Автофокус
Автофокус – устройство наводящее оптическую систему объектива на резкость изображения в фокальной плоскости. Существуют два типа автофокуса: фазовый и контрастный.
Фазовый автофокус применяется в современных зеркальных цифровых камерах. Основным элементом его являются специальные датчики, которые получают фрагменты светового потока от разных точек кадра с помощью специальных зеркал. Внутри датчика свет разделяется на два потока, каждый из которых попадает на свой светочувствительный сенсор. В случае точной наводки на резкость два световых потока будут находиться друг от друга на определенном расстоянии, заданном конструкцией датчика. В противном случае, это расстояние будет меньше или больше. Датчик, измерив это расстояние, выдает на выходе сигнал, показывающий в какую сторону и насколько надо сдвинуть линзы объектива, чтобы выполнить наводку на резкость. Быстродействие системы очень высокое и определяется в основном быстродействием механики объектива.
Контрастный автофокус применяется в цифровых незеркальных камерах. Принцип его работы основан на постоянном считывании изображения с матрицы и анализе степени его контрастности. Такой автофокус обладает довольно низким быстродействием. Это связано с тем, что процессор в каждый момент времени считает изображение размытым. Поэтому каждый раз процессор дает команду немного подвинуть объектив и проверяет увеличение контраста изображения. Если контраст изображения увеличился, процессор дает команду переместить объектив в другую сторону, до тех пор, пока не определится максимум контрастности изображения. После определения максимума контраста автофокусировка прекращается.
Фотоприемник
Для регистрации изображения используется фотоприемник. Фотоприемник – прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал. Характеризуется следующими параметрами:
разрешение – характеристика сенсора, показывающая количество пикселей по горизонтали и вертикали, в фотокамерах принято показывать общее количество пикселей;
размер пикселя – физический размер пикселя;
частота кадровой развертки измеряется в количестве снятых кадров в секунду;
диагональ рабочей площади матрицы выражается в долях дюйма и показывает размер активной площади матрицы;
частота тактирования шины данных определяет скорость обработки данных;
чувствительность к освещению – изменение электрического сигнала в зависимости от изменения освещения.
Рассмотрим более подробно такую характеристику светочувствительного элемента как чувствительность, которую можно разделить на две составляющие. Первая – интегральная чувствительность, представляет собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах). Параметр служит для оценки суммарной (по всему спектру видимого света) чувствительности пикселя. Второй характеристикой способности светочувствительного элемента реагировать на свет является монохроматическая чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), имеющего строго определённую длину волны. А функция, описывающая зависимость чувствительности от длины волны, то есть способность пикселя фиксировать различные цветовые оттенки, именуется спектральной чувствительностью и представляет собой совокупность всех значений монохроматической чувствительности для данной области спектра.
Таким образом, как интегральная, так и спектральная чувствительность определяется фототоком светочувствительного элемента, то есть зарядом, накопленным потенциальной ямой.
Однако далеко не все фотоны, попавшие на светочувствительную область, преобразуются в носители заряда. Параметр, определяющий эффективность регистрации светового излучения светочувствительного элементом, называется квантовой эффективностью (quantum efficiency) и характеризует отношение количества зарегистрированных носителей заряда к количеству попавших на поверхность светочувствительной области фотонов. Поскольку далеко не все носители заряда попадают в потенциальную яму, квантовая эффективность более точно характеризует чувствительность пикселя.
Наряду с площадью светочувствительной области и квантовой эффективностью на способность пикселя регистрировать фотоны влияет порог чувствительности – величина минимального светового сигнала, который может быть зарегистрирован светочувствительным элементом (чем слабее сигнал, тем выше порог чувствительности).
Из всего вышесказанного получается, что чувствительность фоторприемнмка – это интегральная характеристика, которая определяется чувствительностью каждого пикселя.
В качестве фотоприемника используются два типа устройств — ПЗС-матрицы (матрицы приборов с зарядовой связью) и КМОП-матрицы.
ПЗС-матрица.
ПЗС (прибор с зарядовой связью) — устройство, накапливающее электронный заряд при попадании на него светового потока. Уровень заряда зависит от интенсивности и продолжительности освещения. В англоязычной литературе используется определение CCD (Charged Coupled Device).
В приборах с зарядовой связью преобразование фотона в электрон производится в результате внутреннего фотоэффекта: поглощения светового кванта кристаллической решёткой полупроводника с выделением носителей заряда. Образовавшиеся носители заряда до момента считывания необходимо сохранить.
Для этого основной материал ПЗС-матрицы – кремниевая подложка оснащается каналами из полупроводника, над которыми из поликристаллического кремния изготавливаются прозрачные для фотонов электроды. После подачи на такой электрод электрического потенциала в обеднённой зоне под каналом из полупроводника создаётся потенциальная яма, назначение которой – хранить заряд. Чем больше фотонов упадёт на ПЗС-элемент (пиксель) и превратится в электроны, тем выше будет заряд, накопленный ямой (рис.2).
Для получения информации об изображении необходимо считать пакеты зарядов каждой потенциальной ямы матрицы, для этого заряды перемещаются к считывающему устройству, которое преобразует их в напряжение. При считывании заряда используется способность ПЗС-элементов к перемещению зарядов потенциальных ям – именно поэтому данные устройства называются приборами с зарядовой связью.
Представим длинную цепочку расположенных рядом электродов (рис. 3), причем электроды соединяются между собой. Вывод соединенных вместе электродов называют фазой. Пусть напряжение подано на фазу Ф1. При этом пакеты зарядов (разные по количеству электронов) могут находиться под электродами С1, С4 и С7. Далее подаем напряжение ещё и на Ф2, а с Ф1, наоборот, снимаем в результате заряды плавно перетекают под фазу Ф2 (под электроды С2, С5). Затем напряжение подается на Ф3, с Ф2 снимается – заряд переходит под С3и С6, и так далее [3]. Получили сдвиговый ПЗС-регистр, который для работы требует три управляющие импульсные последовательности, и называется трёхфазовым. Отсутствие напряжение хранения (точнее, нулевое или небольшое напряжение обратной полярности) под одной из фаз при переносе заряда создаётся потенциальный барьер и является гарантией того, что зарядовые пакеты не будут растекаться. В конце регистра заряды попадают в считывающее устройство, преобразующее их в напряжение.
Рис. 2. Схема ПЗС-элемента.
Рис. 3. Схема переноса заряда в трехфазном ПЗС-регистре.
Различают следующие виды ПЗС-матриц: с полнокадровым переносом (Full-Frame Transfer CCD, FF CCD), с буферизацией кадра (Frame Transfer CCD, FT CCD),с буферизацией столбцов(Interline CCD, IL CCD), которые в свою очередь делятся на матрицы с прогрессивной разверткой (Progressive scan) и с чересстрочной разверткой (Interlase scan) [4].
Рассмотрим процесс переноса пакетов заряда каждого вида ПЗС-матриц.
Принцип работы полнокадровой матрицы (рис. 4) заключается в следующем. По завершении экспозиции все ряды кадра параллельно смещаются в сдвиговый регистр, а затем, поочередно поступают в блок аналогово-цифрового преобразователя (АЦП).
Рис. 4. Схема полнокадровой ПЗС-матрицы.
До освобождения последовательного регистра параллельный регистр сдвига вынужден простаивать. ПЗС-матрица подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения. Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя — при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселей добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется размазыванием заряда в полнокадровой матрице (full - frame matrix smear).
Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий с объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.
Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а хранятся в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame - transfer CCD).
Заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является увеличение пути перемещения фототоков, которое негативно сказывается на сохранности величин зарядов. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор.
Принцип работы матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix), в чём-то сходен с системами с буферизацией кадра — в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием (рис. 5). С каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не сверху вниз, а слева направо (или справа налево) и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования.
Рис. 5. Схема ПЗС-матрицы с буферизацией столбцов
Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть сверху вниз. Время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря этому появляется возможность создать сигнал с высокой частотой — не менее 30 кадров секунду.
В свою очередь, сенсоры с буферизацией столбцов подразделяются на две категории. При считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной развёрткой (progressive scan). Когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй – чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan).
При длинной выдержке в потенциальной яме может накопиться избыточный заряд, который будет стремиться растечься по соседним пикселям и исказить информацию об изображении, на снимке это приведет к образованию белых пятен размером, зависевшем от величины переполнения. Данный дефект именуется блюмингом (от английского blooming – «размывание»). Борьба с блюмингом осуществляется посредством электронного дренажа (drain) – отвода из потенциальной ямы избыточного заряда. Существует два основных вида дренажа: вертикальный (Vertical Overflow Drain, VOD) и боковой (Lateral Overflow Drain, LOD).
Для реализации вертикального дренажа на подложку матрица подаётся потенциал, который при переполнении глубины потенциальной ямы обеспечивает истечение избыточных электронов сквозь подложку. Основной минус такой схемы – уменьшение глубины потенциальной ямы, в результате чего сужается динамический диапазон.
Боковой дренаж осуществляется при помощи специальных дренажных потенциальных ям (рис. 6), в которые стекаются избыточные электроны. Для формирования этих потенциальных ям прокладываются специальные электроды, на которые подаётся потенциал, формирующий дренажную систему. Другие электроды создают барьер, препятствующий преждевременному истечению электронов из потенциальной ямы.
Рис. 6. Схема бокового дренажа.
При боковом дренаже глубина потенциальной ямы не уменьшается, однако при этом урезается площадь светочувствительной области пикселя. Тем не менее, без дренажа обойтись нельзя, так как блюминг искажает снимок больше, чем все остальные виды помех.
Для компенсации уменьшения площади светочувствительной области пикселя в матрицах с буферизацией столбцов используют микролинзы, располагающиеся над каждым элементом и фокусирующие весь достающийся пикселю световой поток (рис. 7).
Рис. 7. Структура пикселя с микролинзой.
Массив небольших линз формируется на поверхности пластины с уже формированными структурами матрицы, наносится слой оптической легкоплавкой пластмассы, из которого методом фотолитографии вырезаются изолированные квадратики, лежащие над каждым элементом. Зазор между отдельными квадратиками невелик. Затем пластина нагревается, пластмасса подплавляется и поверхность отдельных квадратиков приобретает близкую к сферической форму, фокусируя приходящий на её поверхность свет точно на фоточувствительный элемент матрицы [5].
Однако применение микролинз имеет недостатки. Лучи света, падающие под большим углом к нормали, приводят к тому, что, проникая в кремний под большим углом, фотон может войти в матрицу на поверхности одного пикселя, а выбить электрон в теле другого. Это приводит к искажению изображения. Поэтому, чтобы ослабить влияние таких фотонов, поверхность матрицы, за исключением светочувствительных областей, покрывается непрозрачной маской (чаще металлической). Микролинзы вносят определённые искажения в регистрируемое изображение, размывая края линий, толщина которых на грани разрешения сенсора.
В камерах с крупногабаритными полнокадровыми матрицами тончайшие линии могут приобрести ступенчатость (aliasing) изображения, возникающей от присвоения пикселю определённого цвета вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. Поэтому данного типа камеры оснащаются фильтрами защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter).