Многослойная матрица

С 2002 года схема с интерполяцией цвета обрела соперника в лице матриц многослойной структуры, в которых цвет регистрируется так же, как и в классической фотографии, – все оттенки основных цветов в каждом пикселе, причём при однократной экспозиции. Основной разработчик сенсоров, использующих «слоёную» технологию, фирма Foveon (рис. 14) [6].

В основе новой разработки используется разделение изображения на основные цвета за счёт того, что коэффициент поглощения светового излучения зависит от его длины волны, поэтому фотоны «разного цвета» проникают в слой кремния на разную глубину. Например, «синие волны» обладают наименьшей проникающей способностью, а «красные» – наибольшей. В сенсоре Foveon светочувствительный элемент каждого пикселя состоит из трёх слоев.

Рис. 14. Матрица Foveon

Слои эти входили друг в друга, как матрёшки. Чередуясь по типу основных носителей (n-типа и p-типа), каждый следующий слой образовывал новую потенциальную яму – в зависимости от слоя, для электронов либо для «дырок». Толщина и материал подбирались таким образом, чтобы разделение проникающих фотонов происходило именно по тем диапазонам спектра, которые содержат основные цвета. Затем потенциалы ям считывались и каждый пиксель получал «истинное неинтерполированное» значение цвета.

Но как у каждой новой технологии, у этой схемы есть ряд побочных эффектов. Вот лишь некоторые из них.

Хорошо известно негативное влияние блюминга – переполнения потенциальной ямы пикселя с «разливом» избыточного заряда по соседним пикселям. Изучены также сложности, возникающие при нейтрализации этого эффекта. В многослойных матрицах блюминг становится «трёхмерным» – избыточный заряд может перетекать не только в соседние пиксели, но и в «чужие» слои. При этом вертикальный электронный дренаж (то есть подача на подложку матрицы потенциала, «вытягивающего» избыточные электроны из потенциальной ямы) практически невозможен, ведь «разноцветные» ямы пикселя расположены одна над другой. Ну а реализация бокового дренажа приводит к значительному уменьшению площади светочувствительной области.

Следует помнить, что при распределении фотонов по слоям часть их неизбежно будет поглощена при переходе из одного слоя в другой. В результате чувствительность матрицы опять-таки ослабляется.

При съёмке с максимально открытой диафрагмой увеличивается процент лучей, падающих на поверхность сенсора под большим углом. Даже в обычных матрицах данная проблема требует применения непрозрачной решётки либо микролинз. В многослойных ЭОП преломление света на стыке слоёв матрицы может привести к проникновению в «чужой» слой фотонов, попавших в пиксель под большим углом.

Новостной ресурс по цифровой фотографии Digital Photography Review дал ссылку на американский патент №7138663, датированный 2003 годом и выданный концерну Nikon. Данный патент описывает схему получения полной информации о цвете для каждого пикселя, однако, в отличие от решения Foveon, разработчики Nikon предложили разделять фотоны на «синие», «красные» и «зеленые» не слоями кремния, а дихроичными зеркалами — как в трехматричных камерах.

Рис. 14. Полноцветный сенсор Nikon

Собранные микролинзой лучи проходят сквозь отверстие в металлической маске ПЗС-матрицы, попадая на первое дихроичное зеркало, пропускающее синюю составляющую на расположенный под ней ПЗС-элемент. Оставшийся свет, проходя сквозь второе дихроичное зеркало, своей зеленой составляющей отражается на следующий ПЗС-элемент, после чего остается лишь зарегистрировать красную составляющую при помощи третьего ПЗС-элемента. При этом под каждой миколинзой располагается «синий» и «зелёный» ПЗС-элементы, а вот «красному» ПЗС-элементу приходится вторгаться в область соседнего пикселя.

В отличие от многослойной матрицы, в данной схеме можно практически исключить «перетекание» электронов между слоями и регистрацию электронов «чужого» цвета. Из минусов остаются ослабление светового потока при прохождении сквозь дихроичные элементы и малая светочувствительная область. Самое главное, что такое решение, благодаря разнесению потенциальных ям, позволяет заметно увеличить ее глубину, что означает больший интервал регистрируемых зарядов, а это соответствует расширению динамического диапазона.

Содержание отчета

В отчете должны быть представлены характеристики объективов фотокамер, схемы формирования фототоков в ПЗС-матрицы, даны характеристики шумов, возникающих в ПЗС-матрицах, и методы борьбы с ними, схема формирования цветного изображения в цифровой камере.

Контрольные вопросы.

1. Перечислите основные технические характеристики объективов.

2. Дайте классификацию объективов по фокусному расстоянию.

3. Что такое светосила объектива и от чего она зависит?

4. Охарактеризуйте объектив с обозначением 1 : 2,8 – 4,5 / 6,1 – 36,6.

5. Что такое разрешающая способность объектива и от чего она зависит?

6. Что такое глубина резко изображаемого пространства и от чего она зависит?

7. Что такое автофокус и какие типы автофокуса существуют?

8. Что такое светочувствительность фотоприемника? Виды светочувствительности.

9. Что такое квантовая эффективность фотоприемника?

10. Расскажите принцип формирования фототоков в ПЗС-матрице.

11. Как происходит процесс переноса пакетов заряда в полнокадровой ПЗС-матрице?

12. Что такое блюминг?

13. Какими средствами борются с блюмингом?

14. Назовите причину возникновения темного тока и методы борьбы с ним.

15. Как формируется информация об изображении в КМОП-матрице?

16. Расскажите процесс формирования цветного изображения в цифровой камере с мозаичным фильтром.

17. Расскажите процесс формирования цветного изображения в цифровой камере с многослойной матрицей.

Литература

1. Бирюков, Е. Эволюция датчиков изображения: от ПЗС к КМОП / Е. Бирюков // Компоненты и технологии. – 2007. - № 10. – С. 24 – 27.

2. Петропавловский, Ю. Особенности применения ПЗС-матриц с межстрочным переносом / Ю. Петропавловский // Компоненты и технологии. – 2009. - № 5. – С. 17 – 24.

3. Пресс, Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью / Ф.П. Пресс. – М.: Радио и связь, 1991. – 264 с. – ISBN 5-256-00855-2.

4. Кистенев, И. Марш миллионеров [электронный ресурс] / И. Кистенев // Publish. – 2002. №3. Режим доступа: http://www.publish.ru/articles/4394761/text/4045560/_p1.html (дата обращения 29.12.11).

5. Лазовский, Л. Приборы с зарядовой связью: прецизионный взгляд на мир [электронный ресурс] / Л. Лазовский Режим доступа: http://www.autex.spb.ru/download/sensors/ccd.pdf (дата обращения 31.12.11).

6. Милчев, М. Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица [электронный ресурс] / Режим доступа:

7. Шевердин, А. Технологические инновации КМОП-камер OmniVision — оптимальный выбор для высокообъемных применений. Часть1 / А. Шевердин // Компоненты и технологии. – 2008. - № 1. – С. 46 – 49.

8. Шевердин, А. Технологические инновации КМОП-камер OmniVision — оптимальный выбор для высокообъемных применений. Часть 2 / А. Шевердин // Компоненты и технологии. – 2008. - № 3. – С. 56 – 59.

9. Соломицкий , Д. Kodak улучшает чувствительность цветных ПЗС-матриц / Д. Соломицкий, Д. Брондз // Компоненты и технологии. – 2010. - № 9. – С. 34 – 38.

10. Молочков, В. П. Цифровое фото на 100%. / В.П. Молочков. – СПб.: Питер, 2006. — 219 с. – ISBN 5-469-00796-0

25