Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица (часть третья)

Итак, читатель ознакомился со структурой прибора с зарядовой связью и регистрирующего устройства (то есть ПЗС-матрицы), построенного из массива таких приборов. Ему понятно, что при прочих равных условиях полнокадровая матрица должна иметь более высокую чувствительность, чем устройство с буферизацией столбцов. Так же очевидно, что при повышении разрешения должен сужаться динамический диапазон и снижаться чувствительность.

Однако в действительности оба эти правила выполняются далеко не всегда. Чтобы разобраться в причине этого явления, необходимо более детально ознакомиться с процессами, протекающими внутри пикселей.

Какой бывает чувствительность?

Большинство фотолюбителей в ответ на такой вопрос лишь пожмут плечами – в их понимании данный параметр однозначно характеризует реакцию регистрирующего устройства на оптическое излучение в обратной пропорциональности (то есть чем меньшее количество световой энергии необходимо для реакции, тем выше светочувствительность регистрирующего устройства). Фотограф-профессионал отметит также, что чувствительность фотоплёнки может зависеть от спектра воздействующего излучения (то есть регистрировать видимый свет или инфракрасные, ультрафиолетовые либо рентгеновские лучи) и влиять на чёткость формируемого негатива: чем выше чувствительность, тем крупнее «зерно» плёнки, огрубляющее тонкие детали снимка. Для измерения светочувствительности плёнки используется светочувствительное число, которое указывается в единицах ISO (International Standards Organization – Международная организация стандартов), например, «ISO 100» либо «ISO 800».

В полупроводниковых приборах, к которым относится ПЗС-матрица, для описания светочувствительности устройства используются несколько другие параметры, отображающие особенности его конструкции. В частности, матрица представляет собой не кусок целлулоида с однородно реагирующим на свет участком эмульсии, а совокупность ПЗС-элементов, каждый из которых регистрирует фотоны по-своему.

Чувствительность собственно ПЗС-элемента можно разделить на две составляющие. Первая – интегральная чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах), обеспечиваемому источником излучения. При этом спектральный состав излучения, используемого при измерении интегральной чувствительности, такой же, как и у вольфрамовой лампы накаливания, а сам параметр служит для оценки суммарной (по всему спектру видимого света) чувствительности пикселя. Второй характеристикой способности ПЗС-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. 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 ПЗС-элемента, то есть зарядом, накопленным потенциальной ямой. Характеристика, описывающая ёмкость ямы, называется глубиной потенциальной ямы (well depth), и именно ею определяется динамический диапазон ПЗС-матрицы. Величина же накопленного заряда зависит от целого ряда параметров.

Например, чем больше площадь светочувствительной области (fill factor) ПЗС-элемента, тем выше доля фотонов, которые могут быть поглощены с созданием носителей заряда. Именно поэтому при росте разрешения матрицы одной из основных задач для разработчиков является обеспечение максимально возможной площади светочувствительной области. Для этого размеры обвязки (электродов переноса, дренажа и буферных столбцов) должны уменьшаться пропорционально росту числа пикселей.

Однако далеко не все фотоны, попавшие на светочувствительную область, преобразуются в носители заряда. Параметр, определяющий эффективность регистрации светового излучения ПЗС-элементом, называется квантовой эффективностью (quantum efficiency) и характеризует отношение количества зарегистрированных носителей заряда к количеству попавших на поверхность светочувствительной области фотонов. Иногда квантовую эффективность путают с квантовым выходом (quantum yield), который на самом деле является общим количеством носителей заряда, создаваемых внутренним фотоэффектом при поглощении определённого числа фотонов. Поскольку далеко не все носители заряда попадают в потенциальную яму, квантовая эффективность более точно характеризует чувствительность пикселя.

Квантовая эффективность зависит от других параметров. В частности, некоторые фотоны отражаются от поверхности светочувствительной области и не могут быть поглощены ПЗС-элементом, для отображения доли таких фотонов используется коэффициент отражения. Среди тех фотонов, что не были отражены поверхностью сенсора, некоторые будут поглощены слишком глубоко, а другие – у самой поверхности. Заряды, полученные в результате внутреннего фотоэффекта этих фотонов, не попадут в потенциальную яму. Поэтому при разработке сенсора следует учитывать коэффициент поглощения, который определяется как материалом матрицы, так и длиной волны регистрируемого света: чем она больше, тем выше проникающая способность фотонов. Очевидно, что коэффициент поглощения должен обеспечивать выбивание носителей заряда вблизи от потенциальной ямы, причем выбивание это должно осуществляться фотонами с длиной волны, попадающей в интервал, соответствующий требуемому спектру излучения. Таким образом, материал ПЗС-матрицы должен отвечать целому ряду требований – иметь минимальный коэффициент отражения и максимальный коэффициент поглощения по отношению к фотонам с требуемой длиной волны и в то же время отражать и не поглощать фотоны из других областей спектра. Поскольку данная задача требует взаимоисключающих решений, отсекание «неугодных» фотонов осуществляется при помощи инфракрасного фильтра, устанавливаемого перед ПЗС-матрицей (стекло, используемое в линзах объектива, непроницаемо для ультрафиолетового излучения).

Наряду с площадью светочувствительной области и квантовой эффективностью на способность пикселя регистрировать фотоны влияет порог чувствительности – величина минимального светового сигнала, который может быть зарегистрирован ПЗС-элементом (чем слабее сигнал, тем выше порог чувствительности). Негативное влияние на порог чувствительности оказывает темновой ток (dark current), возникающий в ПЗС-элементе в момент подачи потенциала на электрод, под которым создаётся потенциальная яма. Название «темновой» обусловлено тем, что данный паразитный заряд образуется «просочившимися» в яму электронами, созданными не внутренним фотоэффектом, а термоэлектронной эмиссией, и при его накоплении световые лучи не падали на поверхность сенсора. Если же интенсивность светового потока низкая, то генерируемый им фототок может оказаться слабее темнового тока.

При этом уровень темнового тока сильно зависит от температуры и возрастает вдвое при нагревании на 9 градусов по Цельсию. Чем теплее матрица, тем большее количество «паразитов» осядет в потенциальной яме. Для ослабления термоэлектронной эмиссии в студийной цифровой фототехнике применяют различные схемы теплоотвода, использующие в качестве теплообменника металлический корпус камеры, игольчатые радиаторы и даже элементы Пельтье. Разумеется, такой подход неприменим к компактным фотоаппаратам, ограниченным по размерам и весу.

Чтобы определить уровень темнового тока и исключить его величину при считывании фототоков пикселей, расположенные по краям столбцы и строки матрицы покрываются непрозрачным материалом. Составляющие их пиксели называются пикселями темнового тока (dark reference pixels), и, поскольку генерируемый ими заряд создан термоэлектронной эмиссией, он используется в качестве «отметки чёрного цвета» для остальных пикселей матрицы. При этом, поскольку при разных условиях (нагрев матрицы, ток питания и так далее) уровень темнового тока будет варьироваться, необходимо для каждого снимка заново считывать заряд пикселей темнового тока.

Не менее губительно, чем темновой ток, на порог чувствительности влияет тепловой шум (thermal noise). Данное явление обусловлено хаотичным движением носителей заряда в толще полупроводника, которое не прекращается и при отключении потенциала, подаваемого на электрод. Блуждая в материале матрицы, электроны либо дырки в конце концов притягиваются потенциальной ямой и оседают в ней. Поскольку перед началом экспонирования потенциальная яма «опустошается», количество захваченных ею в процессе съёмки «паразитов» тем больше, чем продолжительнее выдержка.

Из всего вышесказанного получается, что чувствительность ПЗС-матрицы – это интегральная характеристика, которая определяется чувствительностью каждого пикселя. Так как технологический процесс производства матрицы не может быть идеальным, ряд её элементов будет регистрировать свет хуже, чем остальные, и именно поэтому чувствительность матрицы в целом всегда меньше, чем чувствительность отдельно взятого пикселя.

В характеристиках цифрового фотоаппарата не указывается ни спектральная чувствительность, ни квантовая эффективность, ни порог чувствительности. Вместо этого производитель публикует так называемую эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы, указываемую в общепринятых единицах ISO в виде диапазона («ISO 100-800») либо набора значений («ISO 50, 100, 200, 400»). Вычисляется она каждым производителем по-своему (из-за чего нередко возникают недоразумения), но в основу расчётов положена пара стандартных формул для расчета экспозиционного числа: зная освещенность объекта съёмки, диафрагму и выдержку, можно с высокой долей достоверности определить эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы. Наиболее точно характеризует истинную чувствительность матрицы минимальное из ISO-чисел, так как остальные значения получаются в результате обычного усиления сигнала на выходе матрицы, что-то вроде увеличения громкости радиоприёмника. Чем выше громкость радиоприёмника, тем сильнее слышны помехи, точно так же при повышении чувствительности усиливается уровень шумов матрицы, значительно искажающих «электронный негатив».

Разновидности шумов

Изучая виды шумов в ПЗС-матрице, необходимо чётко различать собственно виды шумов и их визуальное проявление. В общем случае шумы представляют собой искажения фототоков пикселей.

Как уже было сказано, источниками «паразитных» носителей заряда в отдельном пикселе являются темновой ток и тепловой шум. С обоими явлениями борются в первую очередь технологически (путём использования максимально свободных от ненужных примесей материалов), а также конструкционными методами (теплоизоляцией матрицы, применением пикселей темнового тока и так далее). Однако реальный вред наносит не собственно паразитный заряд пикселя, а неповторимость его значения для каждого элемента матрицы. Кроме того, несовершенство технологического процесса при производстве матрицы приводит к индивидуальности каждого ПЗС-элемента по интенсивности генерации фототока.

На негативное влияние флуктуаций по паразитному заряду и фототоку накладываются ошибки при считывании с матрицы – как рассогласование по времени, так и разброс в значении потенциалов, подаваемых на электроды сенсора. Следствием всего этого являются всплески яркости пикселей, рассеянные по всему снимку. Данное явление именуется шумом фиксированного распределения (fixed pattern noise). Наиболее заметные пиксели называются «горячими» (hot pixels) – процесс накопления паразитного заряда в них слишком интенсивен, поэтому их яркость тем выше, чем длиннее выдержка. Единичные пиксели предельной яркости могут присутствовать на снимке и при короткой выдержке. Такие пиксели именуются «залипшими» (stuck pixels) и возникают в результате сочетания сразу нескольких неблагоприятных факторов, приводящего к лавинообразному потоку электронов, который при каждом цикле матрицы устремляется в потенциальную яму.

Визуальные эффекты, сопровождающие шум фиксированного распределения, часто путают с собственно явлением. Именно поэтому в обзорах камер зачастую фигурируют цветовой шум (color noise) и яркостной шум (luminance noise). Цветовой шум, называемый также хроматическим, выражается в появлении пикселей постороннего цвета в однотонных областях снимка, причём чаще всего разноцветные крапинки возникают в теневых участках кадра. Яркостной шум не так заметен и представляет собой не изменение цвета, а резкие скачки яркости рядом расположенных пикселей, которые опять-таки искажают исходное изображение.

Шум фиксированного распределения ослабляется при переходе на короткие выдержки и уменьшении нагрева камеры. Однако такие идеальные условия мало достижимы, поэтому полезным оказывается ключевая особенность шума фиксированного распределения – его повторяемость при одинаковых условиях. Если при каждой экспозиции температура матрицы и длительность выдержки будут одними и теми же, паразитный ток и фототок каждого пикселя тоже будут повторяться. Таким образом, если сразу после фотографирования объекта снять так называемый тёмный кадр (dark frame) с закрытым крышкой объективом, то в результате образуется «маска» из раскиданных на чёрном фоне пикселей различной яркости. Эта маска затем используется для изъятия шума фиксированного распределения из снятого кадра. Данный метод оказался настолько эффективным, что послужил базой для системы шумоподавления с помощью тёмного кадра (dark frame noise reduction). Такой системой оснащается большинство современных любительских камер. При её использовании фотоаппарат сначала делает обычный снимок, а затем при закрытом затворе считывает маску, полученную с той же выдержкой.

В большинстве реализаций данной системы шумоподавления при слишком высоком уровне паразитного заряда конкретного пикселя камера считает недостоверным значение его фототока и исключает его из процесса формирования кадра. «Выбитые» таким образом элементы матрицы заменяются интерполированными значениями соседних пикселей, поэтому при избыточном количестве «горячих» пикселей изображение становится «акварельным» – слишком много в нём появляется размытых деталей.

Ещё более «размытым» становится изображение, в котором шум подавляется без использования «тёмного кадра», – программное обеспечение фотоаппарата производит «сглаживание» яркости пикселей, слишком отличающихся от «соседей». Очевидно, что при таком подходе не могут не пострадать мелкие контрастные участки светового изображения, от которых в первую очередь зависит чёткость снимка.

Причиной шума, помимо конструкции ПЗС-элемента, является также способ регистрации цвета, используемый в большинстве цифровых фотокамер. Поскольку ПЗС-элемент может зарегистрировать яркость точки изображения, сформированного объективом, но не его цвет, каждый пиксель снабжается индивидуальным светофильтром (красным, синим либо зелёным) и регистрирует только один из основных цветов. После считывания фототоков для каждого пикселя производится интерполяция двух остальных основных цветов, результатом чего является полноцветное изображение (подробнее об этом будет рассказано в следующей части).

Из-за особенностей восстановления полноцветного изображения в снимке нередко появляется так называемый жёлтый шум. От обычного цветового шума он отличается не хаотичным, а регулярным расположением крапинок жёлтого цвета, при этом шумоподавление с помощью тёмного кадра не помогает избавиться от него. Дело в том, что жёлтый шум возникает при специфических условиях освещения – при использовании светильников, излучение которых имеет смещённый спектральный состав. Например, в спектре ламп накаливания «синие» фотоны представлены крайне скромно. Если в краевых областях видимого участка спектра чувствительность ПЗС-матрицы понижена, то покрытые синими светофильтрами пиксели матрицы (и без того недостаточно качественно регистрирующие фотоны с требуемой длиной волны) при освещении лампами накаливания просто не в состоянии накопить заряд, адекватно описывающий яркость соответствующей точки светового изображения.

В итоге при расчёте полноцветного изображения в точках, соответствующих «синим» пикселям, имеется избыток красной и зелёной составляющих и недостаток синей. Следствием этого является пожелтение восстанавливаемого цвета в указанных точках, и чем ближе данный цвет к нейтральному (белый либо оттенки серого), тем заметнее будет искажение. Поскольку восстановить синюю составляющую из ничего невозможно, единственным способом борьбы с жёлтым шумом является улучшение спектральной чувствительности ПЗС-матрицы.

Немного о техническом прогрессе

Вернёмся к тезисам, упомянутым в начале статьи: всегда ли повышение разрешения неизбежно ведёт к сужению динамического диапазона и снижению чувствительности? Если сравнить снимки, сделанные двухмегапиксельной камерой образца 1999 года (с ПЗС-матрицей формфактора «1/2 дюйма»), с фотографиями, снятыми семимегапиксельным фотоаппаратом 2004 года (с ПЗС-матрицей формфактора «1/1,8 дюйма»), то результат будет отнюдь не в пользу «ветерана». Кадры, отснятые более новой моделью, будут выгодно отличаться не только более детальным (из-за возросшего разрешения) изображением, но и меньшим уровнем цветового, яркостного и жёлтого шума, а также более широким динамическим диапазоном.

Вызвано это тем же, чем и постоянный рост производительности процессоров при сохранении ими прежних габаритов, то есть регулярным переходом на новую технологию производства. В процессорах используются все более миниатюрные транзисторы, что требует повышения чистоты используемых материалов и уменьшения потребляемых токов. В ПЗС-матрицах это ведёт к уменьшению элементов обвязки и снижению уровня паразитных зарядов.

Однако далеко не всегда повышение разрешения сопровождается переходом на новый уровень технологий. В этом случае все перечисленные в данном тексте негативные эффекты многократно усиливаются, значительно искажая «электронный негатив». Более того, нередко производители ПЗС-матриц, вместо того чтобы кропотливо улучшать технологию, начинают полностью менять конструкцию сенсора. В большинстве случаев это сопровождается шумной рекламной кампанией и, к сожалению, практически никогда не ведёт к реальному улучшению параметров изображения. Более подробно об этом будет рассказано в следующих частях.