Устройство фото матрицы

Кроп или фулл фрейм? Камера смартфона или зеркалка? Ответы на эти и подобные вопросы можно дать самому, если понять, как устроены современные фотокамеры. Статья «Устройство фотоматрицы» прольёт свет на некоторые аспекты этого вопроса.

Ко времени разработки фото матрицы существовали матрицы излучающие. Излучают матрицы в цветовой модели RGB. Суть её в том, что каждая ячейка матрицы делится на 3 субячейки которые представляют собой Red (красный), Green (зелёный) и Blue (синий) люминофоры. Такая система применялась на Электронно Лучевых Трубках (ЭЛТ), а также на всех типах современных ЖК матриц.

Разработчики фото матриц изначально пошли по тому же пути, но столкнувшись с трудностями стали искать альтернативу. В чём же проблемы такого подхода у фото матрицы?

Проблемы фотоматриц 

Рис. 1. Модель фотоматрицы.

Рис. 1. Модель фотоматрицы с фильтром Байера.

Фотоматрица является устройством, воспринимающим спроецированное на неё изображение. Поскольку полупроводниковые фотоприёмники примерно одинаково чувствительны ко всем цветам видимого спектра, для восприятия цветного изображения каждый фотоприёмник накрывается светофильтром одного из первичных цветов: красного, зелёного или синего (цветовая модель RGB). В результате каждая фото ячейка воспринимает только световой поток, пропускаемый своим фильтром, а это 1/3 информации, остальные же 2/3 фотонов попросту теряются и становятся невидимы для фото матрицы. В условиях борьбы за каждый фотон, потеря 2/3 светового потока непозволительное расточительство.

На помощь пришла наука. В 1976 г. сотрудник Kodak Брайс Э. Байер получил патент США на своё изобретение «чувствительная матрица для цветного изображения». Поэтому фильтр Байера часто называют матрицей Байера. Байер был пионером, он начал заниматься этими исследованиями, когда о цифровых фото матрицах ещё никто не помышлял.

Рис. 2. Фильтр Байера.

Рис. 2. Фильтр или матрица Байера.

В матрице Байера половина фотофильтров зелёные, а другая половина поделена поровну между красными и синими. Преимущества отданы зелёному, по аналогии с человеческим глазом. Это позволяет лучше фиксировать контраст и улучшает ночное зрение фотоматрицы. Но такой подход лишает снимок части цветности. Каждый элементарный фотодиод фиксирует информацию о яркости только своего пикселя в частичном цветоделённом изображении. Недостающие компоненты цвета рассчитываются процессором камеры на основании данных из соседних ячеек в результате интерпретации этих данных при помощи алгоритма под названием дебайеризация или демозаизации. При этом происходит разделение пикселей, регистрирующих красный, зелёный и синий цвета, а затем информация преобразуется в цветной файл.

Рис. 3. Цветные артефакты.

Рис. 3. Цветные артефакты. Правый рис. - норм.

Простая билинейная интерполяция для этого не подходит, так как яркие объекты при этом приобретают цветную кайму (см. Рис. 3.). Таким образом, в формировании конечного цветового значения пикселя участвует 9 или более фотодиодов матрицы. Производители цифровых фотоаппаратов и RAW-конвертеров используют собственные адаптивные алгоритмы, защищённые авторским правом. Впрочем, алгоритмы и настройки большинства RAW-конвертеров базируются на исходниках dcraw — конвертера с открытым кодом, о чём многие авторы программ-конвертеров (например, SilkyPix) честно упоминают в документации на программу.

Кроме фильтра Байера в матрицах фотоаппаратов могут применяться и другие решения (см. таблицу).

Таблица 1. Схемы цветных фильтров

Схема	Название	Описание	Размер элемента
	Фильтр Байера	Наиболее распространенный RGB-фильтр. 1 синий, 1 красный, 2 зелёных	2×2 px
	RGBE	Один из зелёных фильтров заменён на изумрудный (англ. emerald). Применялся фирмой Sony в 8-мегапиксельной матрице ICX456 и в фотоаппарате Sony CyberShot DSC-F828.	2×2 px
	CYYM	Голубой, 2 жёлтых, пурпурный. Kodak.	2×2 px
	CYGM	Голубой, жёлтый, зелёный, пурпурный. Применяется в некоторых камерах Kodak.	2×2 px
	RGBW Байера	один из зелёных фильтров заменён на белый, в остальном аналогичен стандартному фильтру Байера. Незначительно выигрывает в светочувствительности и на примерно 1 ступень выигрывает в фотографической широте.	2×2 px
	RGBW #1	три примера RGBW-фильтров Kodak, с 50 % белого. По сравнению с остальными выигрывают в светочувствительности и фотографической широте и проигрывает в цветопередаче. Между собой отличаются необходимыми алгоритмами обработки и характером структурного шума (англ. pattern noise), создаваемого большим (по сравнению с традиционным фильтром Байера) пространственным периодом структуры фильтра. Нашел применение там, где требуется высокая светочувствительность, а цветовая информация вторична: системы технического телевидения, видеонаблюдение, автомобильные видеорегистраторы.	4×4 px
	RGBW #2
	RGBW #3		2×4 px
	X-Trans	Благодаря большей области повторения структуры X-Trans (6×6) уменьшается муар, что позволило убрать антимуарный фильтр в фотоаппарате Fujifilm X-Pro 1 и повысило детализацию снимков.	6×6 px

Впрочем, это математика, а какие технологические приёмы используют производители для создания фотоматриц?

Технологии устройства матриц 

По технологии устройства фото матриц можно разделить на 3 типа:

• ПЗС (CCD)
• КМОП (CMOS)
• КМОП с обратной засветкой (BSI CMOS)

Рассмотрим их чуть подробнее.

Фотоматрица ПЗС (CCD) 

Самый старый представитель фотоматриц, изобретенный ещё в 1969 году. Однако активно вкладываться и развивать эту технологию стала именно Sony. В настоящее время эти фотоматрицы не часто используются и, фактически, отмирают, уступая более современным технологиям.

Фотоматрица КМОП (CMOS) 

В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой связью (ПЗС) обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и качество изображения, что КМОП-матрицы не получили сколько-нибудь заметного развития. Разработка не была доведена до стадии технологии.

О ней вспомнили в 1990-х, когда предметно-технологическое множество существенно расширилось и узкие места в КМОП (CMOS) структурах удалось заменить отработанными технологиями. Прогресс в субмикронной фотолитографии позволил применять в КМОП-сенсорах более тонкие соединения. За счёт большего процента облучаемой площади КМОП-матрицы удалось увеличить её светочувствительность. Таким образом весь проект стал более технически совершенным и реализуемым.

Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory — JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS). Теоретические исследования были выполнены ещё несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года. APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.

Фотодиод ячейки занимает существенно меньшую площадь элемента матрицы, по сравнению с ПЗС матрицей с полнокадровым переносом. Поэтому ранние матрицы КМОП имели существенно более низкую светочувствительность, чем ПЗС. Но в 2007 году компания Sony выпустила на рынок новую линейку видео- и фотокамер, оснащёнными КМОП-матрицами нового поколения, с технологией EXMOR, которая ранее применялась только для КМОП-матриц в специфических оптических устройствах таких как электронные телескопы. В этих матрицах электронная «обвязка» пиксела, препятствующая продвижению фотонов на светочувствительный элемент, была перемещена из верхнего в нижний слой фото матрицы, что позволило увеличить как физический размер пиксела при тех же геометрических размерах матрицы, так и доступность элементов свету, что, соответственно, увеличило светочувствительность каждого пиксела и матрицы в целом. Фотоматрицы КМОП впервые сравнялись с ПЗС-матрицами по светочувствительности, но оказались более энергосберегающими и лишенными главного недостатка ПЗС-технологии — «боязни» точечного света. В 2009 году компания Sony улучшила КМОП-матрицы с технологией EXMOR применив к ним технологию «Backlight illumination» («освещение с задней стороны» или «матрицы с обратной засветкой»).
КМОП матрицы потребляют меньше энергии, дешевле в производстве, имеют более чёткую балансировку белого и другие преимущества. Всё это сыграло свою роль в их доминировании.

Преимущества КМОП-матриц 

• Основное преимущество КМОП технологии — низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».
• Важным преимуществом КМОП матриц является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части (КМОП-технология, являясь в первую очередь процессорной технологией, подразумевает не только «захват» света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов не только собственно-захваченных, но и сторонних компонентов РЭА), что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем.
• С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же фотоматрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и использовать её для отображения на весь экран. И тем самым, получить возможность качественной ручной фокусировки. Допустимо вести скоростную репортажную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.
• В дополнение к усилителю внутри пиксела, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого.
• Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах фотоматриц.

КМОП-матрица с обратной засветкой (BSI CMOS) 

Рис. 4. Сравнение технологий.

Рис. 4. Сравнение технологий передней и обратной подсветки.

Это развитие КМОП технологии. Технологию Back-side illumination Яndex переводит как «Подсветка задней стороны». Встречаются также варианты «матрица с задней подсветкой», но наиболее благозвучный и устоявшийся – это «матрица с обратной засветкой».
Сам термин не является «говорящим». Скорее всего, название технологии придумано англоговорящими и построено на игре слов. Обычная КМОП-технология называется Front Illuminated, а усовершенствованная – Back Illuminated.

Лучше синица в руках, чем утка под кроватью.

В интернете можно встретить описания КМОП-технологии с обратной засветкой, будто за фотоматрицей расположена отражающая подложка, возвращающая фотоны обратно в матрицу.
Либо что конструкция чем-то напоминает кошачий глаз, собирая не попавшие в фотодиоды фотоны, и вновь проецируя их на фотоматрицу, в результате чего у матрицы появляется «ночное зрение».

Рис. 5. Маркетинговая утка.

Рис. 5. Лучше синица в руках, чем утка под кроватью.

Но всё это выдумки и, прямо скажем, маркетинговые утки. На самом деле, свет на фотоприемники поступает точно так же, как и всегда. Основная суть изменений состоит в том, что служебные области пиксела, которые отвечают за снятие сигнала с фотоприемников и их обнуление (электропроводка), перенесли в нижний слой, увеличив тем самым площадь приёмника при том же самом размере пиксела. Реальный выигрыш по эффективной площади пиксела получился примерно 10-15% (для матриц размером 1/2,5"-1/2,3"), так что говорить о двукратном увеличении чувствительности – не серьезно. Это подтверждается и инструментальными тестами SONY HX1, имеющей такую матрицу.