Расположение светочувствительных элементов в матрице SuperCCD SR
22.01.2014 / 20:01

Расположение светочувствительных элементов в матрице SuperCCD SR

Оцените материал
(0 голосов)

Расположение светочувствительных элементов в матрице SuperCCD SRПри переходе к "двухэлементному" пикселу значительно усложняется задача борьбы с блюмингом. С одной стороны, при организации вертикального дренажа фотоэлементов с совершенно разной чувствительностью дренажный потенциал, прилагаемый на подложку, для каждого из элементов должен быть своим. В свою очередь, близкое расположение фотоэлементов допускает влияние более высокого дренажного потенциала на "чужую" яму, поэтому в подложку может "утечь" информационный заряд. В то же время при организации бокового дренажа размер "потерь" светочувствительной области будет в два раза выше, чем в матрице обычной конструкции.

Помимо дренажа, часть светочувствительной площади пиксела будет "съедена" дополнительными буферными регистрами, число которых вырастет вдвое. Следует помнить, что в матрицах с буферизацией строк светочувствительная область равняется лишь 30 процентам от общей площади сенсоров. Итак, при прочих равных параметрах чувствительность "двухэлементного" пиксела будет заметно меньше, чем у "классической" конструкции.

Известно, что, помимо теплового шума и темнового тока, в генерации шума фиксированного распределения принимают участие электроды матрицы, точнее несогласованность при подаче на них управляющих потенциалов. В матрицах SuperCCD SR их количество возрастёт вдвое, причём значения потенциалов (вследствие разницы в чувствительности и в размерах потенциальных ям) будут заметно отличаться друг от друга, что, в свою очередь, так же приведёт к росту шума фиксированного распределения.

Следует помнить также, что резервы по "углублению" потенциальной ямы фотоэлемента не безграничны, поэтому накопительная способность пиксела тоже связана с его линейными размерами. А это значит, что глубина обоих потенциальных ям "двухэлементного" пиксела даже в сумме будет заметно меньше, чем у обычного пиксела тех же габаритов.

Если свести описание матриц обычной структуры и SuperCCD SR к крайне упрощенному виду, то можно говорить о ведре (потенциальной яме), выставленном под дождь (поток фотонов). Причём в "двухэлементном" пикселе одно из вёдер ("малый" фотоэлемент) накрыто крышкой с отверстиями, которая замедляет процесс его заполнения.

Однако за счёт вышеперечисленных особенностей технологии производства ПЗС-матриц необходимо помнить, что у описанных вёдер толщина стенок (дренаж и буферный регистр) достигает порядка 70 процентов от общего объёма тары. Очевидно, что при ограничении площади, предназначенной для размещения ведер, одно ведро всегда будет собирать больший объём воды, чем пара.

По результатам эксплуатации фотоаппарата с новым сенсором, Fuji Finepix F700, выяснилось, что надежды разработчиков Fuji не оправдались. Новая модель зачастую выдавала сплошные белые пятна в тех областях снимка, в которых камерам с обычным сенсором удавалось зарегистрировать оттенки вполне определенного цвета. Причём в ряде случаев Finepix F700 уступала заведомо более дешевым фотоаппаратам вроде Canon PowerShot A70.

Впрочем, неудача разработчиков Fuji не значит, что нелинейный режим накопления заряда пиксела - не решаемая задача. Ещё раньше, чем Fuji, с ней справилась фирма FillFactory, занимающая одни из ведущих позиций по проектированию и разработке КМОП-матриц для студийных и профессиональных цифровых камер.

Для начала следует вспомнить, чем КМОП-матрицы отличаются от ПЗС-матриц. В КМОП-матрицах внутренний фотоэффект, обуславливающий превращение фотонов в электроны, протекает так же, как и в ПЗС-матрицах, только вот преобразование накопленного потенциальной ямой заряда в напряжение происходит непосредственно внутри пиксела. В результате есть возможность считать данные как всей матрицы, так и отдельных столбца, строки и даже элемента, отпадает необходимость во всех регистрах сдвига и управляющих микросхемах и заметно сокращается энергопотребление.

Однако присутствующие в каждом пикселе преобразователь заряд-напряжение и компоненты, предназначенные для считывания напряжения ("обвязка"), при обработке сигнала добавляют к нему помехи, именуемые электронным шумом. Причем для каждого элемента матрицы уровень электронного шума разный. Кроме того, "обвязка" размещается вокруг пикселя, что приводит к малой площади светочувствительного элемента, даже по сравнению с ПЗС-матрицами с буферизацией строк, поэтому чувствительность КМОП-матриц довольно скромная.

В итоге КМОП-сенсоры основного успеха достигли в профессиональных фотоаппаратах и студийных камерах. В данной технике, как уже было сказано выше, используются матрицы с большими габаритами, благодаря этому площадь светочувствительной области получается больше размеров "обвязки" каждого пикселя, а чувствительность достигает приемлемых значений.

Чтобы расширить динамический диапазон элементов КМОП-матрицы, разработчики FillFactory применили схему с нелинейным режимом накопления заряда. Для этого в "обвязку" пиксела в добавлен элемент, отслеживающий "объём заполнения" ямы. Как только уровень заряда достигает определённой величины, данный элемент "переключает" пиксел в режим, при котором интенсивность наполнения потенциальной ямы заметно ослаблена, а риск её переполнения заметно снижен.

Предложенное разработчиками FillFactory решение, обеспечивающее "адаптивную чувствительность", выглядит предпочтительнее, чем манипуляций с формой и размерами фотоэлементов. Так или иначе, только время в состоянии показать, чья технология более перспективна. Как показывает пример со "слоёными" матрицами Foveon, любое инженерное решение вовсе не обязательно должно быть "оригинальным" и "доступным для понимания широким массам" - главное, чтобы оно давало реальный, а не придуманный маркетологами результат.

Оставьте свой комментарий

Читатели рекомендуют

Компания Lenovo планирует заняться произ…

Компания Lenovo планирует заняться производством

В последнее время отмечается снижение уровня продаж персональных компьютеров.

Продажи iPhone 6 чрезвычайно высоки

Продажи iPhone 6 чрезвычайно высоки

Коммуникаторы iPhone 6 от компании Apple пользуются большим спросом. Повышенное внимание покупателей к модели явилось неожиданным для разработчиков устройства. ...

Вопрос дня

Мобильный телефон для Вас – это…

Фототовары

Обзор электронных книг