Какими особенностями обладают полнокадровые ПЗС?

Во-первых, количество защищённых от фотонов «пустых» сенселей, которые выполняют роль «хранителей» чужого электрического заряда, существенно меньше количества световосприимчивых сенселей (иначе можно было бы реализовать как решение «А», так и решения «Б», «В»).

Большинство сенселей, размещённых в сенсоре, «улавливают» фотоны, другими словами, являются светоприёмниками, что упрощает схему и, как следствие, уменьшает её стоимость. Дополнительно, простота и однородность схемы позволяет инженерам добиться эффективного соотношения разрешения (количества эффективных сенселей), динамического диапазона («вместимости» сенселя), чувствительности, уровня шума, производительности (скорости «подсчёта» накопленных электронов) и разрешающей способности.

Благодаря тому что в полнокадровом ПЗС расстояние между «отверстиями» сенселей-светоприёмников минимально, уменьшается алиасинг ² – искажённое изображение диагональных линий.

Чувствительность полнокадрового ПЗС считается одной из самых высоких чувствительностей ПЗС других конструкций³. Что едва ли удивительно, потому что площадь «отверстия» каждого сенселя, в который распространяются фотоны, достаточно большая в сравнении с размером последнего. Как следствие, в съёмке слабоосвещённых сцен, например, ночных пейзажей, звёздного неба и астрономических объектов, с помощью фотоаппарата, в котором установлен ПЗС рассматриваемой конструкции, можно ожидать «малошумных» результатов.

Перечисленные выше характеристики светочувствительного сенсора в совокупности обеспечивают высокое техническое качество изображения. Вспомните два примера полнокадровых ПЗС. В настоящее время последние часто применяются в цифровых фотоаппаратах и фотосистемах среднего формата, рассчитанных на удовлетворение высоких требований к качеству изображения. Такие условия свойственны, в частности, современной рекламной фотографии.

Во-вторых, из-за того что полнокадровый ПЗС предполагает применение электромеханического затвора, менее удобно оснащать светочувствительным сенсором такой конструкции те цифровые устройства, в которых электромеханический затвор сложно или нецелесообразно устанавливать. Поэтому, в частности, мобильные устройства едва ли смогут продемонстрировать достоинства рассматриваемой конструкции ПЗС: обычно, в такие устройства её не встраивают.

Зачем применять электромеханический затвор совместно с полнокадровым ПЗС? Что может произойти с создаваемым изображением, если инженеры-разработчики откажутся здесь от электромеханического затвора?

Отвечу в виде иллюстрированного описания того, как функционирует полнокадровый ПЗС:

Рис. 1. Принцип действия полнокадрового ПЗС. Вид сверху со стороны распространения фотонов на поверхность светочувствительного сенсора с 25-ью сенселями-светоприёмниками (эффективными сенселями) и 5-ью экранированными сенселями. Рассматривается создание одного изображения за восемь условных шагов. Обозначения на рисунке: 1 – электрический заряд, накопленный под действием фотонов сенселем 1-ой колонки 2-ой строки (чем больше диаметр оранжевого кружка, тем больше порция электронов); 2 – выход из сенсора к «счётчику»; белым цветом отмечены сенсели-светоприёмники; серымцветомотмечены экранированные сенсели, которые не накапливают под действием фотонов электрические заряды, а участвуют в передаче чужих порций электронов (такие сенсели называются буферами, а образованная ими область – буферной зоной). 1 шаг – электронный затвор «открыт», сенсели-светоприёмники накопили порции электронов за временной промежуток, заданный фотографом. 2 шаг – одновременное перемещение каждого электрического заряда на один сенсель вниз. Несмотря на то что перемещение происходит достаточно быстро, часть накопленных электрических зарядов слегка увеличивается. Те порции электронов, которые первыми переместились в защищённые от света сенсели, сохраняют свой первоначальный объём. 3 шаг – электрические заряды, расположенные в буферной зоне, по очереди передаются «счётчику». 4 шаг – почти все электрические заряды, соответствующие 5-ой строке, «посчитаны». Сенсели-светоприёмники в течение 3-его и 4-ого шагов продолжают накапливать электроны и пополнять исходные порции. 5 шаг – электрические заряды, накопленные сенселями 5-ой строки «посчитаны», буферная зона полностью свободна и готова принимать электрические заряды, накопленные сенселями 4-ой строки. 6 шаг – смещение всех зарядов на одну строку вниз (данный этап аналогичен 2-ому этапу с той лишь разницей, что несколько порций электронов уже «посчитаны»). 7 шаг – повторяются действия 3-его шага, «подсчитываются» порции электронов, накопленные сенселями 4-ой строки. 8 шаг – последняя порция электронов, накопленная сенселем 1-ой колонки 1-ой строки, готовится к «подсчёту». Пока электрический заряд «ждал» своей очереди, он успел изрядно увеличиться ( цвет кружка изменился с оранжевого на жёлтый). Также, порции электронов, находящиеся в сенселях-светоприёмниках на 5-ом, 6-ом и 7-ом шагах увеличивались, так как фотоны непрерывно распространялись внутрь сенселей. После того как последняя порция будет «посчитана», электронный затвор, по факту, «закроется».

В описании к рис. 1 я отметил, что увеличение электрических зарядов, накопленных одними сенселями, происходит во время «подсчёта» порций электронов, собранных другими сенселями. При этом, исходные заряды увеличиваются неравномерно. Так, порции электронов, накопленные сенселями 1-ой строки, претерпевают наибольшее увеличение. Чуть меньше увеличиваются электрические заряды, накопленные сенселями 2-ой строки. И так далее. Наименьшее искажение электрических зарядов наблюдается у сенселей 5-ой строки, так как последние располагаются к буферной зоне ближе остальных сенселей-светоприёмников.

По причине, которую я показал с помощью рисунка 1, без преграждения потока фотонов во время «подсчёта» накопленных электронов, экспозиция получится неоднородной по площади кадра. Неоднородность проявится на изображении в виде искажения. Последнее демонстрируют, например, рисунок 5, расположенный на странице 9 статьи «Advantages and Disadvantages of Various CCD Area Array Sensors», и рисунок 1.11, расположенный на странице 12 книги Patrick Martinez A Practical Guide to CCD Astronomy. Cambridge University Press, 1998. 264 p..

Рассмотренное искажение фотографии принято называть «размазыванием» или «смазыванием» (на англ. smearing). В случае с полнокадровым ПЗС оно проявляется так, как иллюстрируют указанные выше рисунки: в виде шлейфа, «дублирования» изображения, тянущегося в одном горизонтальном или вертикальном направлении от каждого светлого объекта. При этом, шлейф тем заметнее, чем светлее снимаемый объект. Также, шлейф тем длиннее, чем дольше «подсчитываются» электрические заряды, другими словами, чем меньше производительность «счётчика» и больше разрешение (количество эффективных сенселей) светочувствительного сенсора, одновременно. Например, «подсчёт» и оцифровывание всех электрических зарядов полнокадровый ПЗС KAF-40000 производит более чем за 2 секунды. Примерно в два раза более производительной является модель KAF-39000: скорость обработки накопленных электронов немногим превышает 1 секунду ⁴. В других конструкциях ПЗС «смазывание» проявляется по-другому.

Существуют алгоритмы обработки цифровых изображений, которые помогают корректировать рассмотренное искажение. Тем не менее, полностью исключить проявление «смазывания» едва ли удаётся. Поэтому полнокадровый ПЗС применяют совместно с электромеханическим затвором или используют в съёмке сцен, освещаемых лишь импульсными источниками света. В последнем случае продолжительность импульса определяет длительность экспонирования.

Третья особенность полнокадрового ПЗС связана с производительностью сенсора (на англ. frame rate). Как я отмечал ранее, «подсчёт» и оцифровывание электрических зарядов выполняются в течение какого-то промежутка времени. С учётом того, что все сенсели обсуживает, обычно, один «счётчик» и один аналогово-цифровой преобразователь, указанные процессы могут длиться достаточно долго. Продолжительность процессов растёт пропорционально разрешению сенсора. Вынужденная задержка предваряет создание следующего изображения. Как следствие, например, с помощью полнокадрового ПЗС, на котором расположено 6 миллионов эффективных сенселей, фотограф может создать менее 15 кадров в течение одной секунды ⁵. А фотоаппараты и фотосистемы, в которые устанавливаются полнокадровые ПЗС KAF-39000 и KAF-40000, едва ли могут создавать более 1-1,5 снимков за одну секунду. Поэтому, если Вы хотите запечатлеть быстроразвивающееся событие или привыкли создавать большее количество кадров за короткие промежутки времени, то, скорее всего, Вам едва ли подойдут камеры, в которых установлен полнокадровый ПЗС.

Как быть, если дополнительный электромеханический затвор нежелательно применять. Например, чтобы не увеличивать габариты фотоаппарата и/или чтобы сократить задержку между созданиями двух изображений?

В следующей статье я рассмотрю конструкции ПЗС, электронный затвор которых не только «открывается», но и «закрывается» одновременно для всех сенселей.

Примечание:

¹ Здесь прилагательное «полнокадровый» не имеет отношение к физическим размерам сенсора относительно 35-мм кадра. Обратно к тексту.

²Наглядным примером алиасинга служит серия иллюстраций, представленная на странице 11 статьи «Advantages and Disadvantages of Various CCD Area Array Sensors». Давайте взглянем на рисунки.

Левая колонка иллюстраций (рисунки 1, 3, 5, 7) относится к полнокадровому ПЗС. Правая колонка (рисунки 2, 4, 6, 8) – к другой конструкции светочувствительного сенсора. Форма объекта относительно поверхности сенсора показана на рисунках 3 и 4, 5 и 6. Рисунки 7 и 8 демонстрируют цифровое изображение, полученное с помощью соответствующих сенсоров. Обратите внимание, на рисунке 7 одна и та же диагональная линия выглядит более плавной, чем на рисунке 8. Таким образом, алиасинг проявляется сильнее на изображении, представленном на рисунке 8, чем на изображении, показанном рисунком 7. Изображение диагональной линии напоминают лесенку, хотя глазами мы – люди – видим прямую (рисунки 3 и 4).

Одной из форм алиасинга является эффект муара (муаровый узор). Примером последнему служит фотография из соответствующей статьи свободной энциклопедии Wikipedia. Обратно к тексту.

³ Источник: статья «CCD Sensor Architectures», размещённая на официальном веб-сайте компании Andor, производителя светочувствительных сенсоров и цифровых фотоаппаратов, применяемых преимущественно в научно-исследовательских целях. Обратно к тексту.

⁴Данные о производительностях указанных сенсоров я взял из соответствующих спецификаций, опубликованных компанией Kodak: спецификация KAF-40000, спецификация KAF-39000. Обратно к тексту.

⁵Я привёл данные на основании информации, взятой из абзаца 0016 патента US20010055064 A1. Обратно к тексту.