Основы фотографии # 5.14

В предыдущей статье я рассмотрел простейшую конструкцию КМОП-сенсора. Такая конструкция, ровно как и её «последователь» – КМОП-сенсор с тремя транзисторами на сенсель, позволяет реализовать электронный затвор полностью. Здесь КМОП-сенсор обладает преимуществом перед ПЗС, так как простейшая конструкция последнего едва ли может обойтись без применения электромеханического затвора. Тем не менее, рассмотренные конструкции КМОП-сенсоров едва ли могут обеспечить однородную по времени экспозицию, что ограничивает их использование в съёмке движущихся объектов или фотографировании «с рук», когда фотоаппарат едва ли закреплён неподвижно, а также в съёмке с импульсными источниками света.

В настоящей статье я подробно рассмотрю конструкцию КМОП-сенсора с четырьмя транзисторами на сенсель. Это простейшая конструкция, которая позволяет не только полностью реализовать электронный затвор, но и обеспечить однородность экспозиции по времени. Также, я коснусь конструкции, где каждый сенсель содержит пять транзисторов.

КМОП-сенсор с четырьмя транзисторами на сенсель (CMOS 4T)

Прежде чем описать устройство и принцип действия КМОП-сенсора рассматриваемой конструкции, уточню особенности предшествующей – КМОП-сенсора с тремя транзисторами на сенсель.

В КМОП-сенсоре с тремя транзисторами на сенсель «счётчику» едва ли передаётся электрический заряд, накопленный светочувствительным элементом. Транзистор, который играет роль усилителя, (обозначу транзистор первым) выполняет свою функцию особенным образом: не усиливает уже существующий электрический заряд, а ставит в соответствие одному электрическому заряду – другой. По сути, передаётся на сам электрический заряд, а информация, сопоставимая с объёмом электрического заряда, которая позволяет оценить, сколько электронов накопил светочувствительный элемент за заданный промежуток времени. Согласитесь, в большинстве случаев удобнее показать наблюдателю фотографию человека, чем показать сфотографированного человека, если тот находится за сотни километров от наблюдателя.

Раз порция электронов, накопленная светочувствительным элементом, остаётся в пределах сенселя, что с порцией происходит, когда она «посчитана»? Она отправляется в дренаж, другими словами, сенсель сбрасывается. Выполняет процедуру второй транзистор, играющий роль дренажного «клапана».

Третий транзистор, как и прежде, играет роль выпускающего «клапана». В КМОП-сенсоре с тремя транзисторами, он выпускает не порцию электронов, накопленную светочувствительным элементом, а электрический заряд, продуцируемый с помощью транзистора-усилителя.

Теперь в сенсель добавляется ещё один транзистор – четвёртый – и вспомогательный элемент – «ёмкость» – который используется для хранения электрического заряда, накопленного светочувствительным элементом. Транзистор играет роль запирающего «клапана» (на англ. transfer gate).

Сенсель в рассматриваемой конструкции КМОП-сенсора похож на двухкомнатную квартиру. В первой комнате находится светочувствительный элемент, во второй комнате – четыре элемента: дренажный «клапан», «ёмкость», усилитель и выпускающий «клапан». Обе комнаты соединены с помощью «межкомнатных дверей» – запирающего «клапана». В одной комнате электрический заряд производится, в другой комнате – хранится, обрабатывается и отправляется «счётчику». Запирающий «клапан» позволяет разделить эти процессы во времени, разъединяя (запирая) или соединяя светочувствительный элемент и «ёмкость» в на определённые промежутки времени. Вспомните, накоплении электронов светочувствительным элементом происходит непрерывно, а отправлять электрический заряд «счётчику» необходимо в заданный момент времени.

«Ёмкость», по сути, является буфером, памятью. Таким образом, каждый сенсель в КМОП-сенсоре с четырьмя транзисторами на сенсель не только обрабатывает накопленную порцию электронов (в данном случае, усиливает), но и способен «запомнить» её.

Рис. 1. Схема, демонстрирующая устройство сенселя КМОП-сенсора с четырьмя транзисторами на сенсель. Обозначения на рисунке: 1 – светочувствительный элемент, 2 – запирающий «клапан», 3 – управляющая линия запирающего «клапана», 4 – дренажный «клапан», 5 – управляющая линия дренажного «клапана», 6 – выпускающий «клапан», 7 – управляющая линия выпускающего «клапана», 8 – магистраль, по которой электрический заряд направляется к «счётчику», 9 – усилитель, 10 – «ёмкость».

Рис. 2. Схема, демонстрирующая устройство КМОП-сенсора с четырьмя транзисторами 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 – магистраль 1-ого столбца, 4 – управляющие линии 2-ой строки, 5 – элемент управляющей схемы, подающий сигнал по управляющим линиям выпускающим, дренажным и запирающим «клапанам» сенселей 2-ой строки, 6 – «счётчик» 1-ого столбца.

Рассмотрев устройство КМОП-сенсора с четырьмя транзисторами на сенсель, продемонстрирую принцип действия такого сенсора. С помощью иллюстрации и описания к ней покажу, как реализуется электронный затвор в сенсорах подобной конструкции.

Рис. 3. Принцип действия КМОП-сенсора с четырьмя транзисторами на сенсель. Сенсор состоит 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 со штриховой чёрной рамкой – светочувствительные элементы сенселей, жёлтые квадраты со сплошной чёрной рамкой – «ёмкости», оранжевые круги внутри жёлтых квадратов – накопленные электрические заряды, красные круги – закрытые выпускающие «клапаны» (белый круг внутри означает, что «клапан» открыт), синие круги – закрытые запирающие «клапаны», зелёные круги – закрытые дренажные «клапаны», синие горизонтальные прямые – управляющие линии, открывающие-закрывающие выпускающие, дренажные и запирающие «клапаны», голубые прямоугольники – элементы управляющей схемы (синий прямоугольник – управляющий элемент, подающий сигнал к открытию «клапанов»), вертикальные трубки – магистрали, треугольники – усилители. 1 шаг – исходное состояние; все выпускающие «клапаны» закрыты; дренажные и запирающие «клапаны» открыты, поэтому электроны, непрерывно высвобождающиеся в светочувствительных элементах под действием фотонов, «стекают» в дренаж. 2 шаг – «открывается» электронный затвор, а именно все дренажные «клапаны» закрываются по сигналу управляющей схемы; электроны, высвобождающиеся в светочувствительных элементах, перемещаются через открытые запирающие «клапаны» в «ёмкости». 3 шаг – электронный затвор «закрывается», а именно управляющая схема одновременно подаёт сигналы запирающим «клапанам» к закрытию. Перемещения высвобожденных электронов прекращается, «ёмкости» больше не пополняются и теперь содержат, по сути, созданное изображение. 4 шаг – управляющая схема подаёт сигналы выпускающим «клапанам» 1-ой строки, чтобы отправить сохранённые электрические заряды к «счётчикам». Когда выпускающие «клапаны» открыты, электрические заряды, хранящиеся в «ёмкостях», порождают с помощью индивидуальных усилителей бОльшие электрические заряды, которые отправляются на «подсчёт». 5 шаг – закрываются выпускающие «клапаны» сенселей 1-ой строки, затем открываются выпускающие «клапаны» сенселей 2-ой строки. Шаг повторяется для 2-ой и 3-ей строк, соответственно. Так, построчно, оцениваются электрические заряды. 6 шаг – все электрические заряды «посчитаны»; по сигналу управляющей схемы открываются все дренажные «клапаны», чтобы опустошить «ёмкости», и запирающие «клапаны», чтобы электроны, непрерывно высвобождающиеся в светочувствительной области, беспрепятственно «стекали» в дренаж. Сенсор возвращается в исходное состояние и готов создавать новое изображение.

Обратите внимание, электронный затвор «открывается» и «закрывается» одновременно для всех сенселей. В итоге, экспозиция будет однородной по времени. Соответственно, временной параллакс (или эффект скользящего затвора) и искажения изображения, вызываемые этим явлением, в КМОП-сенсоре с четырьмя транзисторами на сенсель едва ли будут наблюдаться. Электронный затвор, который как «открывается», так и «закрывается» для всех сенселей одновременно получил название глобального затвора (на англ. global shutter).

В ПЗС с буферной зоной, по умолчанию, реализован глобальный затвор. А физическое устройство двух рядом стоящих в одной строке сенселей в ПЗС с межстрочной буферной зоной напоминает физическое устройство светочувствительной области и запирающего «клапана» в КМОП-сенсоре рассматриваемой конструкции.

Будет ли экспозиция дополнительно однородной по площади? В теории, да, будет. В реальности экспозиция может быть неоднородной в той или иной степени. Могут происходить два явления, которые искажают электрические заряды, хранимые в «ёмкостях». Во-первых, как и в случае с ПЗС с межстрочной буферной зоной возможны «протечки» электронов через закрытый запирающий «клапан» из светочувствительной области в «ёмкость». Особенно сильными «протечки» могут быть в тех сенселях, которые во время съёмки облучаются интенсивно (например, фиксируют фотоны, испускаемые ярким источником света или бликующей поверхностью снимаемого объекта). На фотографии это явление проявляется в виде эффекта, называемого блюмингом (на англ. blooming). Выглядит оно как «растекание» очень светлых областей фотографии. Во-вторых, индивидуальные усилители вносят индивидуальные искажения в «усиливаемый» электрический заряд. Например, усилитель сенселя 1-ой строки 1-ого столбца может 10 электронов «превратить» в 100 электронов, а усилитель 1-ой строки 2-ого столбца ту же накопленную порцию электронов (10 штук) – в 105 электронов.

С первым фактом инженеры справляются методом, аналогичным методу, применяемому в случае с ПЗС с межстрочной буферной зоной: аккуратно проектируют расположение элементов в сенселе и повышают точность изготовления светочувствительного сенсора. Также, добавляют ещё один транзистор, играющий роль личного дренажного «клапана» для светочувствительного элемента. В такой конструкции «протечки» электронов значительно меньше, чем в рассмотренной конструкции КМОП-сенсора.

Со вторым фактом1 инженеры справляются, используя следующим приём. После изготовления конкретного экземпляра сенсора, инженер выполняет калибровку. В неё входит выяснение особенностей каждого усилителя. После того, как выяснено поведение усилителя (она постоянно), информация об особенностях сохраняется в постоянную память, расположенную в служебной части КМОП-сенсора. Во время функционирования светочувствительного сенсора в момент, когда электрический заряд, произведённый в конкретном сенселе, «подсчитывается», управляющая схема принимает во внимание известные особенности усилителя, встроенного в рассматриваемый сенсель, и корректирует результат «подсчёта». Этот приём является частным случаем техники, называемой коррекцией изображения по площади (на англ. flat-field correction, аббр. FFC).

Завершая описание устройства и принципа действия КМОП-сенсора с четырьмя транзисторами на сенсель, подведу промежуточный итог. После коротко обозначу особенности КМОП-сенсора с пятью транзисторами на сенсель и возможности КМОП-сенсоров с шестью, семью транзисторами на сенсель.

КПОМ-сенсор с четырьмя транзисторами на сенсель отличается от своего трёхтранзисторного «предшественника» наличием памяти (буфера) внутри каждого сенселя. Она реализуется с помощью запирающего «клапана» и «ёмкости». Запирающий «клапан» регулирует соединение светочувствительного элемента сенселя с соответствующей ему «ёмкостью».

Благодаря наличию памяти в каждом сенселе в КМОП-сенсоре с четырьмя транзисторами на сенсель полностью реализуется электронный затвор, который, при этом, является глобальным. Явление временного параллакса со всеми вытекающими последствиями едва ли возникает. Как следствие, качество изображения возрастает, повышается удобство применения КМОП-сенсора рассматриваемой конструкции не только в фотоаппаратах, но и в видеокамерах.

За счёт добавления новых элементов в сенсель размеры светочувствительного элемента могут уменьшаться. Поэтому применение микролинз для «поддержания» чувствительности сенсора остаётся актуальным. Также, с уменьшением размеров светочувствительного элемента сужается динамический диапазон сенсора. Чтобы сохранить высокий уровень характеристик светочувствительного сенсора, инженеры используют более точный процесс изготовления, при котором размеры светочувствительного элемента увеличивается, а размеры вспомогательных элементов в сенселе уменьшаются. Благодаря этому, в последнее 5-7 лет становится едва различимой разница в качестве создаваемого изображения КМОП-сенсорами и некоторыми конструкциями ПЗС. КМОП-сенсоры всё активнее используются в фотоаппаратах, позиционируемых их производителями как профессиональные инструменты. Так, в цифровой камере среднего формата 645Z, выпущенной на рынок компанией Pentax в 2014 году, используется КМОП-сенсор, а не привычный для камер такого класса ПЗС. В современных цифровых задниках, производимых под маркой Phase One, для применения совместно с камерами среднего и большого форматов, также, устанавливают КМОП-сенсоры. Применение ПЗС смещается в те области, в которых требуется максимальное качество изображения, в частности, высочайшая чувствительность. К таким областям, например, относятся научные исследования.

В завершении настоящей статьи рассмотрю КМОП-сенсор с пятью транзисторами на сенсель.

Как я отметил выше, КМОП-сенсор приобретает ещё один транзистор, который играет роль дренажного «клапана». Теперь получается, что запирающий «клапан» разделяет два пространства: в одном находится светочувствительный элемент и его дренажный «клапан», в другом усилитель, выпускающий «клапан», «ёмкость» и её дренажный «клапан». Помимо того, что наличие дренажного «клапана», индивидуального для светочувствительного элемента, способствует уменьшению блюминга, пятый транзистор позволяет увеличить производительность сенсора, а именно уменьшить паузу между экспозициями.

Также, на базе 5-ти транзисторного КМОП-сенсора инженеры реализуют для конечного пользователя возможность выбора: задействовать скользящий или глобальный затвор.

Существуют КМОП-сенсоры с шестью и восьмью транзисторами на сенсель. Например, последняя конструкция позволяет выполнить сложную обработку электрического заряда внутри сенселя, существенно уменьшающую уровень шума.

В следующей статье я подведу итог первого раздела пятой части «основ». Сведу воедино всё, что сообщил о шторно-щелевых, лепестковых и электронных затворах, приведу в наглядной форме сравнительную характеристику затворов.

Примечание:

1 Явление присуще любому КМОП-сенсору с активным сенселем вне зависимости от количества транзисторов. Обратно к тексту.

10/08/2015    Просмотров : 20537    Источник: photo-monster.ru    Автор: Марк Лаптенок
Версия для печати

Комментарии: 4

  • Осталось символов: 5000
    Формат JPG Удалить
    Ожидаем загрузку изображений

  • Бортник 7 Сентября 2015 - 00:54:11

    Прекрасно скачивается расширением.
    Завидую Вашим студентам.


    • Марк Лаптенок 20 Сентября 2015 - 10:10:58

      Здравствуйте! Я рад. Благодарю за комплимент. Если Вы хотите, и у Вас есть необходимость в пополнении знаний и развитии навыков через занятия с инструктором-преподавателем, напишите мне, Вы можете стать участником моих занятий.


  • Валентина_Борисовна 10 Августа 2015 - 16:38:58

    Спасибо!


    • Марк Лаптенок 10 Августа 2015 - 16:52:49

      Здравствуйте, Валентина! Пожалуйста.


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
11 254
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
22 402
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
38 089
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
15 690
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
14 323
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
18 454
2

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