Камерофон як цифровий фотоапарат - ази пристрою

Як влаштована фотографічна половинка камерофон? Що таке сенсор? Як він працює? В принципі, без цих необов'язкових знань можна обійтися.

Цифровий фотоапарат, як і багато чудових електронні штучки, що оточують нас, справа рук інженерів компанії Sony. На початку 80-х років в надрах цієї новаторської корпорації з'явився на світ проект Mavica. Підсумком досліджень мав стати тривимірний сканер, здатний оцифровувати об'ємні зображення. Вихідна технологія оцифровки двомірних зображень вже існувала і застосовувалася досить широко. Звичайний планшетний (барабанний, ручний - неважливо) сканер складається з набору світлочутливих напівпровідникових елементів, збудованих в лінійку, оснащених мініатюрними об'єктивами і лампою підсвічування. Сканування плоского оригіналу (аркуша паперу з малюнком або текстом) проводиться по рядках та послідовно. Лінійка розташовується під сканируемой поверхнею оригіналу. Лампа освітлює лист, світловий потік відбивається від поверхні оригіналу і фокусується мікрооб'ектіва на поверхні світлочутливих електронних елементів. У перехідному шарі напівпровідника виникає слабкий електричний струм. Чим вище яскравість світла, тим більше струм. Цей сигнал посилюється і надходить в АЦП, де перетворюється в цифровий двійковий код, послідовність логічний нулів і одиниць. Після сканування вузької смуги оригіналу лінійка зсувається кроковим двигуном і процес сканування повторюється. Таким чином, загальне зображення будується з окремих відсканованих рядків.

Кожен елемент сканера забезпечений оптичною системою. Дуже схоже на мікроскопічний фотоапарат, тільки кут сканування дуже малий - на поверхні світлочутливого елемента фокусується зображення всього однієї точки. А якщо зібрати світлочутливі елементи не в вузьку лінійку, а в прямокутну матрицю? І розташувати отриманий набір в кадровому вікні плівкового фотоапарата? Вийде той самий тривимірний сканер, над яким працювали інженери Sony.

Теоретично завдання виглядає елементарно просте. На практиці вона виявилася настільки важкореалізовуваної, що на розробку технології пішли багато років. Тут виникає цілий ряд дуже непростих проблем. По-перше, елементи матриці повинні бути таких розмірів, які були б хоча б порівняти з розміром зерен фотоемульсії звичайної фотоплівки на основі галогенідів срібла. По-друге, самих елементів має бути достатня кількість, щоб забезпечити прийнятне дозвіл. При цьому розміри самої матриці повинні бути якомога більше, щоб скористатися оптикою для узкоплёночних камер. Далі - отримане зображення повинне бути напівтоновим, тобто сенсор повинен розрізняти не тільки світлі і темні ділянки зображення, але і градації між абсолютно чорним і абсолютно білим. Мінімальна кількість градацій не менше 16, тобто оцифровка повинна бути не менше, ніж 4-розрядної. Але більш-менш прийнятна картинка виходить при 8-розрядної оцифрування, коли кожен елемент монохромного зображення може мати якусь з 64 градацій сірого кольору.

Сьогодні в цифровий знімальному техніці застосовуються сенсори двох типів - ПЗС (прилад із зарядним зв'язком, в англійському варіанті виходить абревіатура CCD) і КМОП (комплементарний метал-окисел-напівпровідник, в англійському варіанті CMOS). Перші, ПЗС, більш складні у виробництві, мають високою світлочутливістю і точністю оцифровки зображень, другі, КМОП, більш технологічні, а тому вважаються найбільш перспективними. Однак сенсори КМОП, що застосовуються в аматорській апаратурі початкового рівня і в камерофонах, мають невисоку світлочутливість і дозвіл (хоча в дорогі напівпрофесійні камери, на зразок Canon EOS 350D, встановлюють сенсори, побудовані саме за цією технологією). Чому ж в камерофонах не використовуються сенсори ПЗС? Причина в особливостях пристрої самих сенсорів.

Сенсор КМОП - це матриця світлочутливих елементів, кожен з яких представляє собою крихітний напівпровідниковий елемент (польовий транзистор), що змінює свої параметри в залежності від яскравості падаючого на його поверхню світла. Кількість елементів в матриці визначає дозвіл сенсора, тобто в сенсорі дозволом 350 тис. Пікселів (що дорівнює вирішенню VGA - 640х480 пікселів) приблизно стільки ж світлочутливих осередків. Насправді їх трохи більше, оскільки частина осередків виходить за межі кадрової рамки і в побудові знімка не використовується. Сенсор КМОП споживає електроенергію тільки в момент експозиції (транзистори змінюють свій стан на відкрите або закрите тільки під впливом світлового потоку), тому економічний і не вимогливий до джерел енергії. Разом з тим осередку матриці КМОП крупней осередків ПЗЗ і світлочутливість їх нижче (оскільки на поверхні матриці розташовуються не тільки транзистори, але напівпрозорі металеві провідники).

Кожна осередок сенсора ПЗС є тришарову конструкцію з напівпровідникової підкладки, ізолюючого шару оксиду і металевого електрода. До електродів постійно підводиться електричний струм, величина якого змінюється під впливом світлового потоку. Ці зміни зчитуються контролером сенсора, обробляються процесором, який на основі цих сигналів будує картинку. Сенсор ПЗЗ влаштований набагато складніше сенсора КМОП. Крім світлочутливих осередків (вони називаються стеками накопичення), на поверхні матриці розташовуються спеціальні осередки (стеки) зберігання і транспортування сигналів (регістри вертикального зсуву). Якщо сенсор КМОП в найпростіших камерах (і, до речі, в камерофонах) не вимагає застосування механічного затвора - контролер просто зчитує миттєве стан осередків засвіченою матриці, в сенсорі ПЗС затвор необхідний. Справа, знову ж таки, в особливостях пристрою сенсорів ПЗС. Існує три види світлочутливих матриць на основі елементів із зарядним зв'язком. Перший вид - матриці з порядковим переносом зарядів. На них стеки накопичення і стеки зберігання розташовані в безпосередній близькості. Виникаючі на електродах стеків накопичення електричні заряди переміщаються в стеки зберігання, що представляють собою такі ж осередки, але прикриті светоизолирующих шаром, а потім заряди по регістрах вертикального зсуву надходять в вихідний підсилювач матриці. Якщо світловий потік буде опромінювати поверхню такого сенсора постійно, то збережені і тільки що виникли заряди будуть змішуватися і картинки не вийде. Тому сенсорам з рядковим переносом зарядів потрібно фотозатвор, що обмежує час експозиції.

Сенсори іншого виду - з покадровим перенесенням - влаштовані дещо інакше. У них світлочутливі осередки пов'язані ні з регістрами зберігання, а безпосередньо з регістрами вертикального зсуву. По регістрах електричні заряди потрапляють в регістри зберігання, розташовані по краях поверхні сенсора. Оскільки процес перенесення зарядів займає деякий час, заряди не встигають змішуватися. Такий матриці фотозатвор не потрібен. Але в фотоапаратах лише зрідка застосовуються сенсори з порядковим переносом зарядів і майже ніколи з покадровим. Чому? Тому що сенсор першого виду не дозволяє використовувати вбудований дисплей фотоапарата для візування кадру, а сенсор другого типу виявляється вкрай громіздким і неефективним - значна частина поверхні матриці не використовується, оскільки на ній розташовуються і стеки накопичення, і стеки зберігання зарядів.

В сучасних фотоапаратах в переважній більшості випадків використовуються сенсори, побудовані по гібридної технології. Тобто центральна частина матриці влаштована за принципом сенсора з покадровим перенесенням зарядів і працює в системі побудови зображення на дисплеї камери в режимі візування. А інша частина сенсора побудована за принципом матриці з порядковим переносом зарядів. Безпосередньо перед зйомкою (коли ми скомпонували кадр за електронною дисплею і натискаємо кнопку спуску) затвор фотоапарата закривається, сенсор перемикається в режим порядкового перенесення, затвор відпрацьовує витримку, сенсор експонується, сигнали з осередків надходять у вихідний підсилювач і далі в контролер сенсора, матриця знову перемикається в режим покадрового перенесення зарядів, затвор відкривається - ми знову можемо використовувати вбудований дисплей камери в якості електронного видошукача.

Камерофон як цифровий фотоапарат - ази пристрою. Частина 2: Лукаві мегапікселі >>>

Камерофон як цифровий фотоапарат - ази пристрою. Частина 3: Від сенсора до принтеру і назад >>>

Камерофон як цифровий фотоапарат - ази пристрою. Частина 4: Чим більше, тим краще >>>

Камерофон як цифровий фотоапарат - ази пристрою. Частина 5: Подалі покладеш, ближче візьмеш >>>

Переваги iPhone 6S

Виручка HTC виросла на 27%

Представлений оновлений VR-шолом Samsung Gear VR

Samsung анонсувала Планшетофони Galaxy Note 7

Чутки про нові можливості «розумних» годин Samsung Gear S3