Мы оглядываемся назад на то, как технологии камер изменились за 25-летнюю историю, уделяя внимание вехам, достигнутым за последние 25 лет. В этой статье мы расскажем о больших шагах вперед, которые видели в датчиках, а также попытаемся объяснить внесенные улучшения.

Технология ПЗС лежала в основе большинства первых цифровых камер.

Первой технологией датчика изображения, которая дала хорошие результаты и была достаточно доступной для включения в потребительские товары, был датчик CCD (устройство с зарядовой связью).

ПЗС-матрицы считывают данные с края сенсора, по одному пикселю за раз, каскадно передавая заряд от одного пикселя к следующему при каждом считывании пикселя. Скорость, с которой это можно сделать, определяется током, подаваемым на микросхему, поэтому для быстрого считывания требуется много энергии.

Из-за ограничений по мощности небольших батарей для бытовых камер этот процесс был относительно медленным и делал просмотр в реальном времени в компактных устройствах довольно медленным и медленным. ПЗС-матрицы составляли основу раннего рынка цифровых камер с середины 90-х до начала 2010-х, хотя в это время продолжалось постоянное развитие этой технологии, пиксели становились меньше, а производительность улучшалась.

В этой статье основное внимание уделяется технологиям, используемым в большинстве камер, но существуют и некоторые варианты этих технологий, которые также заслуживают упоминания. Во-первых, это технология Super CCD от Fujifilm, в которой в каждом пикселе используется как большой, так и частично маскированный фотодиод. Замаскированный пиксель захватывал меньше света, поэтому был менее подвержен передержке, захватывая информацию о светлых участках, которая в противном случае была бы потеряна. Версия второго поколения цифровой зеркальной фотокамеры S3 Pro обеспечила динамический диапазон, намного превосходящий своих предшественников, но с маскировкой, снижающей качество изображения, особенно при более высоких значениях ISO.

Но это был CMOS-сенсор, который использовался в первой цифровой зеркальной фотокамере стоимостью менее 1000 долларов.

Тем временем, однако, разрабатывалась конкурирующая технология, КМОП (комплементарный полупроводник на основе оксидов металлов). Они передают вывод каждого пикселя по очереди на общий провод, а это означает, что заряду не нужно проходить через все соседние пиксели, чтобы выйти из чипа. Это позволяет считыванию работать быстрее, не требуя большого количества энергии. Датчики CMOS также были дешевле в производстве. Canon первой внедрила CMOS в своей цифровой зеркальной фотокамере D30 APS-C в 2000 году. В последующие годы производительность будет продолжать улучшаться, и Canon завоевала репутацию компании с превосходным качеством изображения при высоких значениях ISO.

Нет внутренней причины, по которой ПЗС-матрица будет захватывать цвет иначе, чем КМОП-матрица.
Хотя некоторые фотографы с любовью оглядываются на цветопередачу эпохи ПЗС, нет никакой внутренней причины, по которой ПЗС сама по себе могла бы захватывать цвета иначе, чем КМОП. Любые различия, скорее всего, связаны с изменениями избирательности цветовых фильтров и характеристик поглощения, поскольку производители пытались улучшить характеристики при слабом освещении, используя фильтры, пропускающие больше света.

К 2007 году крупнейший в отрасли поставщик чипов (Sony Semiconductor) перешел на CMOS для своих чипов APS-C, и CMOS стала технологией по умолчанию в камерах с большим сенсором.

Возможно, самым известным датчиком не-Байера является многослойная конструкция Foveon X3. Это датчики CMOS, но они не используют цветные фильтры перед датчиком. Вместо этого они считывают фотоэлектроны, выпущенные на трех глубинах датчика, и, основываясь на длине волны (цвете), необходимой фотонам для достижения каждой глубины, повторно собирают информацию о цвете. Однако, хотя только красные фотоны могут проникнуть в самую глубокую часть сенсора, некоторые из них будут поглощаться выше (аналогично зеленым фотонам, которые могут достичь среднего слоя), а это означает, что этот слабый, зашумленный красный сигнал учитывается во всех другие расчеты. Доказано, что оптимизировать эффективность конструкции, особенно для более глубоких слоев, сложно, и она не может использовать преимущества некоторых функций шумоподавления, которые сейчас широко распространены в других местах.

Ранние попытки использовать КМОП с малым сенсором не всегда были успешными, поэтому ПЗС продолжала доминировать в компактах еще долгое время после того, как большинство камер с большим сенсором перешли на КМОП.

Быстрое считывание CMOS становилось все более важным как для видеосъемки в таких камерах, как Canon EOS 5D Mk II, так и для просмотра в реальном времени, которое по мере приближения беззеркальной эры становилось все более важным при съемке камерами с большим сенсором.

В 2009 году были представлены первые CMOS-сенсоры с задней подсветкой (BSI) — технология, которая поначалу была в первую очередь выгодна для крошечных пикселей в сенсорах смартфонов и компактных камер. Датчики BSI изготавливаются почти так же, как и существующие конструкции с передней подсветкой, но материал подложки, на котором они были построены, затем сбривается, а «задняя часть» датчика размещается так, чтобы он был обращен к объективу и получает свет. Это означает, что у вас нет проводки и схемы перед светочувствительной частью каждого пикселя, что увеличивает поглощение света. Эти преимущества менее выражены в больших сенсорах, поэтому чипы Four Thirds, APS-C и полнокадровые BSI появятся только через несколько лет.

16-мегапиксельный датчик APS-C, который появился в таких камерах, как Pentax K-5, Nikon D7000 и различных моделях Sony, представляет собой значительный шаг вперед, добавляя несколько улучшений в DR по сравнению с 12-мегапиксельным чипом, который ему предшествовал.

Непрерывное развитие конструкций КМОП привело к постоянным успехам. Новые конструкции позволили включить больше аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и разместить эти АЦП ближе к пикселям. Это минимизировало количество электронных помех, которые могли проникнуть до того, как напряжение считывания было зафиксировано, а большое количество АЦП означало, что каждому из них не нужно было работать так быстро, чтобы обеспечить быстрое считывание. Количество шума, добавляемого АЦП, связано с их скоростью, поэтому такая конструкция обеспечивает значительное снижение шума считывания.

Дальнейшее совершенствование этих конструкций продолжало снижать шум чтения, предвещая эру, когда можно было ожидать, что большинство камер будут захватывать значительно более широкий динамический диапазон, чем в обычном JPEG, а это означает, что в файлах Raw было гораздо больше полезной информации.

 

История разработки датчиков — это не только история полупроводниковых подразделений Canon и Sony. Samsung был первым брендом, который внедрил технологию BSI в APS-C, выпустив NX1 в 2014 году. Его чип BSI обеспечил скорость для быстрого определения фазы на датчике и видео 4K, а не улучшенную производительность при слабом освещении.

BSI появилась в больших датчиках с 2014 года. В больших сенсорах проводка составляет гораздо меньшую долю гораздо более крупных пикселей, поэтому BSI обеспечивает гораздо меньшее улучшение качества изображения. Однако это принесло преимущества. Первый связан с улучшением углов, под которыми пиксели могут принимать свет. Это особенно полезно в углах датчиков, где свет может падать на датчик под очень острым углом, который трудно перенаправить вниз, в утопленную светочувствительную область датчика FSI. Во-вторых, перемещение проводки за пикселем позволило использовать более сложную схему, что означало дальнейшее увеличение количества АЦП и более быстрое считывание без увеличения шума.

Использование BSI все еще не является универсальным, спустя почти десятилетие, поскольку оно не дает значительного преимущества в качестве изображения.

Один из первых датчиков, сочетающих усиление двойного преобразования с конструкциями Sony с низким уровнем шума при считывании, обеспечил превосходную производительность камеры a7S при высоких значениях ISO.

Еще одним шагом вперед в улучшении динамического диапазона стали датчики усиления с двойным преобразованием. Впервые они появились в датчиках Aptina, используемых в камерах серии Nikon 1. Они имеют выбор режимов считывания для каждого пикселя: один, который максимизирует динамический диапазон при низких значениях ISO, другой, который имеет меньшую емкость для DR, но обеспечивает более низкий уровень шума считывания, обеспечивая лучшую производительность теней при высоких значениях ISO, где DR менее критичен.

Когда эта технология была лицензирована для Sony Semiconductor, она была объединена с существующими конструкциями с высоким динамическим диапазоном для создания датчиков с превосходным динамическим диапазоном при базовом значении ISO и повышением производительности при высоких значениях ISO. Эти двухрежимные конструкции не всегда рекламируются производителями, но использование двойного усиления — это то, что дало оригинальной a7S превосходную производительность при высоких значениях ISO (а не большие пиксели, несмотря на то, что вы, возможно, слышали). Это состояние, которого достигли большинство современных камер.

Сенсор Nikon Z9 достаточно быстр, чтобы полностью полагаться на электронный затвор. Он также имеет отдельную буферизацию для изображений с полным разрешением, а также для автофокусировки и просмотра в реальном времени. Это, вероятно, будет только началом того, что станет возможным благодаря стековой архитектуре.

Многослойная КМОП — это современная передовая технология производства, и она развивает подход BSI еще дальше, создавая слои полупроводника, срезая их с подложки и затем соединяя их вместе, чтобы создавать конструкции с еще более сложными и изощренными схемами. Это трудоемкий и дорогостоящий процесс, поэтому он появился только в довольно маленьких чипах в смартфонах и компактных камерах, а также в очень высокопроизводительных моделях с большими сенсорами. Как и BSI, его основные преимущества заключаются не в качестве изображения, а в возможности более быстрой и сложной обработки данных. Примеры, которые мы видели до сих пор, включали встроенную оперативную память, позволяющую датчику захватывать другое изображение, в то время как предыдущее все еще обрабатывается камерой, или двойные считывания, которые обеспечивают параллельные пути для считывания.

Стекированные CMOS-чипы в настоящее время лежат в основе некоторых из самых быстрых камер и камер с одним из самых низких скользящих затворов, что вдохновило Nikon на создание флагманской камеры Z9 без механического затвора. Сложность и изощренность многослойных датчиков, вероятно, только возрастет в ближайшие годы.

Все это приводит нас к сегодняшнему дню. Сенсоры большинства потребительских камер превосходны, с огромным динамическим диапазоном при базовом значении ISO и очень небольшим шумом при высоких значениях ISO, если не считать шума света, который они захватывают. Современные датчики имеют исключительно низкий уровень электронных шумов и обычно регистрируют более 50% падающего на них света, а это означает, что современная технология находится на расстоянии менее одного шага от максимального улучшения. Могут быть способы улучшить IQ за счет расширения до более низких значений ISO или прорывов в способах интерпретации цвета. Но, вероятно, потребуется еще одно серьезное изменение технологии, чтобы увидеть большие изменения в качестве изображения.

Fujifilm продолжала развивать концепцию Super CCD, кульминацией чего стала Super CCD EXR. Это показало слегка смещенные ряды пикселей с шаблоном фильтра Байера, дублированным по парам рядов (таким образом, у вас были пары красных и пары синих пикселей рядом друг с другом). Предполагалось, что строки со смещением улучшат захват разрешения в режиме полного разрешения, но дублированный шаблон фильтра также означал, что строки можно было легко комбинировать. Это позволило использовать режим половинного разрешения при слабом освещении или режим высокого разрешения половинного разрешения, в котором чередующиеся строки считывались раньше (что давало преимущества подсветки оригинальной конструкции Super CCD). Хотя он больше не используется, существуют прямые параллели между этим трехрежимным подходом и тем, как новейшие датчики Quad Bayer и Tetracell используются в смартфонах.

• DPreview
• Ричард Батлер
• Опубликовано 17 марта 2023 г.

liveviewer.ru – ВК – Ютуп – Телега