Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица (часть вторая)

Оптика для пикселя

ПЗС-матрицы, используемые в видеокамерах и в большинстве любительских цифровых фотоаппаратов, обеспечивают непрерывный поток импульсов на своём выходе, при этом перекрытие оптического тракта не происходит. Чтобы при этом не происходило «смазывание» изображения, используются ПЗС-матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix).

Структура матрицы с буферизацией столбцов

В таких сенсорах рядом с каждым столбцом (который представляет собой последовательный регистр сдвига) располагается буферный столбец (тоже последовательный регистр сдвига), состоящий из ПЗС-элементов, покрытых непрозрачными полосками (чаще металлическими). Совокупность буферных столбцов составляет буферный параллельный регистр, причём столбцы данного регистра «перемешаны» с регистрирующими свет столбцами.

За один рабочий цикл светочувствительный параллельный регистр сдвига отдаёт все свои фототоки буферному параллельному регистру посредством «сдвига по горизонтали» зарядов, после чего светочувствительная часть снова готова к экспонированию. Затем идёт построчный «сдвиг по вертикали» зарядов буферного параллельного регистра, нижняя строка которого является входом последовательного регистра сдвига матрицы.

Очевидно, что перенос заряда матрицы в буферный параллельный регистр сдвига занимает малый интервал времени и перекрывать световой поток механическим затвором нет необходимости – ямы не успеют переполниться. С другой стороны, необходимое время экспонирования, как правило, сравнимо со временем считывания всего буферного параллельного регистра. За счёт этого интервал между экспонированием можно довести до минимума – в результате видеосигнал в современных видеокамерах формируется с частотой от 30 кадров в секунду и выше.

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). Кстати, за счёт сходства звучания английских терминов «матрица с буферизацией столбцов» (interlined) и «чересстрочная матрица» (interlaced) в отечественной литературе сенсоры с буферизацией строк нередко ошибочно называют чересстрочными.

Как ни странно, «размазывание» заряда (smear) происходит и в матрицах с буферизацией столбцов. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму расположенного рядом буферного элемента. Особенно часто это происходит при близких к максимальному уровнях фототока, вызванных очень высокой освещённостью пикселя. В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой точки протягивается светлая полоса, которая портит кадр.

Для противодействия этому явлению увеличивают расстояние между светочувствительным и буферным ПЗС-элементами. В результате усложняется обмен зарядом и увеличивается затрачиваемое на это время, однако искажения кадра, вызываемые «размазыванием», всё же слишком заметны, чтобы ими пренебрегать.

Буферизация столбцов позволяет также реализовать электронный затвор, с помощью которого можно отказаться от механического перекрытия светового потока. С помощью электронного затвора можно получить сверхмалые (до 1/10000 секунды) значения выдержки, недостижимые для механического затвора. Эта возможность особенно актуальна при фотографировании спортивных состязаний, природных явлений и т. п.

Для реализации электронного затвора обязательно необходим антиблюминговый дренаж. При очень коротких выдержках, которые по длительности меньше, чем время переноса заряда из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму буферного, дренаж играет роль «отсечки». Эта «отсечка» предотвращает попадание в яму буферного ПЗС-элемента электронов, возникших в яме светочувствительного элемента по истечении времени выдержки.

Однако схема с буферизацией столбцов не лишена недостатков. Основной минус заключается в том, что буферные регистры сдвига «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю в качестве светочувствительной области достаётся лишь 30% от его общей поверхности. У пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%.

Для компенсации этого минуса производители используют микролинзы, располагающиеся над каждым элементом матрицы и фокусирующие весь достающийся пикселю световой поток на сравнительно малую светочувствительную область.

Структура пикселей – с микролинзой и обычного

Степень концентрации светового потока при прохождении сквозь микролинзу зависит от технологического уровня производителя матрицы. Встречаются довольно сложные конструкции, обеспечивающие максимальную эффективность этим миниатюрным устройствам.

Однако при использовании микролинз значительно сокращается вероятность того, что лучи света, падающие под большим углом к нормали, проникнут в светочувствительную область. А при большом отверстии диафрагмы процент таких лучей довольно велик. Таким образом, уменьшается интенсивность воздействия светового потока на матрицу, то есть основной эффект, ради которого открывают диафрагму.

Впрочем, вреда от таких лучей ничуть не меньше, чем пользы. Дело в том, 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 «бронебойных» фотонов, поверхность матрицы, за исключением светочувствительных областей, покрывается непрозрачной маской (чаще металлической), что дополнительно усложняет конструкцию матриц.

Кроме того, микролинзы вносят определённые искажения в регистрируемое изображение, размывая края линий, толщина которых на грани разрешения сенсора. Но и данный негативный эффект может оказаться частично полезным. Такие тончайшие линии могут привести к ступенчатости (aliasing) изображения, возникающей от присвоения пикселю определённого цвета вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. Ступенчатость приводит к появлению в изображении рваных линий с «зазубринами» по краям.

Именно из-за ступенчатости камеры с крупногабаритными полнокадровыми матрицами оснащаются фильтрами защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter), и цена этих устройств довольно высока. Ну а матрицам с микролинзами этот фильтр не нужен.

Вследствие различных требований к качеству изображения матрицы с буферизацией столбцов применяются в основном в любительской технике, тогда как полнокадровые сенсоры обосновались в профессиональных и студийных камерах.

Продолжение следует

Настоящая статья даёт описание, если можно так сказать, геометрии пикселя. Более подробно о  процессах, происходящих при регистрации, хранении и считывании заряда, будет рассказано в следующей статье.