Сердцем цифрового фотоаппарата можно назвать светочувствительный сенсор. Это одно из самых дорогих и сложных устройств цифровой фотокамеры. 

ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью) - это прибор, способный воспринимать и накапливать идущие от объекта частицы света (фотоны) и преобразовывать их в электрические заряды, считывая которые можно затем при помощи компьютера восстановить изображение этого объекта. ПЗС был изобретен больше трёх десятков лет назад и до сих пор остаётся золотым стандартом, с которым сравниваются новые сенсоры. 

ПЗС и КМОП. История возникновения и основные отличия

Сенсоры стали разрабатывать для правительственных разведывательных и космических программам США. 
У цифровой фотографии нет точной даты рождения. Обычно считают, что цифровая фотография появилась в конце 60х, когда ученые обнаружили, что КМОП (комплементарный металло-оксидный полупроводник) может быть светочувствительным. Прибор с зарядовой связью был изобретён в конце 1969 года Вильямом Бойлем (William S.Boyle) и Джорджем Смитом (GeorgeE.Smith), работавшими в лабораториях Bell.

Так как качество изображения было очень высоким, эти приборы быстро вытеснили КМОП из цифровой обработки изображений. ПЗС более чувствителен к радиоактивному излучению, чем КМОП. Чем выше вы находитесь от поверхности Земли, тем больше излучение. Именно поэтому КМОП сенсоры не были забыты, и правительство США оплачивало исследования в этой области.

Несмотря на всё разнообразие технологий, в большинстве случаев в цифровых камерах используются либо КМОП, либо ПЗС сенсоры. Самым важным отличием между этими системами является способ перенесения электронов с сенсора. Кроме того, КМОП может осуществлять большее количество функций прямо на чипе. Тем не менее, начало у этих технологий общее, и что интересно, первоначально, ни та, ни другая технология не имели никакого отношения к цифровой фотографии. Оба устройства представляли собой полупроводниковую память.

В 1969 году в лабораториях Bell была изобретена ЦМД-память (память на цилиндрических магнитных доменах, пузырьковая память, bubble memory). Предполагалось, что она будет энергонезависимой (то есть при выключения питания компьютера данные не теряются). Воодушевленные потенциалом этих устройств, ученые продолжили опыты с технологией ПЗС как с последовательными запоминающими устройствами. Но эта технология быстро устарела - стоило появиться более эффективной и быстрой энергонезависимой памяти, например, EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory - электронно-перепрограммируемая постоянная память). Тем не менее, как обнаружилось, ПЗС память обладает впечатляющими возможностями по переносу заряда, что сделало ее идеальным для сенсоров. Впервые в массовое производство ПЗС сенсоры были запущены в 1973 году. КМОП технология продолжала использоваться в памяти, обрабатывающих и других цифровых устройствах, что связано с ее низким энергопотреблением и большей функциональностью.

ПЗС являются специализированными чипами и используются только для получения изображения. Производят эти чипы всего несколько фирм. В отличие от ПЗС, область применения КМОП устройств намного шире. Они используются как в процессорах персональных компьютеров, так и в подавляющем большинстве потребительской электроники. Так как в основном КМОП устройства изготавливаются большими партиями и по стандартному технологическому процессу, их производство обходится значительно дешевле.

Кроме дешевизны производства, КМОП устройства обладают некоторыми преимуществами. Так как архитектура КМОП позволяет производить обработку изображений и аналого-цифровые преобразования (АЦП - ADC) непосредственно на чипе, цифровые камеры и другие устройства, использующие КМОП технологию вместо ПЗС, в итоге оказываются значительно дешевле.

Тем не менее, в системах, где самым важным считается качество, всё же используются ПЗС, так как они чувствительнее к свету, имеют большую степень градаций, и минимум шумов.

Структура ПЗС

Пиксель

Наиболее важной составляющей ПЗС является приемник света - двумерная матрица, состоящая из очень маленьких кремниевых детекторов света прямоугольной формы, называемых пикселями. Каждый пиксель работает как копилка для электронов, возникающих в нем под действием фотонов, пришедших от источника света. Во время экспозиции, время которой регулируется при помощи затвора, каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально количеству попавшего на него света.
По окончании съемки столбцы с накопленными в пикселях электронами начинают сдвигаться к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный столбец. В нем заряды сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают на измерительный элемент, создавая в нем микротоки, пропорциональные этим зарядам. Таким образом, для каждого последующего момента времени мы можем получить значение накопленного заряда и определить, какому пикселю на матрице (номер строки и номер столбца) он соответствует.
Вся эта непростая технология может быть наглядно проиллюстрирована с помощью элегантной аналогии, предложенной Джеромом Кристианом (Институт Карнеги в Вашингтоне). Достаточно представить себе цепочку людей, передающих друг другу по очереди ведра с краской (количество людей в цепочке определяет разрешение по вертикали), а затем вообразить, что таких цепочек несколько, и расположены они бок-о-бок (число цепочек задает горизонтальное разрешение). В конце пути ведра ставятся на ленту транспортера (регистр сдвига) и по очереди перемещаются в хранилище (выходной усилитель и аналогово-цифровой преобразователь, АЦП).
В КМОП-матрице заряд пикселя преобразуется в напряжение прямо в пикселе, после чего может быть считан. Следуя нашим аналогиям - к каждому владельцу ведерка подведен отдельный трубопровод, куда и сливается содержимое тары.

Микролинзы

В обычной фотопленке на пластиковую основу наносятся галоиды серебра - именно они реагируют на любой свет, падающий под любым углом. В отличие них, кремниевые пиксели реагируют на свет только в том случае, когда он падает под прямым углом (или близким к прямому). Это требуется для того, чтобы пиксели получали больший электрический заряд. Для обеспечения требуемого угла над каждым пикселем сенсора помещается специальная выпуклая микролинза. Именно таким образом корректируется угол падения света и увеличивается светочувствительность сенсора.

Обычно микролинзы создаются путем нанесения резистного материала на сенсор. Затем относительно пикселей в этом материале протравливается сетка. При нагревании остатки оплавляются и принимают куполообразную форму.

Цветные фильтры

Сенсоры - это устройства, определяющие лишь градации серого (градации интенсивности света - от полностью белого до полностью черного). Каждый пиксель несет информацию о яркости: чем больше фотонов попало, тем выше яркость и наоборот.
На рисунке, каждому пикселю соответствует числовое значение, равное количеству принятых фотонов.

3 - три фотона = низкая степень яркости;
7 - семь фотонов = средняя степень яркости;
10 - десять фотонов = максимальная степень яркости пикселя, на данном рисунке.
Чтобы камера могла различать цвета, на кремний накладывается массив цветных фильтров, которые помещаются между микролинзами и пикселями.
Для того чтобы каждому пикселю соответствовал свой основной цвет, над ним помещается фильтр соответствующего цвета. Фотоны, прежде чем попасть на пиксель, сначала проходят через фильтр, который пропускает только волны своего цвета. Волны другой длины (другого цвета) будет просто поглощаться фильтром.

Как мы уже знаем, любой цвет в спектре можно получить смешением всего нескольких основных цветов. В модели RGB таких цвета три.
Для каждого применения разрабатываются свои массивы цветных фильтров. Но в большинстве сенсоров цифровых камер наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера (Bayer pattern). Эта технология была изобретена в 70-х годах, когда проводились исследования в области пространственного разделения. В этой системе фильтры расположены вперемежку, в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие фильтры расположены между зелеными.
Такое количественное соотношение объясняется строением человеческого глаза - он более чувствителен к зеленому свету. А шахматный порядок обеспечивает одинаковые по цвету изображения независимо от того, как вы держите камеру (вертикально или горизонтально). При чтении информации с такого сенсора, цвета записываются последовательно в строчках. Первая строчка должна быть RGRGRG, следующая - GBGBGB (где R - red, G - green, B - blue) и т.д. Такая технология называется последовательной RGB (sequential RGB или sRGB).
В ПЗС камерах совмещение всех трех сигналов воедино происходит не на сенсоре, а в устройстве формирования изображения (процессоре), уже после того, как сигнал преобразован из аналогового вида в цифровой. Первичные цвета каждого фильтра математически интерполируются с учетом цветов соседних фильтров.
Если все цвета равноправны, то цвет центрального пикселя вычисляется математически как две части синего к одной части красного. На самом же деле, алгоритмы даже простой линейной интерполяции намного более сложны, они учитывают значения всех окружающих пикселей. Если интерполяция происходит плохо, то получаются зубцы на границах смены цветов (или появляются цветовые артефакты).

Типы ПЗС

В чересстрочных ПЗС каждый пиксель обладает как фотоприемником, так и областью для накапливания заряда. Эта область возникает в результате загораживании части пикселя от света. Её используют только для переноса электронов.

Такие затененные области образуют вертикальный канал для передачи заряда, при этом заряд поступает сверху вниз к горизонтальному каналу передачи. Область, на которую падает свет, называется апертурой (aperture) или просто фоточувствительной частью пикселя.
Чересстрочная развертка позволяет электрическому заряду пикселя быстро перемещаться на соседствующую затененную область, по которой он строчка за строчкой двигался бы к горизонтальному сдвиговому регистру. Такое быстрое перемещение заряда из светочувствительной области позволяет ей быстрее принимать следующую порцию фотонов.
В цифровых камерах такая быстрая готовность апертуры пикселя принимать следующую порцию данных изображения позволяет получать видеоизображение. Минусом в такой технологии, безусловно, можно считать значительное уменьшение светочувствительной области. Для обеспечения более высокого разрешения, в ПЗС функционируют микролинзы, позволяющие лучшим образом направлять фотоны в светочувствительные области. Обычно, чересстрочные сенсоры используются в потребительских цифровых камерах.

Full-Frame CCD или полнокадровые ПЗС

В полнокадровых ПЗС весь пиксель выполняет светоприемную функцию, а каналы передачи заряда, спрятаны под пиксель.

Благодаря такому строению, полноформатные ПЗС имеют больший динамический диапазон и соотношение сигнал/шум.
В Full-Frame CCD, во время передачи заряда пиксель не должен принимать фотоны. Чтобы обеспечить этот процесс и предотвратить попадание фотонов на пиксель (чтобы изображение не было размазано), за объективом камеры находится механический затвор. Полноформатные ПЗС используются в более дорогих фотокамерах, более высокого класса.

Frame Transfer CCD или ПЗС с покадровым переносом заряда

ПЗС этого типа очень похожи на полноформатные ПЗС, отличие заключается в том, что они отводят половину матрицы для временного хранения электрического заряда. Такая затененная область называется ещё "матрицей хранения" ("Storage array"). Как только заканчивается период интеграции и в светочувствительных областях накапливается заряд, он быстро перемещается в матрицу хранения.

Такие матрицы могут работать без задержки на использование механического затвора, что обеспечивает им очень высокую скорость захвата изображения. Но заряд не полностью успевает переместиться в матрицу хранения до наступления следующего периода интеграции. Вследствие такой нахлестки изображение получается размытым. Еще одни минусом таких ПЗС является значительно больший размер (а, значит, и более высокая цена), так как на кристалле необходимо кроме светочувствительных элементов располагать и матрицу хранения.

Альтернативные сенсоры Super CCD

Технология Super CCD, разработана Fujifilm в 1999 году и представлена в 2000 г. Вместо горизонтального размещения прямоугольных диодов компания разместила их под углом 45° таким образом, что поверхность стала похожа на соты. Воспринимаемые ими световые сигналы делятся на горизонтальные и вертикальные составляющие, а затем комбинируются, что по заявлению разработчиков, позволяет достичь большего разрешения по обеим осям. Кроме того, сотовое расположение светодиодов позволяет разместить их в большем количестве на той же площади.

В основе технологии, представленной компанией Foveon под названием X3, лежит физическое явление, заключающееся в том, что с увеличением длины волны световых волн растет и глубина их проникновения в кремний. Фотодиоды, созданные чередованием зон проводимости первого и второго типа, размещают один под другим на характерных глубинах для улавливания фотонов голубого, зеленого и красного цвета.
Таким образом, получается датчик, регистрирующий информацию о всех трех цветовых компонентах изображения в одной точке, точно соответствующей координатам формируемого пикселя.