• Не пропустите
  • Новое на форуме

Nikon D3100 & Sigma EF-500 DG ST

Автор: Sova Denisova Тема создана: 17/12/2017 18:57 Просмотров: 79 Ответов: 1

На взлет!

Автор: Иван Всякое-Бывает Тема создана: 17/12/2017 18:04 Просмотров: 92 Ответов: 0

Отзыв :: Отличные обучающие курсы

Автор: medvedoux.erectus Тема создана: 17/12/2017 17:23 Просмотров: 160 Ответов: 4

Основы фотографии # 5.13

  1. Основы фотографии #1
  2. Основы фотографии #2.1
  3. Основы фотографии #2.2
  4. Основы фотографии #3
  5. Основы фотографии #4.1
  6. Основы фотографии #4.2
  7. Основы фотографии #4.3
  8. Основы фотографии #4.4
  9. Основы фотографии #4.5
  10. Основы фотографии #4.6
  11. Основы фотографии #4.7
  12. Основы фотографии #4.8
  13. Основы фотографии #4.9
  14. Основы фотографии #4.10
  15. Основы фотографии #4.11
  16. Основы фотографии #4.12
  17. Основы фотографии #5.1
  18. Основы фотографии #5.2
  19. Основы фотографии #5.3
  20. Основы фотографии #5.4
  21. Основы фотографии #5.5
  22. Основы фотографии #5.6
  23. Основы фотографии #5.7
  24. Основы фотографии #5.8
  25. Основы фотографии #5.9
  26. Основы фотографии #5.10
  27. Основы фотографии #5.11
  28. Основы фотографии #5.12

Три последние статьи в деталях отражают реализацию электронного затвора в светочувствительных сенсорах, которые являются приборами с зарядовой связью, и возможности такой реализации, открывающиеся фотографам.

Отмечу, что электронный затвор не отдельный механизм, а функция светочувствительного сенсора. Как и в случае с ПЗС, электронный затвор КМОП-сенсоров целиком зависит от конструкции сенсора. Более того, как Вы могли отметить по предыдущим статьям, сенсоры намеренно проектируются так, что реализовать электронный сенсор. Потому что эта функция повышает удобство конечного пользователя, открывает для последнего те возможности, которые по своей природе едва ли способны обеспечить отдельные от светочувствительного сенсора механизмы: шторно-щелевой и лепестковый затвор.

Начиная с данной статьи, я покажу возможности электронного затвора КМОП-сенсоров. За последние 5-7 лет такие сенсоры широко распространились: Вы встретите их практически во всех современных мобильных устройствах и цифровых фотоаппаратах малого формата. КМОП-сенсоры открывают огромный потенциал для развития характеристик электронного затвора: скорости срабатывания и влияние на изображение – и характеристик фотоаппаратов в целом: скорость серийной съёмки (на англ. frame rate), энергопотребление, вес и габариты, срок службы. Уже сейчас такое неспециализированное «фотооборудование» как Apple iPhone 6 обеспечивает съёмку со скоростью 240 изображений в секунду.

Также, я опишу особенность, которую в одинаковой мере «делят» шторно-щелевой затвор и электронный затвор, реализованный в простом КМОП-сенсоре. О ней следует вспомнить, фотографируя движущиеся объекты.

Электронный затвор КМОП-сенсоров

Я рассмотрю подробно две конструкции КМОП-сенсоров. Лишь одна из них реализуют электронный затвор. В начале вспомню, как устроен КМОП-сенсор и в чём его принципиальные отличия от ПЗС.

В приборе с зарядовой связью каждый сенсель – это светочувствительная область. Даже сенсели, образующие буферную зону, способны преобразовывать фотоны в электроны (свет в электричество), но не делают этого лишь потому, что искусственно скрыты от световых лучей. Сенсели связаны между собой, и сенсор не способен функционировать без связей. Если один сенселей бездействует, то целый ряд сенселей оказывается бездействующим. Также, вспомогательные элементы, такие как усилители, аналогово-цифровые преобразователи, накопители энергии («ёмкости» или конденсаторы), находятся, обычно, за пределами ПЗС.

В КМОП-сенсоре по-другому. Каждый сенсель здесь – это набор элементов, лишь один из которых светочувствительный элемент. Сенсели автономны друг по отношению к другу, поэтому сенсор будет функционировать (создавать изображения), если какие-то из сенселей будут бездействовать. Каждый сенсель может содержать вспомогательные элементы, например, усилитель и «ёмкость». А это значит, что порция электронов, накопленная произвольным сенселем, может быть должным образом подготовлена, прежде чем отправиться к «счётчику». Значит такая порция будет менее искажённой, что, в свою очередь, положительно скажется на качестве изображения: в нём в меньшей степени проявится шум.

Конструкции КМОП-сенсоров можно классифицировать по количеству особых вспомогательных элементов в каждом сенселе, которые называются транзисторами1. В сенселе простейшего КМОП-сенсора находится всего один транзистор. Чтобы реализовать электронный затвор, потребуется хотя бы четыре транзистора. Почему? Давайте разберёмся.

Далее я обозначу четыре конструкции КМОП-сенсора: с одним, тремя, четырьмя и пятью вспомогательными элементами в каждом сенселе, две из которых рассмотрю подробно. Начну с простейшей конструкции.

КМОП-сенсор с одним транзистором на сенсель или КМОП-сенсор с пассивным сенселем (CMOS 1T или passive pixel sensor)

Если сенсель способен лишь накапливать электрический заряд, не подвергая его какой-либо обработке, например, усилению, то такой сенсель называют пассивным 2. Пассивный сенсель в КМОП-сенсоре содержит светочувствительный элемент и один транзистор, который выполняет функцию «клапана»: выпускает или удерживает электрический заряд, накопленный светочувствительным элементом. Назову этот «клапан» выпускающим (на англ. select switch). КМОП-сенсор, в котором каждый сенсель пассивный (или, другими словами, каждый сенсель содержит один транзистор, играющий роль выпускающего «клапана») называется КМОП-сенсором с пассивным сенселем (на англ. passive pixel sensor, аббр. PPS).

Рис. 1. Схема, демонстрирующая устройство сенселя КМОП-сенсора с одним транзистором на сенсель. Обозначения на рисунке: 1 – светочувствительный элемент, 2 – транзистор, играющий роль выпускающего «клапана», 3 – управляющая линия, передающая сигнал к открытию-закрытию выпускающего «клапана», 4 – магистраль, по которой электрические заряды перемещаются к усилителю электрического заряда и, затем, к «счётчику».

Сенсели как в ПЗС, так и в КМОП-сенсорах располагаются по строкам и столбцам, в виде матрицы. Для экономии места на сенсоре сенсели из одного столбца соединяются через свои выпускающие «клапаны» с усилителем единой магистралью. На каждый столбец приходится один усилитель и, соответственно, один «счётчик». Во избежание путаницы при «подсчитывании» накопленных электрических зарядов, от какого сенселя поступает порция электронов на «подсчёт», в один момент времени в одном столбце может быть открыт только один выпускающий «клапан». Тогда одна порция электронов покидает сенсель и двигается по магистрали к усилителю. Остальные сенсели, выпускающие «краны» которых в это время заперты, ждут своей очереди. В качестве пояснения приведу метафору.

Представьте длинный прямой коридор, вдоль которого расположены одинаковые двери, каждая из которых отделяет комнату от коридора. Одна сторона коридора оканчивается тупиком, другая – выходом. Люди могут выходить из комнат и двигаться к выходу. Однако, коридор и выход настолько узкие, что одновременно в них может находится всего один человек. Поэтому по условному сигналу открывается одна дверь, затем в коридор выходит один человек и идёт к выходу, открытая дверь закрывается. Как только человек выйдет, подаётся очередной сигнал, открывается следующая дверь и ещё один человек направляется к выходу. Так, люди покидают комнаты одну за одной.

В КМОП-сенсоре «комнаты» – это сенсели, «коридор» – магистраль, соединяющая сенсели одного столбца между собой и усилителем, «двери» – выпускающие «клапаны», «люди» –электрические заряды, накопленные под действием света, а «выход» – усилитель.

Я описал происходящее в сенселях, образующих один столбец. КМОП-сенсор состоит из нескольких столбцов, которые расположены друг относительно друга так, что сенсели, находящиеся на одинаковых расстояниях от своих усилителей, образуют строку. В частности, наиболее удалённый от усилителя сенсель 1-ого столбца и наиболее удалённый от усилителя сенсель 2-ого столбца вместе входят в 1-ую строку. Сигнал «Открыть выпускающий “клапан”!» подаётся одновременно для всех сенселей в одной строке. Получается, что сенсели из одной строки делят одну управляющую линию.

Так сделано для того, чтобы сэкономить площадь сенсора. Если каждый сенсель будет получать индивидуальный сигнал, то большую часть сенсора займут коммуникации (тысячи управляющих линий вместо одной), и светочувствительные элементы необходимо будет уменьшать в размерах. Вспомните, как размеры светочувствительного элемента могут влиять на такие характеристики сенсора как чувствительность и динамический диапазон.

За одну единицу времени усиливаются и «подсчитываются» все электрические заряды сенселей, расположенных в одной строке. Таким образом, электрические заряды, накопленные всеми сенселями сенсора, оцениваются построчно: в один момент времени обрабатывается электрические заряды, накопленные сенселями 1-ой строки, в следующий момент времени обрабатываются электрические заряды, накопленные сенселями 2-ой строки и так далее.

Рис. 2. Схема, демонстрирующая устройство КМОП-сенсора с одним транзистором на сенсель. Показан сенсор, состоящий из 9-ти сенселей, организованных в 3-и столбца и 3-и строки. Вид сверху, со стороны распространения световых лучей на поверхность сенсора. Обозначения на рисунке: 1 – сенсель 2-ой строки 1-ого столбца, 2 – электрический заряд, накапливаемый сенселем 2-ой строки 1-ого столбца, 3 – выпускающий «клапан» сенселя 2-ой строки 1-ого столбца, 4 – магистраль 1-ого столбца, 5 – усилитель 1-ого столбца («счётчик» следует за усилителем и не показан на схеме для удобства восприятия), 6 – обходной канал и дренажный «клапан» на нём, 7 – управляющая линия 2-ой строки, 8 – элемент управляющей схемы, подающий сигнал по управляющей линии выпускающим «клапанам» сенселей 2-ой строки.

Определю «открытие» и «закрытие» электронного затвора для КМОП-сенсора рассматриваемой конструкции. Момент времени, в который пустые светочувствительные элементы сенселей начинают накапливать порции электронов – это «открытие» электронного затвора. Момент времени, в который открывается выпускающий «клапан» – это «закрытие» электронного затвора.

Как Вы думаете, будет ли электронный затвор «закрываться» одновременно для всех сенселей? Будет ли экспозиция однородной по площади и во времени?

Ещё. Ранее я отмечал, что светочувствительные элементы накапливают порции электронов непрерывно, пока внутрь элементов проникают фотоны. Как происходит «открытие» электронного затвора? Предлагаю разобраться.

Отвечу на вопросы с помощью рисунка, иллюстрирующего принцип действия КМОП-сенсора с одним транзистором на сенсель:

Рис. 3. Принцип действия КМОП-сенсора с одним транзистором на сенсель. Показан сенсор, состоящий из 9-ти сенселей, организованных в 3-и столбца и 3-и строки. Вид сверху, со стороны распространения световых лучей в сторону светочувствительного сенсора. Создание изображения рассматривается за 6-ть условных шагов. Обозначения на рисунке: белые квадраты с чёрной рамкой – сенсели, жёлтые квадраты – светочувствительные элементы сенселей, оранжевые круги внутри жёлтых квадратов – накопленные электрические заряды, красные круги – закрытые выпускающие «клапаны», синие горизонтальные прямые – управляющие линии, открывающие-закрывающие выпускающие «клапаны», голубые прямоугольники – элементы управляющей схемы (синий прямоугольник – управляющий элемент, подающий сигнал к открытию «клапанов»), вертикальные трубки – магистрали, треугольники – усилители, серые круги – дренажные «клапаны», установленные на обходных каналах (белый круг внутри означает, что «клапан» открыт). 1 шаг – исходное состояние; все выпускающие «клапаны» закрыты; дренажные «клапаны» открыты, поэтому любые электрические заряды, которые направятся к усилителю будут пропущены (не будут «посчитаны»). 2 шаг – «открывается» электронный затвор: управляющая схема построчно подаёт сигнал к открытию выпускающим «клапанам», чтобы опустошить светочувствительные элементы сенселей к началу экспонирования (этот процесс называется сбрасыванием). Сигнал действует так. Пока управляющий элемент его подаёт, выпускающие «клапаны» сенселей в одной строке открываются, как только управляющий элемент перестаёт подавать сигнал, выпускающие клапаны «закрываются». Так как обходные каналы открыты, электроны минуют усилители и отправляются в дренаж. На схеме показано сбрасывание сенселей 2-ой строки. Сенсели 1-ой строки уже сброшены, накопление ими электрических зарядов, образующих изображение, началось. Сенсели 3-ей строки ещё не сброшены. 3 шаг – изображение экспонируется: происходит накопление электрических зарядов светочувствительными элементами сенселей; обходные каналы усилителей перекрываются. 4 шаг – «закрывается» электронный затвор: управляющая схема подаёт сигнал выпускающим «клапанам» сенселей 1-ой строки, «клапаны» открываются и накопленные порции электронов устремляются к усилителям. Последние обрабатывают каждый свою порцию электронов и передают её индивидуальному «счётчику». «Подсчёт» электрических зарядов из одной строки происходит одновременно3. 5 шаг – как только порции электронов, накопленные сенселями 1-ой строки «посчитаны», соответствующие выпускающие «клапаны» закрываются, и управляющая схема подаёт сигнал к открытию выпускающих «клапанов» сенселей 2-ой строки. Шаг повторяется до тех пор, пока не будут посчитаны электрически заряды, накопленные сенселями 3-ей строки. 6 шаг – открываются дренажные «клапаны», сенсор переходит в исходное состояние и готов создавать очередное изображение.

Обратите внимание, экспонирование начинается и заканчивается в различные моменты времени для каждой строки сенселей. Получается, что для каждой строки электронный затвор «открывается» и «закрывается» в разное время, но временной промежуток, в течение которого происходит накопление электрических зарядов сенселями одной строки остаётся равным для всех сенселей. То есть, сенсели и 1-ой, и 2-ой, и 3-ей строк экспонируются в течение одинакового промежутка времени. Соответственно, выполняется необходимое условие для того, чтобы экспозиция была однородной по площади, но из-за временной задержки между «срабатываниями» затвора для разных строк экспозиция едва ли будет однородной во времени. Чем это «выливается» на практике фотографа, расскажу чуть позже. В начале обозначу тот факт, что электронный затвор в рассматриваемой конструкции КМОП-сенсора не единственный, кто ведёт себя аналогичным образом.

Вспомните, как функционирует шторно-щелевой затвор. Первая «шторка» двигается равномерно вдоль светочувствительного сенсора, постепенно, строку за строкой, «обнажая» сенсели. Первая строка сенселей открывается световым лучам первой, в следующий момент времени, когда сенсели 1-ой строки уже накапливают порции электронов, вторая строка сенселей только открывается световым лучам, а третью и остальные строки сенселей ещё перекрывают ламели затвора. Через заданный промежуток времени (равный выдержке) вторая «шторка», также последовательно, как и первая, преграждает дорогу световым лучам к сенселям 1-ой строки. И так, строку за строкой закрывает все сенсели. Похоже на поведение электронного затвора в КМОП-сенсоре с одним транзистором на сенсель, верно? Как это влияет на изображение? Ответ на вопрос продемонстрирую.

Если снимаемый объект и фотоаппарат во время съёмки неподвижны, то форма изображаемого объекта соответствуют тем, которые человек видит непосредственно, глазами. Схема ниже иллюстрирует утверждение:

Рис. 4. Съёмка шара, лежащего неподвижно на горизонтальной поверхности, с помощью закреплённого фотоаппарата, в котором установлен КМОП-сенсор с одним транзистором на сенсель (или шторно-щелевой затвор). Слева – изображение снимаемой сцены, наблюдаемое фотографом в оптический видоискатель. Форма снимаемого шара сохраняется. Справа – изображение, сформированное светочувствительным сенсором. Форма шара, также, ожидаема.

Если снимаемый объект или фотоаппарат во время съёмки движется, то изображение объекта получается искажённым:

Рис. 5. Проявление временного параллакса. Фотографируется шар, катящийся слева направо по горизонтальной поверхности, с помощью закреплённого фотоаппарата, в котором установлен КМОП-сенсор с одним транзистором на сенсель (и\или шторно-щелевой затвор). Слева – изображение снимаемой сцены, наблюдаемое фотографом в оптический видоискатель. Справа – изображение, сформированное светочувствительным сенсором. Форма шара искажена и напоминает овал.

Рассмотренное явление называют эффектом скользящего затвора (на англ. rolling shutter effect) или временным параллаксом. Это явление отчётливо просматривается во время съёмки видеороликов на камеру, в которую установлен КМОП-сенсор, где «подсчёт» накопленных электрических зарядов происходит построчно. В контексте видеосъёмки явление получило название эффекта желе (на англ. jello effect)4.

Иллюстрация ниже объясняет причину явления.

Рис. 6. Схема, объясняющая эффект скользящего затвора. Снимаемый объект – шар, перемещающийся в кадре прямолинейно слева направо. Выдержка равна 1 секунде (столько времени в данном примере накапливаются электрические заряды сенселями одной строки). Вверху слева – изображение, наблюдаемое в оптический видоискатель, вверху справа – результат съёмки. Внизу – демонстрируется экспонирование снимаемой сцены, разделённое на 10 фаз. Для простоты и наглядности предполагается, что сенсели в светочувствительном сенсоре сгруппированы в 5 строк. Штриховой линией показано текущее положение шара относительно светочувствительного сенсора; фиолетовым цветом выделены номера строк, в которых сенсели в данный момент времени накапливают порции электронов, образующие изображение снимаемой сцены; сплошным сиреневым цветом выделена строка, сенсели которой в указанный момент времени изменяют своё состояние (например, сбрасывают электрические заряды или направляют их «счётчикам»); оранжевым цветом выделено создаваемое изображение шара. Для каждой фазы указано время, прошедшее с начала экспонирования. Фаза 1 (0 секунд) – «открывается» электронный затвор, начинается создание изображения; происходит сброс сенселей 1-ой строки, они накапливают порции электронов; сенсели 2-ой, 3-ей, 4-ой и 5-ой строк бездействуют. Фаза 2 (0,001 секунды) – шар смещается вправо; сенсели 1-ой строки продолжают накапливать порции электронов; происходит сброс сенселей 2-ой строки, и они начинают «закреплять» изображение той части шара, которая соответствует его положению относительно светочувствительного сенсора (в данном случае сенсели 2-ой строки находятся напротив верхушки шара); сенсели 3-ей, 4-ой и 5-ой строк бездействуют. Фаза 3 (0,002 секунды) – шар смещается вправо; сенсели 1-ой и 2-ой строк продолжают накапливать порции электронов; происходит сброс сенселей 3-ей строки, они начинают «закреплять» изображение средней части шара; сенсели 4-ой и 5-ой строк бездействуют. Фаза 4 (0,003 секунды) – продолжая движение, шар ещё смещается вправо; сенсели 1-ой, 2-ой и 3-ей строк продолжают накапливать порции электронов; происходит сброс сенселей 4-ой строки, они начинают «закреплять» изображение нижней части шара; сенсели 4-ой и 5-ой строк бездействуют. Фаза 5 (0,004 секунды) – шар смещается вправо; сенсели 1-ой, 2-ой, 3-ей и 4-ой строк продолжают накапливать порции электронов; происходит сброс сенселей 5-ой строки, они начинают «закреплять» изображение неподвижной горизонтальной поверхности. Шар продолжает движение, оставляя «след» на сенсоре. Фаза 6 (1 секунда) – «закрывается» электронный затвор; шар смещается вправо; электрические заряды, накопленные сенселями 1-ой строки, отправляются на «подсчёт»; сенсели 2-ой, 3-ей, 4-ой и 5-ой строк продолжают накапливать порции электронов. Фаза 7 (1,001 секунды) – шар смещается вправо; электрические заряды, накопленные сенселями 2-ой строки, отправляются на «подсчёт», экспонирование верхней части шара завершено; сенсели 3-ей, 4-ой и 5-ой строк продолжают накапливать порции электронов; сенсели 1-ой строки бездействуют. Фаза 8 (1,002 секунды) – шар смещается вправо; электрические заряды, накопленные сенселями 3-ей строки, отправляются на «подсчёт»; экспонирование средней части шара завершено; сенсели 4-ой и 5-ой строк продолжают накапливать порции электронов; сенсели 1-ой и 2-ой строк бездействуют. Фаза 9 (1,003 секунды) – шар смещается вправо; электрические заряды, накопленные сенселями 4-ой строки, отправляются на «подсчёт»; экспонирование шара завершено; сенсели 5-ой строки продолжают накапливать порции электронов; сенсели 1-ой, 2-ой и 3-ей строк бездействуют. Фаза 10 (1,004 секунды) – создание изображения завершается; шар смещается вправо; электрические заряды, накопленные сенселями 5-ой строки, отправляются на «подсчёт»; сенсели 1-ой, 2-ой, 3-ей и 4-ой строк бездействуют. Указывая время начала очередной фазы, я предполагал, что сбрасывание или «считывание» электрических зарядов сенселями одной произвольной строки происходит за 1/1000 секунды (1 миллисекунду). Тем самым я хочу показать, оба процесса могут происходить быстрее, чем экспонирование снимаемой сцены. В реальных конструкциях КМОП-сенсоров сбрасывание и «считывание» происходит на несколько порядков быстрее.

Эффект скользящего затвора проявляется в съёмке с импульсными источниками света (например, накамерными вспышками) как движущихся, так и неподвижных объектов. Импульс может приходится на тот момент времени, когда электронный затвор «открывается», другими словами, когда лишь часть сенселей сброшена. В итоге, на части фотографии снимаемая сцена «зафиксируется» в тот временной промежуток, в который сцена освещается импульсным источником света. На остальной части снимка снимаемая сцена будет запечатлена, когда импульсный источник света ещё не сработал или уже сработал. Как следствие, экспозиция получится неравномерной по площади кадра. На фотографии неравномерность проявится так же, как в случае, когда текущая выдержка короче, чем выдержка синхронизации, и съёмка ведётся с помощью фотоаппарата со шторно-щелевым затвором, а снимаемая сцена освещается импульсным источником света. За иллюстрацией обратитесь к рисунку 3 в одной из предыдущих статей.

Подведу промежуточный итог.

Даже простая конструкция КМОП-сенсора позволяет реализовать электронный затвор полностью. Применение механических затворов не требуется, поэтому КМОП-сенсоры можно использовать не только в фотографии, но и видеографии. Из-за последовательного сбрасывания и «считывания» накопленных сенселями электрических зарядов и отсутствия внутренней памяти (буфера) в каждом сенселе экспозиция получаемых изображений неоднородна по времени. Тот же эффект возникает в съёмке с помощью фотоаппаратов, в которых применяется шторно-щелевой затвор.

Неоднородность экспозиции по времени является следствием временного параллакса. Он возникает в съёмке движущихся объектов (или при перемещении фотоаппарата в процессе экспонирования) и проявляется на фотографии в виде искажения формы снимаемых объектов. Для некоторых съёмочных ситуаций (например, при съёмки прямолинейного движения вдоль плоскости светочувствительного сенсора) искажённое изображение можно восстановить на этапе обработки. В тех ситуациях, в которых снимаемый объект движется вокруг некоторой оси (например, вращение вентилятора или лопастей вертолёта), изображение едва ли поддаётся восстановлению.

Эффект скользящего затвора характерен не только КМОП-сенсору с одним транзистором на сенсель, но и КМОП-сенсорам с двумя и тремя транзисторами на сенсель. Таким образом, эффект свойственен тем светочувствительным сенсорам, накопленные электрические заряды в которых не буферизуются (сохраняются в памяти) перед «подсчитыванием».

Электронный затвор, который как «открывается», так и «закрывается» построчно – одновременно для всех сенселей одной строки – получил название скользящего затвора (на англ. rolling shutter).

В завершении настоящей статьи кратко опишу устройство КМОП-сенсора с тремя транзисторами на сенсель и сравню с рассмотренной конструкцией.

Один из трёх транзисторов, установленных в каждом сенселе такого сенсора, играет роль усилителя (на англ. source follower). Усилитель функционирует таким образом, что усиливаемый, исходный, электрический заряд остаётся внутри сенселя. Поэтому устанавливается ещё один транзистор, который берёт на себя роль дренажного «клапана» (на англ. reset switch): освобождает светочувствительный область и в, целом, внутреннюю схему сенселя от накопившегося электрического заряда. Получается, что каждый сенсель обустроен индивидуальным усилителем и элементом, выполняющий функцию обходного канала. Соответственно, отпадает необходимость в усилителях и обходных каналах для каждого столбца сенселей. Зачем инженеры усложняют устройство КМОП-сенсора?

Применение индивидуальных усилителей позволяет уменьшить уровень шума. При прохождении накопленного электрического заряда от сенселя к «счётчику» объём заряда искажается. Сила искажения (величина ошибки) практически постоянна, поэтому целесообразно увеличить объёма заряда, чтобы ошибочное изменение порции электронов, передаваемой от сенселя к «счётчику», было минимальным.

Именно по причине высокого уровня шума, вызванного «транспортными издержками», КМОП-сенсоры с одним транзистором на сенсель применяются в настоящее время редко. При этом, такие сенсоры просты в изготовлении (в каждом сенселе всего два элемента), а светочувствительный элемент занимает наибольшую часть сенселя, что положительно сказывается на чувствительности и динамическом диапазоне сенсора.

Устройство КМОП-сенсоров тремя транзисторами сложнее: каждый сенсель уже состоит из минимум четырёх элементов. Также, добавляется ещё одна управляющая линия, теперь их две. Одна выводит накопленную порцию электронов к «счётчику», другая – инициирует сбрасывание порции. Размеры сенселя остаются прежними, а количество внутренних элементов возрастает, поэтому площадь светочувствительной области может уменьшаться, что приводит к снижению чувствительности и сужению динамического диапазона сенсора.5

Светочувствительные сенсоры, в сенселях которых происходит обработка накопленной порции электронов (в данном случае, её усиление) называют сенсорами с активным сенселем (на англ. active pixel sensor, аббр. APS). В частности, КМОП-сенсор с тремя транзисторами на сенсель относится к рассматриваемой группе сенсоров. Соответственно, активным сенселем называют элемент светочувствительного сенсора, в пределах которого накопленный электрический заряд подвергается какому-либо изменению (например, усилению).

Далее рассмотрю особенности реализации электронного затвора в КМОП-сенсорах с четырьмя транзисторами на сенсель. Также, обозначу особенности 5-ти транзисторного КМОП-сенсора и современные тенденции в реализации электронных затворов в КМОП-сенсорах, влияние тенденций на практику фотографа.

Примечание:

1 Транзистор – это элемент электронных схем, который может выполнять различные функции. Одну из распространённых функций назову «клапаном». Пусть «труба» – это путь следования электронов – частичек, обладающих энергией. Если «клапан» закрыт, то электроны «подступают» к «клапану», но не текут по «трубе» дальше. Если «клапан» открыт, то электроны свободно минуют «клапан». Последний открывается и закрывается при определённых условиях. «Клапан» соединён с другой, соседней, «трубой». Если в соседней «трубе» есть электроны, «клапан» открывается. Если в соседней «трубе» нет электронов, то «клапан» остаётся закрытым. По сути я описал случай, когда транзистор выполняет функцию реле. Ещё, транзистор может усиливать какую-то характеристику электрического тока. Наибольшая часть современных электронных устройств, в том числе цифровые фотоаппараты, основаны на транзисторах. Обратно к тексту.

2 Например, в ПЗС любой конструкции сенсель является пассивным, потому что занимается только накоплением порций электронов. Обработка электрического заряда (усиление, оцифровывание и так далее) происходит за пределами сенселя. Обратно к тексту.

3 Рассматривая КМОП-сенсоры в настоящей, пятой, части серии «Основы фотографии», я предполагаю, что «счётчиков» – в сенсоре реализовано несколько аналогово-цифровых преобразователей, а именно по одному на каждый столбец сенселей. Реальность же разнообразней. В настоящее время существуют и применяются конструкции КМОП-сенсоров, в которых подсчётом накопленных порций электронов занимается один аналогово-цифровой преобразователь. Рассматривая ПЗС я, наоборот, предполагал, что используется один аналогово-цифровой преобразователь. На деле их может быть несколько, например, два или четыре на 40 миллионов сенселей. Обратно к тексту.

4 Эффект наглядно демонстрируется в  видеозаписи гитарного грифа в момент игры. Эффект даже стал темой инсталляции и возможностью для самовыражения в визуальных образах. Также, попробуйте понаблюдать эффект желе самостоятельно: снимите видеоролик с помощью камеры, встроенной в мобильное устройство, быстро перемещая последнее влево-вправо во время съёмки. Если в камеру установлен КМОП-сенсор рассматриваемой или подобной конструкции, то Вы увидите волнообразное дрожание картинки. Если снимать на видео вращение вентилятора или пропеллера вертолёта, то снимаемый объект искажается настолько сильно, что изображение теряет сходство с реальным объектом.

Во всех примерах фотография будет отражать аналогичные искажения. Найдите соответствующие примеры самостоятельно, например, используя поисковый запрос «rolling shutter effect». А здесь, Вы можете посмотреть на одну из самых первых фотографий, отражающую эффект «перекатывающегося» затвора. Она создана Жаком Анри Лартигом (Jacques Henri Lartigue) в 1912 году. Обратно к тексту.

5 Современные ситуации разнообразны. Конструкторы светочувствительных сенсоров, и в целом микросхем, с каждым годом осваивают более точные процессы производства. Поэтому в КМОП-сенсорах становится возможным сохранить размеры светочувствительного элемента большими относительно размеров сенселя. Так, когда применяется процесс с точностью 25 микрометров, светочувствительный элемент в сенселе КМОП-сенсора с тремя транзисторами на сенсель может занимать около 70% сенселя, а в сенселе КМОП-сенсора с пятью транзисторами на сенсель – около 40%. Когда же применяется процесс с точностью 18 микрометров, площадь светочувствительной области в КМОП-сенсоре с пятью транзисторами на сенсель занимает около 80%. Таким образом, КМОП-сенсор усложняется, соответственно его функциональность возрастает, а такие характеристики как чувствительность и динамический диапазон остаются примерно на том же уровне, не уменьшаются.

В большинстве ситуаций, чтобы компенсировать ухудшение важнейших характеристик сенсора из-за уменьшения размеров светочувствительного элемента, как и в случае с ПЗС, инженеры устанавливают в КМОП-сенсоры микролинзы. Побочные эффекты применения микролинз в КМОП-сенсорах такие же, как и в ПЗС. Обратно к тексту.

06/08/2015    Просмотров : 18132    Источник: photo-monster.ru    Автор: Марк Лаптенок
Версия для печати Рекомендовать статью

Комментарии: 8

  • Осталось символов: 5000
    Формат JPG Удалить
    Ожидаем загрузку изображений
  • Андрей124 24 Сентября 2015 - 23:52:53

    Доброго времени суток. Извините за критику но статьи становятся менее интереснее. Даже по коментам, их стали писать еденицы. Статья называестя ОСНОВЫ ФОТОГРАФИИ, что как я предпологаю, расчитаны для широкого круга читателей. Но автор пошел уже изучать физику. Такое ощущение, что текст копируется с книг.
    Еще раз прошу прощения за критику.


    • Марк Лаптенок 25 Сентября 2015 - 09:01:51

      Здравствуйте. Я Вас услышал.


  • Алексеич 6 Августа 2015 - 20:56:49

    Пожалуйста ответе, будет возможность участникам скачивать ваши уроки?


    • Марк Лаптенок 6 Августа 2015 - 23:09:56

      Здравствуйте. Смотрите мой комментарий ниже.


  • Бортник 6 Августа 2015 - 19:04:54

    Позвольте у Вас спросить.
    Зачем убрали функцию скачать в pdf?
    Мне было очень удобно скачивать себе в читалку, и потом спокойно, не спеша читать полученный материал не будучи привязанным к компьютеру.


    • Марк Лаптенок 6 Августа 2015 - 23:09:38

      Здравствуйте. Я не знаю, что произошло с функцией. Я передал, в частности, Вашу просьбу редактору. О просьбе уже знает руководитель "Фото-Монстра". Наберитесь терпения. Также, Вы можете установить специальный плагин для Вашего браузера, чтобы преобразовывать html-страницы в PDF и сохранять последние к себе на компьютер. Например, я пользуюсь для этих целей Print Friendly & PDF для Google Chrome.


  • VarEmreis 6 Августа 2015 - 17:17:36

    Выходит эра шторно-щелевых и лепестковых затворов скоро подойдет к концу?


    • Марк Лаптенок 6 Августа 2015 - 23:10:28

      Здравствуйте. На мой взгляд, да.


Еще уроки из рубрики "Все основы"

16 способов улучшить свои навыки съёмки

Очевидно, что мы все хотим улучшить наши навыки в фотографии. В конце концов, если вы кликнули по этому заголовку, полагаю, вам действительно интересно узнать, как фотографировать...

Читать дальше
21/09/2017. Основы — Все основы. Перевод: Алексей Шаповал
13 070
6

Методы экспонирования. Какой выбрать?

Правильная экспозиция важна для любого вида фотографии. Но что лучше – когда гистограмма равномерно распределена в форме колокола, концентрируется в правой части...

Читать дальше
28/09/2017. Основы — Все основы. Перевод: Алексей Шаповал
8 785
5

Влияние палитры на внешний вид и ощущения

Одно из самых фундаментальных решений при съемке – будет ли фото цветным или черно-белым. В более ранний период пленочной фотографии это решение нужно было принимать заранее...

Читать дальше
31/07/2017. Основы — Все основы. Перевод: Алексей Шаповал
4 104
0

Что такое плоский свет?

Фотографы часто используют совершенно непонятный для обычных людей язык. Это секретный шифр, благодаря которому окружающие не знают, что происходит в нашем особом мире. На...

Читать дальше
27/07/2017. Основы — Все основы. Перевод: Алексей Шаповал
11 006
4

RAW против JPEG: Полное руководство

Я хочу представить свою попытку написать единственную статью, которая будет нужна для понимания разницы между JPEG и RAW. Надеюсь, вы получите достаточные знания и сможете...

Читать дальше
07/07/2017. Основы — Все основы. Перевод: Алексей Шаповал
14 823
10

Основы фотографии. Оглавление

Здесь вы найдёте оглавление всех статей из серии «Основы фотографии», краткое содержание и ключевые слова...

Читать дальше
01/02/2011. Основы — Все основы. Автор: Марк Лаптенок
12 462
0

Наверх
Орфографическая ошибка в тексте:
своими руками В этом уроке рассказывается, как сделать складной софтбокс размером 40х40 см, который похож на

Послать сообщение об ошибке администратору? Ваш браузер останется на той же странице.

Ваше сообщение отправлено. Спасибо!

Окно закроется автоматически через 3 секунды