Каков принцип действия электронного затвора?

Если на мгновение (до конца текущего абзаца) посмотреть на рассматриваемый затвор как на некое устройство, которое можно пощупать, то оно в определённый момент перестаёт «обращать на свет внимание». И тем осуществляет основную функцию фотографического затвора.

Опишу метод подробнее. Для этого дополнительно, вначале, уточню, как фотоны, «уловленные» ⁹произвольным сенселем, «превращаются» в электрическое напряжение, и вспомню, что происходит дальше с последним.

Фотоны распространяются непрерывно во времени. Если светонепроницаемый материал не стоит у них на пути, сенсели беспрепятственно «улавливают» их. В результате взаимодействия с фотонами сенсели накапливают электроны, освободившиеся благодаря поглощению фотона и «впитыванию» его энергии. Порцию свободных электронов здесь и далее в настоящей статье я буду называть электрическим зарядом и для удобства изложения жонглировать синонимами «электрический заряд» и «порция электронов».

С помощью специального элемента электронных схем – конденсатора – электрический заряд «пересчитывается» в электрическое напряжение. В зависимости от типа светочувствительного сенсора – КМОП-сенсор или ПЗС – «пересчёт» может производить конденсатор, встроенный непосредственно внутрь сенселя, или конденсатор, расположенный за пределами сенселя.

Затем, вне зависимости от типа светочувствительного сенсора специальная минисхема – аналогово-цифровой преобразователь – кодирует каждое значение электрического напряжения последовательностью «единиц» и «нулей», другими словами, оцифровывает величину электрического напряжения. Например, произвольный сенсель «уловил» 110 фотонов, освободилось 100 электронов, последние накопились в сенселе. Попав в конденсатор, 100 электронов породили на выводах последнего электрическое напряжение равное, условно, 1-ому вольту. Аналогово-цифровой преобразователь «измерил» электрическое напряжение на выводах конденсатора и «приписал» 1-ому вольту число равное, например, «0000 0000 0000 0000 01».

В некоторых светочувствительных сенсорах могут «трудиться» параллельно несколько аналогово-цифровых преобразователей. Тогда за заданный промежуток времени они могут оцифровать электрические заряды, накопленные несколькими сенселями. Далее я отмечу, что параллельное выполнение некоторых процессов, протекающих в сенсоре, помогает увеличить производительность реализованного в нём электронного затвора.

Особенность «улавливания» фотонов сенселями заключается в том, что световые лучи распространяются, как я отмечал ранее, непрерывно во времени. Другими словами, пока на поверхность светочувствительного сенсора проецируется оптическое изображение, каждый сенсель непрерывно «улавливает» фотоны. Как следствие, каждый сенсель способен постоянно накапливать электроны. Этот процесс похож на ситуацию, когда я беру ёмкость и подставляю её под струи горного водопада: вода непрерывно течёт, постепенно заполняя ёмкость.

По сути, «светлота» будущей фотографии определяется порциями свободных электронов, накопленных каждым сенселем. Такой временной промежуток (на английском языке его называют integration time – «время интегрирования») и будет выдержкой. Чем дольше сенсели «улавливают» фотоны, тем больше накопится электронов, тем больше будет величина электрического напряжения, … тем больше будет экспозиция и, как следствие, более светлым будет выглядеть изображение.

Метод заключается в том, чтобы посчитать электроны, которые накопились в каждом сенселе в течение заданного промежутка времени. Реализовывать метод можно различными способами. В последующих статьях я опишу несколько из них в деталях.

«Открытие» электронного затвора – это момент времени. Начиная с него, произвольный сенсель накапливает порцию электронов, которая затем будет «взвешена». При этом, до «открытия» электронного затвора рассматриваемый сенсель может накапливать электроны, но учитываться они не будут.

«Закрытие» электронного затвора – это момент времени, с которого начинается оценивание порции накопленных электронов. При этом, накопление электронов сенселем может продолжаться и происходить одновременно с «подсчётом».

Так как каждый сенсель вносит вклад в будущее цифровое изображение, то для того чтобы построить последнее, необходимо оценить электрические заряды, накопленные каждым сенселем. Тем не менее, «открытие» и «закрытие» электрического затвора может происходить индивидуально для каждого сенселя или группы сенселей. Через один абзац я обозначу, как это отражается на итоговом изображении.

Рассмотрю процесс съёмки «со стороны» произвольного сенселя:

Рис. 1. Две схемы, демонстрирующие принцип действия электронного затвора. Рассматривается съёмка – создание одного цифрового изображения – во времени. Верхняя схема иллюстрирует действие электронного затвора светочувствительного сенсора, сенсели которого накапливают электроны непрерывно во времени. Нижняя схема иллюстрирует действие электронного затвора такого сенсора, в котором накопление электронов сенселями происходит в течение определённого промежутка времени. Обозначения на схеме: t₀ – «открытие» электронного затвора; t₁ – «закрытие» электронного затвора; t₂ – момент времени, в который завершается «подсчёт» электронов; 1 – площадь заштрихованной фигуры отражает экспозицию – количество накопленных электронов рассматриваемым сенселем за промежуток времени от t₀ до t₁. Временной промежуток от t₀ до t₁ – выдержка или, другими словами, длительность экспонирования¹⁰. Временной промежуток от t₁ до t₂ – длительность «подсчёта». Последнюю я изобразил на схемах более продолжительной, чем выдержку. На практике «подсчёт» электронов, оставаясь примерно постоянным временным промежутком для конкретной конструкции светочувствительного сенсора, может совершаться как медленнее, так и быстрее экспонирования, длительность которого определяет фотограф.

Как я отмечал ранее, «открытие» и «закрытие» электронного затвора может происходить в разное время для каждого сенселя. От того, насколько синхронно для всех сенселей начинаются два процесса: накопление электрических зарядов, которые будут «посчитаны», и «подсчёт» – будет зависеть однородность экспозиции во времени и/или по площади кадра. Неоднородность экспозиции обусловливает наличие, степень и характер искажений будущего изображения. Рассматривая по очереди способы реализации электронного затвора, я буду определять и иллюстрировать каждое искажение.

От конструкции светочувствительного сенсора зависят возможности (характеристики) электронного затвора, присущие и другим типам фотографических затворов: длительности наикратчайшей выдержки и выдержки синхронизации, производительность ¹¹, однородность экспозиции во времени и по площади кадра.

В то же время, конструкция сенсора обусловливает «собственные» ¹² характеристики: динамический диапазон, чувствительность, уровень шума, разрешение (количество эффективных сенселей), разрешающую способность, потребление энергии, выделение тепла и, как следствие, способ его отвода, скорость протекающих процессов («подсчёта» электронов, аналогово-цифрового преобразования и так далее), себестоимость и другие параметры.

Таким образом, в частности, от способа реализации электронного затвора будет зависеть техническое качество изображения ¹³, стоимость камеры и возможности фотографа в съёмке. Например, можно ли запечатлеть без искажений различные фазы движения спринтера во время соревнований или можно ли создать качественные фотографии, освещая снимаемую сцену импульсными источниками света или светодиодными лампами. Рассматривая далее каждый способ, я буду выделять как связь способа с характеристиками сенсора, указанными в предыдущем абзаце, так и влияние определённого набора параметров на практику фотографа.

Завершая подготовку, в начале следующей статьи я уточню и дополню знания о характеристиках светочувствительных сенсоров. Впервые определения и особенности динамического диапазона, чувствительности, цифрового шума и разрешения я привёл в «Основы фотографии # 4.4». Такие знания помогут Вам сориентироваться в особенностях различных способов реализации электронного затвора. Затем рассмотрю электронный затвор современных ПЗС: всего опишу четыре конструкции светочувствительных сенсоров названного типа.

Завершая настоящую статью, подведу промежуточный итог.

Электронный затвор едва ли «преграждает» поток световых лучей, проецируемый на поверхность светочувствительного сенсора. Более того, электронный затвор не является механизмом, не обладает подвижными частями.

С одной стороны, электронный затвор – это метод, которым сенсор определяет, сколько фотонов «уловил» каждый сенсель в течение заданного промежутка времени. При этом, такой временной промежуток можно называть выдержкой, а количество электронов, которые освободились благодаря «уловленным» фотонам – экспозицией.

С другой стороны, электронный затвор – это функция светочувствительного сенсора, которуюинженеры реализовали как в конструкции последнего, так и в процессах, которые протекают в сенсоре и регулируются программами. Поэтому параметры электронного затвора можно рассматривать в составе параметров сенсора. Хотя, в спецификациях к цифровым фотоаппаратам характеристики электронного затвора, чаще всего, указывают традиционно в отдельном разделе «Затвор».

В «плёночной» фотографии электронный затвор Вы едва ли встретите, в то время как шторно-щелевой и лепестковый затворы активно применяются как в аналоговых, так и в цифровых камерах.

«Открытие» и «закрытие» электронного затвора – это моменты времени, после которых начинается накопление электронов сенселями и «подсчёт» накопленных электронов, соответственно. Сенсели «улавливают» фотоны и способны накапливать электроны непрерывно, постоянно, пока оптическое изображение проецируется на поверхность сенсора. Основываясь на утверждениях выше, принцип действия электронного затвора могу описать следующими словами. Затвор открывается и изображение начинает создаваться, когда сенсор «обращает внимание» на свет. Затвор закрывается, создание изображения завершается, когда сенсор «игнорирует» свет.

Электронный затвор можно реализовывать разными способами. Способ реализации обусловливает характеристики как электронного затвора, так и сенсора. В свою очередь, совокупность характеристик оказывает влияние на возможности фотографа и на техническое качество итогового изображения. Я рассмотрю всего шесть способов, другими словами, шесть конструкций светочувствительных сенсоров.

Примечание:

¹ Фотографические затворы можно классифицировать по различным критериям. По месторасположению относительно светочувствительного сенсора: «внутрисенсорный», фокальный, залинзовый, межлинзовый (или центральный) и долинзовый. Такую классификацию я взял за основу в начале пятой части серии. По типу конструкции: шторно-щелевой или лепестковый – и по уровню и характеру функционирования: механический, электромеханический и электронный. Современные лепестковые затворы могут быть механическими и электромеханическими (в соответствующей статье я, следуя сложившейся традиции, назвал их электронными, хотя в эпоху цифровых технологий такое название требует уточнения), а современные шторно-щелевые затворы являются преимущественно электромеханическими. Последнее означает, что подвижные части затвора приводятся в движение и сам затвор управляется не только за счёт напряжения и расслабления пружин, но и за счёт электрического тока и магнитного взаимодействия. Обратно к тексту.

² Под фотонами я понимаю частицы (мне удобно воспринимать их в виде крошечных шариков), образующие свет и обладающие энергией, которой с удовольствием готовы делиться при взаимодействии с различными веществами. Поток световых лучей суть поток фотонов. Последние можно ещё воспринимать как непрерывно перемещающиеся сгустки энергии, так как рассматриваемая частица является безмассовой. Обратно к тексту.

³ Под электронами я понимаю частицы («шарики»), обладающие массой и электрическим зарядом. Преимущественно они входят в состав веществ. А находясь в свободном состоянии, обусловливают такое явление как электрический ток. Обратно к тексту.

⁴ Под программным управлением здесь я понимаю ряд процессов, в результате которых одно простое действие приводит к выполнению серии разнообразных и часто сложно осуществимых неподготовленным человеком действий.

Например, я – фотограф – нажимаю на кнопку спуска затвора в цифровом фотоаппарате. «Взамен» моему простому действию компьютер, встроенный в камеру, выполняет заданную серию логических операций – программу. Выполняя её, он включает с определённой задержкой во времени два электромагнита, каждый из которых приводит в движение свой набор светонепроницаемых пластин шторно-щелевого затвора. Я слышу лишь звук перемещающихся шторок. Однако, чтобы они пришли в движение с заданной паузой, я не прилагаю к ним непосредственных усилий. К тому же, на мой взгляд, было бы трудно перемещать пластинки со скоростью 4 метра в секунду так, чтобы между началом движения первой и второй шторки было, например, 0,25 миллисекунды (1/4000 секунды) вне зависимости от попытки (кадра).

Хотя, аналогичным способом – вручную – фотографы открывали затворы своих камер в 19-ом веке. В те времена ручное управление было возможным, потому что из-за слабой «восприимчивости» светочувствительных материалов требовались выдержки в сотни тысяч раз более длинные, чем в современной фотографии. Обратно к тексту.

⁵ В рамках серии «Основы фотографии» я рассматриваю конструкции светочувствительных сенсоров, которые устанавливают в цифровые фотоаппараты, применяемые в художественных целях. Тем не менее, параллельно существуют конструкции, разработанные для решения научных и промышленных задач, например, для исследования космоса или для наблюдения за дорожным трафиком. Обратно к тексту.

⁶ Электронная микросхема – это комплекс компонентов, который оригинальным заранее известным способом изменяет, преобразуют, параметры электрического тока.

Например, если на вход комплекса «подать» электрический ток, напряжение которого равно 5 вольтам, а на выходе «снять» электрический ток, напряжение которого равно 10 вольтам, то «оригинальность» способа у данной микросхемы заключается в усилении электрического напряжения. Такая микросхема называется усилителем.

Любой светочувствительный сенсор – это микросхема, которая содержит компоненты, преобразующие фотоны в свободные электроны, и может включать в себя другие микросхемы. Входящие в состав «большой» микросхемы «маленькие» микросхемы я для удобства называю минисхемами. Обратно к тексту.

⁷ КМОП-сенсор (аббр. от «сенсор, построенный по технологии “комплементарные структуры металл-окисел-полупроводник”»; на англ. CMOS image sensor – «complementary metal-oxide-semiconductor image sensor») – это электронная микросхема, которая представляет из себя «фабрику».

Самый большой «цех» состоит из одинаковых независимых «бригад» – минисхем. Каждая минисхема «улавливает» фотоны из определённой части оптического изображения, спроецированного на поверхность сенсора, и «производит» с помощью них электроны. Затем «считает» последние и ставит в соответствие их количеству электрическое напряжение.

Следующий «цех» усиливает и преобразует электрическое напряжение, «произведённое» каждой «бригадой», в последовательность электрических импульсов: «единиц» и «нулей». Например, когда электрическое напряжение в течение одной секунды равно 5 вольтам, то такое событие считается «единицей», когда электрическое напряжение в течение одной секунды равно 1 вольту, событие считается «нулём». В итоге, два фотона, «уловленные» одним сенселем, могут «кодироваться» серией импульсов, например, «01», а три фотона – серией «10».

Дополнительно, на территории «фабрики» функционирует несколько административных «учреждений», которые занимаются согласованием процессов, происходящих внутри каждого «цеха» и между «цехами».

Последовательности «единиц» и «нулей» – будущее цифровое изображение. Сенсели – одинаковые элементы светочувствительного сенсора, вступающие во взаимодействие с фотонами и накапливающие в результате последнего свободные электроны – КМОП-сенсора являются минисхемами. Обратно к тексту.

⁸ ПЗС (аббр. от «прибор с зарядовой связью»; на англ. CCD – «Charge-Coupled Device») – это электронная микросхема, которая представляет из себя узкоспециализированный «заводик», состоящий из пары-тройки «цехов».

Крупнейший «цех» образуют одинаковые связанные друг с другом «бригады» – сенсели – каждая из которых «улавливает» фотоны из определённой части оптического изображения, спроецированного на поверхность сенсора, преобразует их в электроны и, затем, передаёт их следующей «бригаде». Так как следующая «бригада» тоже потрудилась и «произвела» партию электронов, то, чтобы взять чужие, она отдаёт свои электроны соседней «бригаде». И так далее по цепочке. Та «бригада», которая находится ближе всего к выходу из «цеха» передаёт свою и каждую партию электронов, полученную от соседней бригады, в следующий маленький «цех». Последний занимается «подсчётом» электронов и преобразованием их в электрическое напряжение.

В итоге, «заводик» производит последовательность электрических напряжений, из которых затем произведут последовательность электрических импульсов: «единиц» и «нулей». Однако, таким производством числовых последовательностей и согласованием действий «бригад» и «цехов», чаще всего, занимается другая «фабрика» и отдельное административное «учреждение», соответственно. Обратно к тексту.

⁹ В контексте настоящей статьи и других моих статей, описывающих функционирование светочувствительных слоёв, слово «улавливать» я применяю в кавычках. Потому что, по факту, фотоны распространяются внутрь сенселей вне зависимости от «желания» последних. Однако, лишь некоторые фотоны передают свою энергию электронам, освобождая их и, как следствие, позволяя последним накапливаться в сенселях. Обратно к тексту.

¹⁰ Экспонирование – это процесс взаимодействия световых лучей со светочувствительным материалом. В цифровой фотографии экспонирование можно рассматривать как накопление, аккумулирование, электрического заряда под воздействием света. Обратно к тексту.

¹¹ Производительность затвора – это количество циклов «открытие-закрытие», которое может совершить затвор за заданный промежуток времени (обычно, за одну секунду). Как один из факторов влияет на длительность временной задержки между концом экспонирования текущей фотографии и началом экспонирования следующей фотографии. Чем выше производительность затвора, тем короче задержка и тем потенциально больше снимков может создать фотограф за одну секунду. Обратно к тексту.

¹² Электронный затвор, как я отмечал ранее, можно рассматривать как функцию светочувствительного сенсора. Поэтому характеристики электронного затвора можно отнести к характеристикам сенсора. Обратно к тексту.

¹³ Определение технического качества изображения я привёл в начале статьи «Основы фотографии # 4.3». Уточните определение, если необходимо. Обратно к тексту.

02/03/2015 Просмотров: 10309 Источник: photo-monster.ru Автор: Марк Лаптенок