Основы фотографии # 5.13

https://photo-monster.ru/books/read/osnovyi-fotografii--5.13.html

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 пассивным2. 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) иливременным 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 : 17395    Источник: photo-monster.ru    Автор: Марк Лаптенок

 

 

Основы фотографии # 5.14

https://photo-monster.ru/books/read/osnovyi-fotografii--5.14.html

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 (CMOS4T)

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 названиеглобального 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, называемойкоррекцией 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.

• Основы фотографии #5.15

10/08/2015    Просмотров : 15738    Источник: photo-monster.ru    Автор: Марк Лаптенок

 

 

 

......