Фото-монстр — советы по фотосъемке от профессионалов.
Основы фотографии # 5.12
- Основы фотографии #1
- Основы фотографии #2.1
- Основы фотографии #2.2
- Основы фотографии #3
- Основы фотографии #4.1
- Основы фотографии #4.2
- Основы фотографии #4.3
- Основы фотографии #4.4
- Основы фотографии #4.5
- Основы фотографии #4.6
- Основы фотографии #4.7
- Основы фотографии #4.8
- Основы фотографии #4.9
- Основы фотографии #4.10
- Основы фотографии #4.11
- Основы фотографии #4.12
- Основы фотографии #5.1
- Основы фотографии #5.2
- Основы фотографии #5.3
- Основы фотографии #5.4
- Основы фотографии #5.5
- Основы фотографии #5.6
- Основы фотографии #5.7
- Основы фотографии #5.8
- Основы фотографии #5.9
- Основы фотографии #5.10
- Основы фотографии #5.11
В предыдущей статье я подробно описал устройство, принцип действия и особенности прибора с зарядовой связью, сенсели-буферы которого чередуются с сенселями-светоприёмниками – ПЗС с межстрочной буферной зоной. Настоящую статью я посвятил третьей конструкции ПЗС. В ней буферная зона располагается отдельно от световосприимчивых сенселей. Также, коротко опишу четвёртую конструкцию.
ПЗС с кадровой (выделенной) буферной зоной (FTCCD или FT CCD)1
С одной стороны, рассматриваемая конструкция ПЗС – это инженерное решение, непосредственно продолжающее полнокадровый ПЗС. Суть решения заключается в том, что половина полнокадрового ПЗС накрывается светонепроницаемым материалом – маскируется, экранируется. Теперь сенсор состоит из двух областей, связанных по одной стороне. Одна зона накапливает порции электронов и, накопив, передаёт электрические заряды в экранированную зону на хранение и «подсчёт». По сути, весь процесс образования изображения: от облучения световосприимчивых сенселей до «подсчёта» всех накопленных электрических зарядов – осуществляют различные группы сенселей. Получается разделение труда: одна группа накапливает электроны, другая группа хранит и «занимается» оцифровыванием. Обе части процесса выполняются одновременно, параллельно, а не последовательно, как в «обычном» полнокадровом ПЗС.
Благодаря «мануфактуре» удаётся сохранить все преимущества полнокадрового ПЗС и сократить вдвое временной промежуток между созданием двух кадров. Такое положение вещей открывает для ПЗС с кадровой буферной зоной дорогу не только в фотографию, но и в видеографию. А благодаря наличию буферной зоны реализуется электронный затвор со всеми вытекающими преимуществами, среди которых одним из главных является отсутствие громоздкого и с ограниченным сроком службы электромеханического затвора. По сути, получается полнокадровый ПЗС с полноценным электронным затвором.
С другой стороны, принцип действия ПЗС рассматриваемой конструкции в основе своей повторяет принцип действия ПЗС с межстрочной буферной зоной. Существенное отличие между двумя конструкциями заключается в расположении сенселей-буферов. В первом случае последние отстоят от области, которую образуют сенсели-светоприёмники. Во втором случае буферная зона «сращивается» с названной областью.
ПЗС с кадровой буферной зоной обладает тремя особенностями (помимо полностью реализованного электронного затвора).
Во-первых, количество сенселей-светоприёмников вдвое меньше, чем в полнокадровом ПЗС той же площади. Как следствие вдвое уменьшается разрешение (количество пикселей) изображения, создаваемого с помощью рассматриваемого сенсора. В итоге стоимость последнего возрастает в два раза при тех же характеристиках полнокадрового ПЗС. Такая особенность ПЗС с кадровой буферной зоной ограничивает области его применения.
Во-вторых, когда буферная зона пуста, два последовательных снимка создаются с минимальной временной задержкой, исчисляемой несколькими миллисекундами (порядка 1-5 миллисекунд, 1/1000 – 1/200 секунды). Временная задержка возникает из-за перемещения накопленных порций электронов в буферную зону. Такая особенность позволяет использовать ПЗС с кадровой буферной зоной в тех приложениях, где требуется создать подряд два высококачественных изображения, например, при мультиспектральном анализе в медицине, астрономических, химичеких и биологических исследованиях. В «потребительской» фотографии рассматриваемая особенность едва ли нашла себе применение.
В-третьих, во время перемещения электрических зарядов из светочувствительной области в буферную зону накопление электронов сенселями-светоприёмниками продолжается. В итоге кадр экспонируется неравномерно по площади, и уже созданное изображение искажается2.
Изображение ниже объясняет особенности ПЗС с кадровой буферной зоной и иллюстрирует принцип его действия:
Рис. 1. Принцип действия ПЗС с кадровой буферной зоной. Вид сверху со стороны распространения фотонов на поверхность светочувствительного сенсора с 25-ью сенселями-светоприёмниками и 30-ью сенселями-буферами. Рассматривается создание одного изображения за восемь условных шагов. Обозначения на рисунке: 1 – электрический заряд, накопленный сенселем-светоприёмником 2-ой строки 1-ого столбца (все сенсели-светоприёмники обозначены белым цветом); чем больше площадь оранжевого кружка, тем больше электронов накопил сенсель; 2 – сенсель-буфер 3-ей строки 3-его столбца (все сенсели-буферы обозначены серым цветом); 3 – выход из буферной зоны, к которому подсоединяется «счётчик» электронов и, далее, аналогово-цифровой преобразователь; 4 – следующая порция электронов, которую накапливает сенсель-светоприёмник после передачи предыдущей порции сенселю-буферу; чем дольше сенсель-светоприёмник «улавливает» фотоны, тем больше электрический заряд. Поэтому на схемах плотность кружка постепенно увеличивается от 5-ого к 8-ому шагам. То же явление обозначено «пожелтением» кружков в шагах со 2-ого по 4-ый. 1 шаг – образовалось первое изображение. 2 шаг – экспонирование первого изображения завершено, электронный затвор «закрывается», все сенсели-светоприёмники постепенно – строка за строкой – передают накопленные порции электронов в буферную зону (например, сенсели-светоприёмники 5-ой строки передают накопленные заряды соответствующим сенселям-буферам 1-ой строки). 3 шаг – во время передачи электрических зарядов сенсели-светоприёмники продолжают накапливать электроны. В итоге передаваемые электрические заряды увеличиваются – первое изображение искажается. Так, порции, накопленные сенселями-светоприёмниками 1-ой строки, содержат больше «лишних» электронов, чем порции, накопленные сенселями-светоприёмниками 2-ой строки. Наименее искажены электрические заряды, накопленные сенселями-светоприёмниками 5-ой строки. 4 шаг – все порции электронов, образующие первое изображение, разместились в сенселях-буферах (в буферной зоне). 5 шаг – начинается «подсчёт» электрических зарядов, образующих первое изображение. Сначала порции электронов, накопленные сенселями-буферами 5-ой строки, перемещаются в соответствующие сенсели-буферы 6-ой строки, электрические заряды, хранящиеся в сенселях-буферах 4-ой строки, перемещаются в соответствующие сенсели-буферы 5-ой строки и так далее. Это выглядит как смещение всех зарядов, находящихся в буферной зоне, вниз на одну строчку. Затем сенсели-буферы 6-ой строки передают заряды по цепочке на выход из буферной зоны и на вход «счётчика» в следующей манере: сенсель-буфер 6-ой строки 5-ого столбца передаёт сохраняемый заряд на выход, а сенсель-буфер 6-ой строки 4-ого столбца передаёт свою порцию электронов в освободившийся сенсель-буфер 6-ой строки 5-ого столбца и так далее. В то же время «открывается» электронный затвор, сенсели-светоприёмники начинают накапливать электрические заряды, которые образуют второе изображение. 6 шаг – сенсели-светоприёмники продолжают накапливать электроны (образовывается второе изображение). Электрические заряды, хранимые сенселями-буферами 6-ой строки почти «подсчитаны». 7 шаг – экспонирование второго изображения продолжается: сенсели-светоприёмники накапливают электроны. Опустевшие сенсели-буферы 6-ой строки принимают электрические заряды 5-ой строки, в свою очередь, порции электронов, хранящиеся в сенселях-буферах 4-ой строки, перемещаются в освободившиеся сенсели-буферы 5-ой строки и так далее. 8 шаг – остался «неучтённым» один электрический заряд, образующий первое изображение. Последний накопил сенсель-светоприёмник 1-ой строки 1-ого столбца. Как только этот заряд будет «посчитан», буферная зона освободится и, соответственно, будет готова принимать второе изображение – очередные порции электронов от сенселей-светоприёмников. К 8-ому шагу последние накопят электрические заряды уже в каком-то объёме. Если выдержка равна временному промежутку, отсчитываемому от приёма сенселями-буферами электрических зарядов (другими словами, от «закрытия» электронного затвора) до вывода последнего заряда к «счётчику», то перенос следующих порций электронов происходит тут же. Если выдержка больше указанного временного промежутка, то сенсели-буферы простаивают, «ожидая» завершения экспонирования. Однако, выдержка едва ли может быть меньше указанного промежутка, если дополнительно не применяется электромеханический затвор. Сенсели-светоприёмники «улавливают» фотоны – накапливают электроны – непрерывно, а буферная зона должна полностью освободиться, прежде чем принять от сенселей-светоприёмников новые порции электронов.3,4
ПЗС с кадровой буферной зоной встречается реже чем описанные ранее конструкции в камерах «потребительской» фотографии. Основная причина заключается в себестоимости такого сенсора и его особенности функционирования, порождающей неравномерность экспозиции по площади кадра.
Чтобы нивелировать «смазывание» конструкторы вынуждены прибегать к различным решениям. В частности, применяют электромеханический затвор, что делает едва различимыми преимущества ПЗС такой конструкции в сравнении с полнокадровым ПЗС на фоне удвоенного расходования «светочувствительной» площади. Увеличивают скорость перемещения электрических зарядов от сенселей-светоприёмников к сенселям-буферам. Ограничением скорости выступает качество передачи электрического заряда между соседними сенселями: чем выше скорость передачи, тем сильнее искажается передаваемая порция электронов. Это, как быстро перелить воду из одного сосуда в другой: много воды разбрызгивается по пути. Наконец, применяют программные алгоритмы, восстанавливающие искажённое изображение.
Чтобы уменьшить и «смазывание», и временную задержку между созданием двух кадров инженеры спроектировали ПЗС с комбинированной буферной зоной.
ПЗС с межстрочной и кадровой буферной зоной (FITCCD или FIT CCD)5
ПЗС рассматриваемой конструкции, по сути, представляет из себя гибрид ПЗС с межстрочной буферной зоной и ПЗС с кадровой буферной зоной. Основная причина, из-за которой такая конструкция была спроектирована и запущена в серийное производство – минимальное проявление «смазывания» (чем едва ли может «похвастаться» одна из описанных ранее конструкций ПЗС) и полноценная реализация электронного затвора (что не присуще полнокадровому ПЗС). Другими словами, низкий уровень искажений получаемого изображения, вызванных «смазыванием», и отсутствие необходимости в использовании электромеханического затвора – две определяющие особенности ПЗС с межстрочной и кадровой буферной зоной. Как Вы думаете, где сенсоры рассматриваемой конструкции получили наибольшее распространение?
ПЗС с комбинированной буферной зоной применяются в видеографии благодаря озвученным выше особенностям. Но из-за высокой стоимости («черта», перенятая у ПЗС с кадровой буферной зоной) такой сенсор устанавливается в дорогостоящие широковещательные видеокамеры.
Почему у ПЗС рассматриваемой конструкции «смазывание» минимально?
По отдельности и ПЗС с межстрочной буферной зоной, и ПЗС с кадровой буферной зоной страдают от «смазывания» (хоть и проявляется оно по-разному и обусловлено различными причинами). В ПЗС с комбинированной буферной зоной порции электронов, накопленные сенселями-светоприёмниками, вначале перемещаются в соседние сенсели-буферы, образующие межстрочную буферную зону. То есть, на данном этапе сенсор ведёт себя как ПЗС с межстрочной буферной зоной.
Затем, без длительной задержки во времени, электрические заряды из буферной зоны, расположенной между сенселями-светоприёмниками, перемещаются в выделенную буферную зону. Теперь сенсор ведёт себя как ПЗС с кадровой буферной зоной.
Далее. Перемещение накопленных порций электронов в буферную зону происходит на порядок быстрее, чем «подсчитывание» электрических зарядов. Благодаря быстрому перемещению из одной буферной зоны в другую (из межстрочной в кадровую) фотоны, которые так или иначе проникают в сенсели-буферы, соседствующие с сенселями-светоприёмниками, не успевают повлиять на объёмы накопленных порций электронов. Поэтому удаётся избежать «смазывания», присущего ПЗС с межстрочной буферной зоной. А «смазывание», характерное для ПЗС с кадровой буферной зоной, отсутствует, потому что перемещение электрических зарядов между буферными зонами происходит между защищёнными от световых лучей сенселями-буферами.
Здесь я завершаю рассмотрение электронного затвора в приборах с зарядовой связью (ПЗС). Перед тем, как перейти к изучению возможностей электронных затворов в сенсорах, построенных по технологии «комплементарные структуры металл-окисел-полупроводник» (КМОП-сенсорах), подведу промежуточный итог.
Конструкция полнокадрового ПЗС наиболее простая среди четырёх конструкций ПЗС, распространённых в фотографии. Поэтому качество изображения, создаваемое таким сенсором, наиболее высокое. Электронный затвор здесь не реализован полностью. Поэтому фотоаппарат, в котором установлен полнокадровый ПЗС, комплектуется электромеханическим затвором: шторно-щелевым и/или лепестковым.
Структура ПЗС с межстрочной буферной зоной более сложная, чем структура полнокадрового ПЗС. Поэтому качество изображения, создаваемого с помощью такого сенсора, чаще всего, ниже, чем качество изображения, создаваемого полнокадровым ПЗС. Однако, в ПЗС с межстрочной буферной зоной реализован электронный затвор. Поэтому такой сенсор едва ли требует применения электромеханического затвора и может использоваться в видеографии. Соединение зоны, в которой создаётся изображения, и буферной зоны несовершенно, поэтому в ПЗС с межстрочной буферной зоной возможно «смазывание» – эффект, который проявляется на изображении в виде засвеченных вертикальных полос, тянущихся от одного до другого краёв кадра.
ПЗС с кадровой буферной зоной также свойственно «смазывание». Проявляется оно в виде светлых полос и пятен (дублирования изображения) по всей площади кадра. В отличие от предшествующей конструкции рассматриваемый сенсор способен создавать изображение, качество которого соответствует качеству полнокадрового ПЗС. А наличие буферной зоны обусловливает «функционирование» электронного затвора. Из-за удвоенной площади сенсора себестоимость ПЗС с кадровой буферной зоной выше себестоимостей предшественников.
Наконец, ПЗС с межстрочной и кадровой буферной зоной в наименьшей степени подвержен «смазыванию». Электронный затвор, как и в других конструкциях с буферной зоной, реализован полностью. Однако, себестоимость рассматриваемого сенсора, как и его «предка», высока, поэтому ПЗС с межстрочной и кадровой буферной зоной используется в дорогих аппаратах.
Как и прежде, ПЗС применяется там, где требуется максимальное качество изображения, особенно, высокая чувствительность. В современном мире обычные области применения ПЗС – научные исследования. Он устанавливается в микроскопах и телескопах из-за низкого уровня освещённости фотографируемых объектов. Полнокадровые ПЗС Вы можете встретить в фотоаппаратах и цифровых задниках среднего формата.
В настоящее время КМОП-сенсоры существенно сократили разрыв с ПЗС в качестве создаваемого изображения, поэтому в большинстве фотоаппаратов малого формата Вы обнаружите КМОП-сенсор. Это происходит потому, что производство КМОП-сенсоров дешевле, и ПЗС потребляет больше энергии, чем КМОП-сенсор. В эпоху интенсивного потребления, мобильных и компактных устройств эти особенности определяют выбор типа устанавливаемого в фотоаппарат сенсора.
Далее я опишу две реализации электронного затвора в КМОП-сенсорах, а также обозначу общие особенности и принцип действия КМОП-сенсора.
Примечание:
1 На англ. frame-transfer charge-coupled device. Обратно к тексту.
2 Пример такого искажения приведён на рисунке 2 (Figure 2) в статье «The Importance of CCD Readout Smear in Heterodyne Imaging Phase Detection Applications». Обратите внимание на светлые вертикальные полосы на фотографии печатной платы. Данное искажение называется «смазыванием» (на англ. smearing) и делит своё название с аналогичным эффектом, присущим ПЗС с межстрочной буферной зоной. Однако, причины искажения и его проявление на фотографии различаются для ПЗС с кадровой буферной зоной и ПЗС с межстрочной буферной зоной.
В ПЗС рассматриваемой конструкции «смазывание» проявляется тем больше, чем а) больше сенселей-светоприёмников содержит сенсор (больше электрических зарядов приходится перемещать в буферную зону, поэтому длиннее путь и дольше время перемещения), б) дольше временной промежуток, за который происходит передача электрических зарядов из одной строки в другую. Проявление «смазывания» может быть уменьшено искусственно: применением программных алгоритмов, восстанавливающих искажённые области изображения. Пример восстановленного изображения приведён в статье, указанной выше, на рисунке 5 (Figure 5). Обратно к тексту.
3 Предлагаю маленькое задание тем, кто хочет разобраться в деталях. В иллюстрации выше есть неточность. Она связана с непрерывностью экспонирования (облучения световосприимчивых сенселей). Найдите неточность и обозначьте её в комментариях к статье. Обратно к тексту.
4 Процесс, проиллюстрированный рисунком, также, демонстрирует анимация. Обратно к тексту.
5 На англ. frame-interline transfer charge-coupled device. Обратно к тексту.
29/07/2015
Просмотров : 14970
Источник: photo-monster.ru
Автор: Марк Лаптенок
Еще уроки из рубрики "Все основы"
Покупка аккумуляторов: что нужно знать?
Доводилось ли вам использовать свою камеру с объективами от стороннего производителя? Предполагаю, что большинство ответит да. Причина этого в том, что на рынке есть много...
Читать дальше →
09/03/2020.
Основы — Все основы.
Перевод: Алексей Шаповал
12 472
1
Правило эквивалентной экспозиции
Фотоаппарат – восхитительный инструмент. Просто поразительно как одним щелчком затвора можно остановить текущий миг и сохранить его на будущее. Принцип работы фотоаппарата...
Читать дальше →
29/02/2020.
Основы — Все основы.
Перевод: Алексей Шаповал
24 944
2
Оцифровка фотографий и негативов
У каждой семьи есть своя история, а у каждой истории есть свои фотографии: старые цветные распечатки, винтажные черно-белые фотокарточки, негативы и пленки.
Читать дальше →
17/02/2020.
Основы — Все основы.
Перевод: Алексей Шаповал
40 969
4
Как развить профессиональный взгляд
Фотография – мощный инструмент визуальной коммуникации. Объектив в какой-то мере можно считать вашим третьим глазом, который позволяет поделиться с миром тем, что видите вы...
Читать дальше →
10/02/2020.
Основы — Все основы.
Перевод: Алексей Шаповал
16 879
0
Как избежать клише в фотографии
Мир современной пейзажной фотографии весьма сложный. Кажется, будто достаточно иметь камеру, несколько объективов, штатив, фильтры, карту и отличную идею в голове, но в реальности все...
Читать дальше →
05/09/2019.
Основы — Все основы.
Перевод: Алексей Шаповал
15 406
1
Как подзаработать фотографу (не профи)
Существует миф, будто фотографы разделяются на две категории – те, для кого это просто хобби и профессионалы, которые зарабатывают деньги. На самом деле многие находятся в...
Читать дальше →
12/08/2019.
Основы — Все основы.
Перевод: Алексей Шаповал
19 559
2
(жаль нет статистики кто это будет читать).
Здесь не нужно статистики. Читают и скачивают.
И поверьте не мало людей благодарны Лаптенку за этот материал и уделенное время.
Это не лизнул.... Вообще нытиков хватает везде.
У меня вопрос в другом. Почему нету скачки? Этот вопрос уже подымался и обещали на него отреагировать. Неужели Вам не жалко потраченные усилия и свой труд? Уверен Вы готовили этот материал не для того, чтобы засунуть его в сапог. В интернете достаточно мусора. Этот материал подан достаточно грамотно и в удобоваримом виде.
Здравствуйте! Я передавал Вашу просьбу и подобную просьбу другого читателя редактору. Доступность статьи не находится в моей зоне ответственности. Напишите, пожалуйста, лично в службу поддержки. Ссылка находится в самом низу страницы. Вы также можете упаковать Интернет-страницу, содержащую статью, в PDF документ самостоятельно. Например, я использую для этого плагин Print Friendly & PDF для Google Chrome. Плагин бесплатный.
......принцип действия и особенности прибора с зарядовой связью, сенсели-буферы которого чередуются с сенселями....
А сайтом случаем не ошиблись?? (жаль нет статистики кто это будет читать).
Права на автомобиль есть у всех...И все знают принципы вождения..
Вот только зачем людям знать технологии получения. резины...компоненты..и пропорции смешивания для получения качественной покрышки для их автомобиля - понять НЕ МОГУ.
Здравствуйте. Не ошибся. Хотите, чтобы я прояснил причины?
Подскажите как скачать статью, где ссылка?
Здравствуйте. Не готов подсказать, сообщу редактору.
А куда пропала ссылка для скачивания материала урока в формате PDF?