. В этом случае пользователь получает на черном фоне «маску», которую можно использовать для «вычитания» фиксированного «шума» из изображения. Данный способ зарекомендовал себя настолько хорошо, что используется в качестве штатной системы шумоподавления в некоторых новых моделях любительских камер. При включении режима подавления «шумов» методом «темного кадра» (dark frame) камера сначала фотографирует кадр, а затем при закрытом затворе снимает «маску» с матрицы при том же значении выдержки.

В отличие от светочувствительности фотопленки, которая не может изменяться от кадра к кадру, чувствительность цифровой камеры может настраиваться индивидуально для каждого кадра. Делается это простым усилением сигнала на выходе с матрицы – такая процедура чем-то сродни повороту регулятора громкости радиоприемника. В результате получается более высокое значение эквивалентной чувствительности. Повышение эквивалентной чувствительности матрицы позволяет получить нормальную экспозицию кадра в тех случаях, когда один либо другой экспопараметр (а порой и оба) не может быть больше или меньше определенного значения. Наиболее распространенный пример – необходимость иметь большую глубину резкости (малую диафрагму) при съемке движущихся объектов («короткая» выдержка). Тем не менее усиление сигнала матрицы имеет неприятные последствия, так как при повышении уровня полезного сигнала гораздо заметнее становятся пикселы с паразитными зарядами. Следуя аналогии с радиоприемником – чем выше громкость, тем сильнее «шум» от помех.