Когда два меньше одного…

В начале 2003 года FujiFilm объявила о появлении четвёртого поколения сенсоров SuperCCD. Наряду с моделями высокого разрешения (обозначавшимися HR – High Resolution) в ассортименте оказались матрицы с расширенным динамическим диапазоном (с индексом SR – Super Dynamic Range). Показатели были довольно посредственными: при диагонали 1/1,7 дюйма не интерполированное разрешение составляло 2048x1536, то есть 3 мегапикселя, а максимальная чувствительность без уменьшения разрешения – ISO 400. В то же время основной поставщик матриц для любительской техники, Sony, при тех же габаритах сенсора обеспечивает разрешение 2592x1944 (то есть 5 мегапикселей) при максимальной чувствительности ISO 800. Однако в действительности матрица Fuji состояла из 6 миллионов фотоэлементов, другое дело, что их размер и расположение были несколько нестандартными.

ПЗС-матрица SuperCCD SR

Дело в том, что каждый пиксель матрицы SuperCCD SR состоял из двух фотоэлементов, расположенных под одной микролинзой. Один из элементов был меньшего размера и отличался низкой чувствительностью, благодаря чему «переполнение» его потенциальной ямы практически не происходило. Рядом располагался элемент большей площади, его чувствительность была значительно выше, равно как и риск «переполнения» его ямы. После того как информация с сенсора считывалась в усилитель, а затем обрабатывалась АЦП, оцифрованный кадр в ОЗУ фотоаппарата обсчитывался встроенным процессором. При этой операции данные о заряде ям «малого» и «большого» фотоэлементов каждого из пикселей складывались таким образом, что белому свету максимальной яркости соответствовала сумма максимальных значений зарядов ям обоих фотоэлементов. Таким образом, даже при «переполнении» ямы большого фотоэлемента какую-то часть полезной информации можно было снять с малого фотоэлемента. И вместо яркой белой точки, наблюдаемой в матрицах классической конструкции, пиксель мог иметь вполне реальные значения цвета и яркости.

Однако при всей оригинальности замысла нельзя не отметить ряд очевидных «узких мест». Во-первых, усложняется задача борьбы с блюмингом. Очевидно, что при организации вертикального дренажа фотоэлементов со столь отличающимися значениями чувствительности прилагаемый на подложку дренажный потенциал для каждого из элементов должен быть разным. Поскольку фотоэлементы расположены очень близко, возможно влияние более высокого дренажного потенциала на «чужую» яму, в результате чего в подложку будет «утекать» полезная информация. Ну а при организации бокового дренажа площадь потерянной светочувствительной области будет в два раза выше, чем у классической матрицы.

Во-вторых, в два раза повышается количество электродов внутри пикселя, отсюда следует рост источников темнового тока. Увеличение численности элементов обвязки негативно сказывается и на шуме фиксированного распределения. Предположим, что разработчикам Fuji каким-то образом удалось решить проблемы – как с блюмингом, так и с уровнем шума. Будет ли в этом случае матрица SuperCCD SR кардинально превосходить классический сенсор с тем же разрешением и габаритами? Вряд ли. В любом случае «классический» пиксель будет превосходить «спарку» FujiFilm как по светочувствительной площади (то есть по чувствительности), так и по объёму потенциальной ямы (то есть по реальному динамическому диапазону).

Заключение

При всём разнообразии технологий, применяющихся при производстве ПЗС-матриц, базовые принципы остаются неизменными на протяжении почти сорока лет – с тех пор как сотрудники AT&T Bell Labs Уиллард Бойл и Джордж Смит открыли возможность переноса заряда под поверхностью полупроводника. Впрочем, нельзя исключать появление новых методик регистрации светового изображения, по сравнению с которыми существующая цифровая фотография окажется таким же анахронизмом, каким нам кажется теперь «химический» процесс съёмки.