Сенсоры цифровых фотоаппаратов

В получении цветовой информации участвуют все экспонированные элементы ячейки. При обработке ее применяются сложные методы интерполяции. В частности, учитывается цветовая составляющая соседних элементов (пикселей). В результате электроника камеры выдает реалистичную полноцветную картинку, максимально соответствующую действительному изображению.

Чтобы лучше понять этот механизм, обратимся к другой технологии (то есть пойдем от противоположного механизма), к принципам построения цветного изображения цветных жидкокристаллических мониторов. Там все элементы ЖК матрицы, представляющие собой микроскопические капсулы с жидкими кристаллами, образованы из трех субэлементов, каждый из которых прикрыт светофильтром трех базовых цветов - красным, зеленым и синим. Изображение строится методом сложения цветов. В зависимости от интенсивности свечения субэлемента пиксель (ячейка матрицы) приобретает тот или иной цветовой оттенок (при этом сама ячейка с жидкими кристаллами не светится, а лишь перекрывает или пропускает световой поток лампы подсветки экрана).

Примерно так же работали КМОП сенсоры первых цифровых фотоаппаратов и самые дешевые веб-камеры. То есть каждый элемент матрицы был прикрыт индивидуальным микроскопическим светофильтром. Но в современных сенсорах эта технология не применяется. В построении картинки участвуют все задействованные ячейки (но не все ячейки сенсора - часть из них выполняют сервисные функции, поэтому говорят о полном и эффективном разрешении сенсора). Это касается и сенсоров CCD, и сенсоров CMOS - во всяком случае, современных, которые устанавливаются в выпускаемые сегодня цифровые фотоаппараты...

Еще одна важная деталь устройства светочувствительных матриц - способ регистрации изображения. Матрица CCD состоит из двух идентичных наборов ячеек - светочувствительных элементов, образующих секцию накопления зарядов, и элементов, образующих секцию хранения зарядов. Электрические заряды, которые возникают при облучении элементов сенсора световым потоком, поступают в ячейки секции накопления и перемещаются в ячейки секции хранения зарядов, откуда затем через регистры вертикального сдвига - в выходной усилитель матрицы. Ячейки секции хранения прикрыты светонепроницаемым фильтром, а потому на световой поток не реагируют. Но при переходе зарядов из секции накопления в секцию хранения следует изолировать непроницаемой заслонкой и светочувствительные ячейки, чтобы не смешивать возникшие при облучении новые заряды с уже сохраненными (иначе изображение просто не получится), используя для этого в цифровых фотоаппаратах обычный электромеханический затвор.

Эта особенность касается матриц с построчным переносом зарядов. В фотоаппаратах с матрицами с покадровым переносом зарядов затвор оказывается ненужным, поскольку заряды ячеек накапливаются сразу со всей поверхности матрицы и с сигналами ячеек накопления не смешиваются. При этом регистрами вертикального сдвига, представляющими собой простые проводники, снабжается каждая светочувствительная ячейка секции накопления зарядов, а светоизолированная секция хранения зарядов занимает отдельную область сенсора. Проблема в том, что применение покадрового переноса зарядов увеличивает размеры сенсора и в то же время уменьшает его разрешение. Поэтому сегодня применяется технология комбинированного построчно-кадрового переноса. Что позволяет, с одной стороны, получать постоянный сигнал с матрицы и использовать его для построения изображения на встроенном контрольном дисплее фотоаппарата, а с другой - получать высококачественные изображения с построчным считыванием зарядов и применением электромеханического затвора.

В фотоаппаратах с сенсорами CMOS (в самых простых из них и в фототелефонах) электромеханический затвор не применяется вовсе, поскольку информация о состоянии ячеек подобной матрицы считывается непосредственно с выводов полевых транзисторов, образующих матрицу. Однако, в зеркальных фотоаппаратах с сенсорами CMOS для точной отработки экспозиции электромеханический затвор устанавливается обязательно.

Элементарные сведения о принципе действия сенсоров CCD важны для фотолюбителя и с практической точки зрения. Дело в том, что при покупке нового фотоаппарата, вне зависимости от уровня техники и ее стоимости, у фотографа, как это ни печально, всегда есть шанс угодить на камеру с "битыми" пикселями. "Битый" пиксель - это светочувствительный элемент, в силу разных причин утративший способность реагировать на световое облучение. При этом бездействующая ячейка может быть совершенно незаметна на снимке, если находится в нижней части матрицы, на которую приходится та часть кадра, где обычно располагается земля, где мало светлых участков, на которых одна черная точка может быть хорошо заметна. Другое дело верхняя часть матрицы, где изображается небо и другие светлые объекты.

Один-два битых пикселя вещь для любительской камеры обычная. Хуже, когда таких пикселей несколько и они объединены в группу. Тогда темная точка на снимке становится различимой даже при съемке с самым высоким разрешением, когда в построении изображения участвуют все светочувствительные ячейки матрицы. В магазине битые пиксели матрицы увидеть очень трудно, а в ходе практической работы с камерой подобная неприятность будет непременно обнаружена...

Мы уже говорили о том, что техническое совершенство камеры определяется качеством сенсора, а как и чем определяется качество самого сенсора? Существует ряд характеристик, имеющих для светочувствительной матрицы цифрового фотоаппарата первостепенное значение.

В первую очередь это разрешение матрицы. Чем больше разрешение матрицы светочувствительных элементов, тем выше качество конечного бумажного отпечатка или электронного фотоизображения. Количество эффективных пикселей на матрице цифрового фотоаппарата определяет разрешение оцифрованного изображения, поскольку максимальное разрешение снимка равно количеству пикселей светочувствительного сенсора.

Иногда в сводке технических характеристик (это касается только самых дешевых камер) можно обнаружить, что максимальное разрешение фотоснимков превышает количество пикселей матрицы фотоаппарата. Этим заявлениям производителей не стоит доверять. Повышенное разрешение достигается программной интерполяцией, когда недостающие элементы изображения синтезируются на основе усредненных значений яркости соседних пикселей. Интерполяция увеличивает количество пикселей, но всегда за счет реального качества изображения. На интерполированном снимке границы объектов утрачивают резкость и ухудшается детализация. В лучшем случае разрешение возрастает без какого бы то ни было улучшения изображения. Поэтому разного вида интерполяционную обработку, если таковая функция присутствует в камере, лучше не использовать вовсе.

Разрешение (или разрешающая способность) светочувствительного сенсора, как и разрешение экрана монитора (и, кстати, контрольного дисплея фотоаппарата), выражается в пикселях. При этом экранное разрешение монитора определяется величиной светящейся экранной точки - пикселя, образованного люминофором электронно-лучевой трубки или ячейкой жидкокристаллической матрицы (в этом случае светится не элемент, а лампа за ним). Экранное разрешение величина постоянная. Оно зависит только от размера пикселя экрана монитора. Стандартные значения величины пикселя 0,25, 0,28 и 0,31 мм. Стандартные значения экранного разрешения компьютерных мониторов 72 или 96 пикселей на квадратный дюйм.

Разрешение светочувствительных сенсоров тоже зависит от размера пикселя, но каких-либо стандартов здесь не существует. Чем меньше величина каждого пикселя, тем больше пикселей (то есть светочувствительных элементов) размещается на поверхности матрицы и, как следствие, тем большим разрешением обладает сама матрица.

Кроме экранного разрешения и разрешения сенсора цифровой камеры существует еще одна важная характеристика - разрешение печатающего устройства (в практике любительской цифровой фотографии, как правило, цветного струйного принтера). Однако разрешение принтера измеряется не в пикселях, а в точках. А выражается разрешение принтера в точках на квадратный дюйм. Для фотолюбителя принципиальной разницы между пикселем и точкой нет, поэтому обе единицы измерения разрешающей способности можно считать равнозначными. Различия между точкой и пикселем носят теоретический характер, имеющий значение для разработчиков цифровой техники. Считается, что пиксель имеет правильную прямоугольную форму, близкую к квадрату (на практике экранные пиксели могут иметь форму круга или вытянутого по вертикали прямоугольника в зависимости от типа электронно-лучевой трубки - со щелевой маской или с апертурной решеткой соответственно, а пиксель матрицы цифрового фотоаппарата может иметь форму квадрата или восьмиугольника - например, ячейки матрицы SuperCCD камер Fujifilm FinePix). Принтерная же точка имеет неправильную форму, близкую к кругу...