Подробнее - CCD-датчики изображения

Любой твердотельный датчик изображения состоит из массива элементарных ячеек - пикселей. Конструкция датчика включает кремниевую подложку p-типа, изолирующего слоя двуокиси кремния и располагающихся на нём электродов. Основными носителями заряда в такой подложке являются положительно заряженные дырки. При подаче положительного потенциала на один из электродов (+V) под ним образуется область, обедненная основными носителями. На остальных электродах потенциал в этот момент равен нулю (0V).

В основу работы элемента CCD положено явление внутреннего фотоэффекта. Когда фотон проникает в кремний, происходит генерация пары носителей заряда - электрона и дырки. Под действием положительного потенциала (+V) дырка отталкивается в глубь кристалла, а под соответствующим электродом за счёт сил электростатического поля скапливаются неосновные носители заряда - электроны.

По завершении накопления заряда происходит его перенос в область хранения, путём последовательной подачи напряжения на следующие друг за другом электроды. В случае если элементы организованы в виде двумерного массива, перенос производится сразу целыми строками. Из области хранения заряды последовательно поступают в выходной усилитель, осуществляющий также преобразование заряда в напряжение, а затем в аналого-цифровой преобразователь.

Современные CCD-матрицы имеют под окислом кремния тонкий n-слой, т.н. объёмный канал переноса. Его наличие позволяет частично избавиться от влияния дефектов приповерхностного слоя полупроводника, что улучшает четкость получаемого изображения и снижает величину темнового сигнала. Кроме того, многие производители для предотвращения эффекта растекания заряда при очень большой освещенности используют антибликовое покрытие (antiblooming). Оно наносится на подложку матрицы и позволяет поглощать "лишние" фотоны, повышая чёткость изображения на верхней границе динамического диапазона.

В России существует единственный производитель датчиков на основе ПЗС - Государственное Унитарное Предприятие НПП "Электрон-Оптроник" в Санкт-Петербурге.

Подробнее - CMOS-датчики изображения

Принципиальной особенностью такой архитектуры является наличие в каждом пикселе помимо фоточувствительного элемента (фотодиода или фотозатвора) активной транзисторной схемы усиления сигнала с фотодатчика, выполненной по CMOS-технологии - "Active-Pixel Sensor" архитектуры.

Структура типичного цветного CMOS-датчика представляет собой кремниевую подложку, на которой расположены фотодиоды, светофильтр и микролинзы. Поток света, проникая через микролинзы, разделяется светофильтрами на синюю, зелёную и красную составляющие, а затем поступает на фотодиоды. Наличие микролинз обусловлено стремлением повысить чувствительность датчика путем фокусировки большего числа фотонов на фотоэлементе. В CMOS-датчиках используют светофильтр (CFA - color filter array), построенный на основе модели "Bayer", изобретенной фирмой Kodak. Чувствительность цветных датчиков почти в три раза меньше, чем черно-белых. Поэтому в условиях малой освещенности лучше использовать черно-белые датчики изображения (например, в видеокамерах охранных систем).

Ввиду того, что в CMOS-датчике фотоприёмник и усилитель находятся в каждом пикселе, преобразование заряда в напряжение производится внутри пикселя. Благодаря этому имеется возможность считывать информацию о состоянии каждого пикселя отдельно, задавая адрес его строки и столбца в двумерном массиве элементов. Также можно получать изображение не со всей матрицы, а только с предварительно заданного региона - "окна". Это позволяет легко выполнять операции масштабирования, увеличения изображения. Возможность задания "окна" для считывания изображения может быть полезна для сжатия изображения, обнаружения движения в кадре или отслеживания передвижения объекта.

Для изготовления традиционных CCD-датчиков необходима дорогостоящая производственная база и специализированные технологические процессы. В то же время изготовление датчиков изображения по CMOS-технологии позволяет использовать стандартное промышленное оборудование, которое применяется при производстве более 90% всех существующих микросхем - от процессоров до модулей памяти.

Архитектура "Active-pixel sensor" (APS) обеспечивает очень малое энергопотребление - почти в 100 раз меньше, чем устройства на CCD-матрицах. Это достоинство особенно ощутимо в устройствах с автономным питанием - ноутбуках, сотовых телефонах, цифровых фотоаппаратах и пр. По своей сути CCD-матрицы - ёмкостные устройства, требующие высоких тактовых частот для достижения приемлемой эффективности переноса заряда, что приводит к значительным энергозатратам (до 2-5 Вт) при необходимости использовать несколько источников напряжения (от 5 до 15 В).

В отличие от них системы "active-pixel" работают от одного источника напряжения (5 В; 3,3 В или 2,8 В), потребляя от 20 до 150 мВт мощности.

Датчики, изготовленные по APS-архитектуре, обладают высоким быстродействием (до 500 fps (frames per second) и более кадров в секунду), что позволяет успешно использовать их в системах машинного зрения и для анализа быстродвижущихся объектов.

CMOS-датчики имеют в сравнении с CCD-устройствами довольно высокий уровень шума. Для улучшения соотношения сигнал/шум может быть использован цифровой сигнальный процессор (DSP).

Другим недостатком CMOS-технологии является низкая чувствительность. Это вызвано наличием в каждом пикселе помимо светочувствительного элемента схем усиления, шумопонижения и пр. Отношение площади фоточувствительного элемента ко всей площади пикселя называется "fill factor", (коэффициент заполнения). Большинство CMOS-датчиков имеют "fill factor" не превышающий 75%. В отличие от них, у ССD-датчиков его величина достигает 100%.

очень успешной камере EOS 300D установлен CMOS-датчик (КМОП - комплементарный металл-оксидный полупроводник) с 6,3 млн. пикселей - ноу-хау от Canon.

В отличие от большинства производителей камер, вынужденных покупать на стороне CCD-датчики, Canon может позволить себе выбор между CCD и CMOS и решить, что лучше для камеры EOS 300D, расширяя свои конструкторские возможности. Так, в полупрофессиональных камерах Canon Powershot G5 и Powershot G6 и любительских Powershot А85 и А95 были применены CCD-датчики, а в зеркальных EOS 300D и EOS 350D уже CMOS-датчики.

Canon производит многие компоненты собственных датчиков специально для камер, причём их история восходит к 1987 г. Всё это в сочетании с полным контролем над всем циклом производства датчиков даёт компании неоспоримые технологические и финансовые преимущества перед моделями других марок, где применены компоненты сторонних производителей.

Первый в автофокусировке
Canon разрабатывает датчики, начиная с появления плёночных камер EOS в 1987 г. В то время датчики использовались (и до сих пор используются) в работе системы автофокусировки, создавая цифровые версии изображения в видоискателе и отслеживая резкость в плоскости плёнки. Технология BASIS стала частью системы, определившей первенство Canon в автофокусировке.

Компания Canon начала использование собственных CMOS-датчиков, начиная с однообъективной зеркальной камеры EOS-3. Технология CMOS применена в этой камере в системе 45-точечной автофокусировки. Установка датчиков такого типа в этой и других компактных и зеркальных камерах, а также перспективы развития рынка сделали оправданным собственное производство датчиков, и компания вела их разработки с целью применения в системах автофокусировки и автоэкспозиции компактных камер.

В 2000 г., начиная с цифровой однообъективной зеркальной камеры EOS D30, Canon стала использовать CMOS-датчики для регистрации изображения. В ней был установлен датчик с 3,3 млн. пикселей с максимальным разрешением 2160 x 1440 точек. Однако компании понадобилось освоить ряд технологий, обеспечивших качественный прорыв.

CMOS-датчики имели ряд ограничений, мешавших их применению в устройствах захвата изображения. Ранние прототипы имели невысокую чувствительность и значительный уровень помех по сравнению с CCD-датчиками. Уровень шумов в CMOS-датчиках, казалось, исключал их применение в камерах высокого класса, где требуются длинные выдержки и возможности работы при слабой освещённости. Компания Canon взялась за эти проблемы с трёх сторон и нашла эффективное решение.

Бесшумность
Первая проблема - это уровень шумов, присущих CMOS-датчику ввиду неодинаковости прохождения сигнала через усилители его элементов. Сделать так, чтобы все 3,3 млн. усилителей работали одинаково, - слишком сложная задача, поэтому инженеры Canon подошли к проблеме с другой стороны. Сняв собственный шумовой сигнал со всего множества усилителей, внутренняя система обработки сравнивает этот шум с сигналом при съёмке изображения. Значение начального шума вычитается из этого сигнала, давая бесшумовую картинку.

Полный перенос заряда
Неодинаковость отклика каждого пикселя - это не только проблема несбалансированности усилителей, но и неравные начальные условия. Оказалось, что отдельные пиксели, соответствующие одному и тому же оттенку, посылали различные сигналы вследствие того, что на некоторых пикселях ещё оставался заряд от предыдущего изображения. То есть некоторые пиксели оказывались экспонированными дважды: остаточный заряд с предыдущего кадра складывался с новым зарядом со следующего. Проблема решается созданием системы, обеспечивающей полный перенос заряда с каждого элемента формирования изображения и восприятие нового изображение "с нуля".

Фильтры
В датчик камеры EOS 300D встроен фильтр, отсекающий инфракрасное излучение и уменьшающий эффект затуманивания. Датчик содержит такой же трёхслойный оптический фильтр нижних частот, как и в камере EOS 10D. Фильтр нижних частот в сочетании с процессором EOS 300D DIGIC уменьшает эффект "ложного цвета", который имеет место, например при съёмке структур, близких к размеру пикселя датчика.

Исследования и разработки вознаграждаются
Сложно было заставить CMOS-датчик хорошо работать вопреки его собственной природе, проще было поставить во все камеры CCD-датчик. Однако CMOS-датчик имеет неоспоримые преимущества, щедро вознаградившие его разработчиков.

Малое энергопотребление и высокая скорость - вот два преимущества, заставляющие компанию Canon неуклонно инвестировать в CMOS-технологии. CMOS-датчик расходует на 80-90% меньше энергии, чем CCD-датчик. В результате аккумулятор может быть намного меньше, камера - легче, время зарядки - короче, а аккумулятор будет держать рабочее напряжение намного дольше.

Поточные линии для CCD-датчиков можно использовать только для их изготовления. Производство CMOS-устройств легко переключить на выпуск изделий для других приложений. CMOS-датчики менее сложны в производстве и состоят из меньшего числа компонент, что ещё больше их удешевляет. Стоимость производства датчиков была значительным фактором снижения цены EOS 300D до массового потребительского уровня.

Эпилог
В камере 2005 г. - EOS 350D использованы CMOS-датчик второго поколения формата APS-C с 8,0 млн. пикселей и низким уровнем шума.