Устройство и принцип работы светочувствительного сенсора

Представьте себе плитку шоколада. Стограммовая порция состоит из пятнадцати одинаковых элементов, расположенных в пять столбцов и три ряда. Светочувствительный сенсор – та же «плитка», где одинаковые элементы расположены в строки и столбцы. Сенсор состоит из значительно большего, чем в шоколадке, количества элементов. В настоящее время оно достигает 10 – 80 миллионов. Элемент светочувствительного сенсора называется сенселем (составное слово на англ. sensel – sensor element – «элемент сенсора»).

Каждый сенсель непосредственно реализует функцию сенсора – преобразовывает световую энергию в электрический заряд. Поднесу сенсель поближе к глазам:

Рис. 7. Схема сенселя, с установленным на входе фильтром синего цвета, и иллюстрация принципа его работы (вид сбоку). Фотоны, пропускаемые фильтром, скапливаются в «корзине» и порождают электрический заряд, которому ставится в соответствие электрическое напряжение на электродах. Напряжение прямо пропорционально количеству «уловленных» фотонов.

Упрощённая конструкция сенселя с видом сбоку показана на рис. 7. Сенсель можно представить в виде «накрытой» цветным фильтром «корзины», ко «дну» которой присоединено два электрода.

«Корзина» может «собирать» и «считать» фотоны – частицы, образующие световой поток. Фотоны обладают энергией. Поэтому, чем больше фотонов находится в «корзине», тем больше энергии она накапливает. Чем больше энергии накапливает «корзина», тем выше напряжение между двумя электродами. Пусть, условно, одному фотону соответствует напряжение равное 1-ому микровольту. Тогда, если в «корзине» находится 100 фотонов, то напряжение на электродах равно 100-ам микровольтам.

Цветной фильтр «пропускает» только те фотоны, которые соответствуют цвету фильтра. Например, если над «корзиной» установлен синий фильтр, то «зелёные», «красные» фотоны и фотоны любого другого «цвета» отразятся от поверхности фильтра, а «синие» фотоны попадут в «корзину». Подробнее о «цвете» фотонов и связи их свойств с передачей цвета на цифровом изображении я расскажу в седьмой части «основ».

Таким образом, каждый сенсель характеризуют три параметра: месторасположение на сенсоре (номер строки и номер столбца), напряжение на электродах и цвет фильтра.

Рассмотрю теперь сенсели издалека, в совокупности.

Оптическое изображение снимаемой сцены, которое создаёт объектив, является потоком фотонов. В момент, когда подняты зеркала и открыт затвор, поток проецируется на сенсор. Тем предметам снимаемой сцены, которые отразили в объектив меньше световых лучей, исходящих от источника, будут соответствовать менее плотные скопления фотонов в потоке. Поэтому в какие-то «корзины» попадёт больше фотонов, в какие-то – меньше.

Общее количество фотонов в потоке зависит от освещённости снимаемой сцены. Чем меньше интенсивность освещения (чем меньше фотонов испускает источник света), тем меньше фотонов, отразившись от объектов, попадёт в объектив и, соответственно, на сенсор.

Зачем считать фотоны? На что влияет величина напряжения на электродах каждого сенселя? Чтобы ответить на эти вопросы, покажу, как сенсели связаны с элементарными фрагментами цифрового изображения – пикселами. Рассмотрю левый верхний угол светочувствительного сенсора.

Рис. 8. Схематичный вид сверху на левый верхний угол светочувствительного сенсора. Цветные квадратики – массив цветовых фильтров. В любой группе-квадрате, состоящей из 4-ёх сенселей зелёный фильтр будут иметь 2-а сенселя, красный и синий – по 1-ому сенселю.

Чем больше напряжение на электродах сенселя, тем более светлым получится соответствующий сенселю элементарный фрагмент итогового цифрового изображения. Эту закономерность можно наблюдать воочию: чем выше интенсивность освещения снимаемой сцены, тем более светлой получается фотография (при неизменных параметрах экспозиции).

Однако, одному пикселу итогового цифрового изображения соответствует не один сенсель. Каждый пиксел рассчитывается по напряжениям нескольких соседних друг с другом сенселей. При этом учитывается цвет фильтров, установленных на каждый участвующий в расчёте сенсель. Расчёт может производится процессором фотоаппарата под управлением встроенной программы, либо программой для компьютера, которая оперирует специализированными файлами, создаваемыми фотоаппаратом. Что представляют из себя эти файлы, я расскажу далее.

Первый путь – «конвейер» – я опишу в третьем разделе, а второй путь, аналогичный по сути первому, относится к этапу обработки и выходит за рамки серии «Основы фотографии».

Порядок и набор возможных цветов строго определён и задаёт массив цветных фильтров (от англ. color filter array – CFA). В данном разделе речь идёт о массиве, придуманном Брюсом Байером (Bryce Bayer) в 80-ых годах. Массив цветных фильтров Байера построен по совокупности трёх принципов:

Каждый фильтр может быть одного из трёх цветов: синим, красным или зелёным;

На каждую группу из 4-ёх сенселей, образующих квадрат 2х2 сенселя, приходится два зелёных фильтра, один синий и один красный;

Два одинаковых по цвету фильтра не стоят рядом по вертикали или по горизонтали.

Иллюстрация массива цветных фильтров, выполненного по схеме Байера, приведена на рис. 8. Построение «подсмотрено» у природы. Специальные клетки – колбочки – которые образуют сетчатку человеческого глаза восприимчивы к одному из трёх цветов: красному, зелёному или синему. Другие специальные клетки – палочки – восприимчивыми лишь к изумрудно зелёному цвету. Общая картина такова, что человеческий глаз значительно более чувствителен к зелёному цвету, чем к красному и синему.

Рис. 9. «Мозаики» из синих, зелёных и красных фильтров (вид на сенсор сверху).

Расположение фильтров может напоминать мозаику (см. рис. 9). Поэтому иногда псевдоизображения, полученные с помощью светочувствительных сенсоров с массивом цветных фильтров, называют мозаичными.

Существуют массивы, в которых применяется другое расположение фильтров и/или применяются фильтры других цветов. Однако принцип работы любого массива цветных фильтров един: «отсортировать» фотоны по «цвету» так, чтобы впоследствии получить цифровое изображение похожее на оптическое изображение, проецируемое объективом на светочувствительный сенсор. Почему «похожее»?

Как я отметил ранее, цвет пиксела на цифровом изображении формируется на основании параметров соответствующего сенселя и параметров «соседей» последнего. Процесс формирования называется интерполяцией (или процессом «демозаики»). Цвет пиксела вычисляется приближённо. Выполнение интерполяции необходимо для светочувствительного сенсора, где применяется массив цветных фильтров. Потому что каждый сенсель частично характеризует световой поток, попадающий на «вход» сенселя.

Интерполяция – это вычислительный процесс. Предварительно напряжения, соответствующие величине электрических зарядов, преобразуются в числа. Другими словами, производится аналогово-цифровое преобразование: напряжению – физической величине – ставится в соответствие число.

Например, напряжение равное 1-му микровольту можно закодировать последовательностью из четырнадцати нулей и единиц (бит): 00000000000001, – напряжение равное 2-ум микровольтам – последовательностью 00000000000010 и т.д. Для некоторых цифровых фотоаппаратов длина последовательности может равняться 12-ти битам. Чем длиннее последовательность чисел, тем точнее цифровое изображение может повторить оптическое изображение.Последовательностью из 14-ти нулей и единиц можно закодировать более 16-ти тысяч состояний сенселя. Точность аналого-цифрового преобразования указывается в спецификации к цифровому фотоаппарату.

Аналого-цифровое преобразование может осуществляться двумя способами. 1) Процессором и вспомогательными элементами электронной схемы фотоаппарата – все расположены на электронной плате (метка 11 на рис. 1). 2) Специальными компонентами, встроенными непосредственно в сенсор.

В первом случае сенсор относится к виду прибора с зарядовой связью (ПЗС, англ. CCD - Charge-Coupled Device), во втором случае к приборам, построенным по КМОП-технологии (аббр. от «комплементарная структура металл-оксид-полупроводник», англ. CMOS). Тип установленного сенсора указывается в спецификации к цифровому фотоаппарату.

Два типа сенсоров обладают существенными отличиями, которые оказывают влияние на техническое качество фотографии, стоимость камеры и определяют особенности изображения движущихся объектов. Поэтому сравнение ПЗС и КМОП-сенсора я приведу отдельно в конце раздела.

Рис. 10. Пример упрощённой числовой таблицы, формируемой в результате работы сенсора: вверху – наглядная форма (числа указаны в десятичной системе исчисления), внизу – форма, «привычная» для цифровой техники (числа указаны в двоичной системе исчисления).

Итогом аналого-цифрового преобразования является специальная таблица (см. рис. 10). В ней указывается расположение сенселя, напряжение на его электродах в виде 12-ти или 14-ти битной последовательности, а также цвет фильтра. Таблица, дополненная информацией о параметрах съёмки и другими данными, может быть либо 1) сохранена в виде файла на карте памяти, либо 2) отправлена на «конвейер» фотоаппарата.

В первом случае файл называют «цифровым негативом» или «цифровым изображением в формате RAW» (от англ. raw – «сырой»). Функцию сохранения RAW-файла на карте памяти можно вручную активировать в меню фотоаппарата. Но она реализована не во всех цифровых камерах: во всех зеркальных, большинстве беззеркальных и некоторых компактных фотоаппаратах.

Строго, RAW-файл не является цифровым изображением. Из данных, содержащихся в RAW-файле, можно получить множество цифровых изображений, подобных оптическому изображению, сформированному объективом на светочувствительном сенсоре. На этапе обработки при наличии соответствующих навыков из RAW-файла может быть получено цифровое изображение, значительно превосходящее по всем критериям технического качества цифровое изображение, создаваемое «конвейером» фотоаппарата. Подробнее о цифровых изображениях и их форматах я расскажу в шестой части «основ».

Во втором случае, когда напряжения на электродах сенселей «обозначены» числами, а из чисел сформирована специальная таблица, на основании её данных процессор фотоаппарата осуществляет интерполяцию. Результатом интерполяции и применения сопутствующих программных алгоритмов, вместе образующих «конвейер», является цифровое изображение, которое может быть отображено на экране фотоаппарата (метка 7 на рис. 1) и сохранено в виде файла на карте памяти.

Резюмирую. Вы нажимаете на кнопку спуска затвора, поднимаются зеркала, открывается затвор. Поток фотонов, сформированный объективом, устремляется на сенсор. Сенсели «насыщаются» фотонами, порождают электрические напряжения. Напряжения фиксируются, чтобы вычислительные компоненты сенсора (в случае с КМОП-сенсором) или электронная схема фотоаппарата могли преобразовать «сетку» напряжений в числовую таблицу. Как только напряжения зафиксированы, сенсели освобождаются от фотонов. Сенсор снова готов «принимать» поток фотонов, то есть участвовать в создании новой фотографии. Процессор строит цифровое изображение, интерполируя числовую таблицу, выводит его на экран фотоаппарата и/или сохраняет на карте памяти. Числовая таблица может быть сохранена в виде RAW-файла на карте памяти, если соответствующая функция реализована в фотоаппарате, и пользователь активировал её.

Отмечу, что пока процессор строит цифровое изображение, светочувствительный сенсор может принимать новые «порции» фотонов: от 20-ти «порций» ежесекундно. Именно так происходит в режиме видеосъёмки или при построении кадра в реальном времени – в режиме Life View (буквально с англ. – «живой взгляд»). Обоими режимами производители современных цифровых фотоаппаратов оснащают подавляющее большинство своих устройств.

В завершение приведу замечание относительно степени «похожести» оптического и цифрового изображения.

Все явления и процессы в окружающем нас мире непрерывны. В цифровом мире любое природное явление имитируется – приближается с какой-либо долей точности. Процессы в цифровом мире дискретны. Сенсоры генерируют дискретное изображение – подобное с некоторой точностью оптическому изображению. Но разные технологии построения светочувствительных сенсоров «приближают» оптическое изображение с разными степенью точности, затратами времени и энергии.

Существуют две технологии производства сенсоров, где для определения цвета каждого элементарного фрагмента итогового цифрового изображения используется информация с трёх сенселей с синим, красным и зелёным фильтрами. При этом сенсели одного «цвета» расположены на отдельном сенсоре (3-ёх сенсорное решение) или отдельном слое сенсора (технология Foveon X3). Первая технология активно применяется в цифровых видеокамерах. Вторая в настоящее время применяется в цифровых фотоаппаратах производства Sigma.

Обе технологии не требуют интерполяции данных, полученных с помощью сенсоров. Каждому пикселю на итоговом цифровом изображении соответствуют сразу три сенселя с различными цветными фильтрами вместо одного (в технологии с применением массивов цветных фильтров). Так как не требуется «приближения»: информации для определения каждого пикселя достаточно, – точность передачи цветов априори выше.