Эффект ослабления светового потока за счет прохождения сквозь микролинзы минимален. Значительно большей проблемой является усложненная конструкция ЭОП.

Поэтому производители вынуждены вносить в конструкцию матриц микролинзы, покрывающие пикселы целиком. Эти несложные оптические устройства концентрируют световой поток, падающий на всю поверхность элемента сенсора, на относительно небольшую светочувствительную область пиксела.

Если за один такт считываются все строки, то это матрица с прогрессивной разверткой (progressive scan). Если за первый такт считываются нечетные строки, а за второй — четные, то это матрица с чересстрочной разверткой (interlace scan).

В матрицах этого типа (interline CCD-matrix) регистры сдвига располагаются в непосредственной близости от светочувствительных элементов, что позволяет непрерывно, с требуемой частотой считывать заряд пиксела. При этом не происходит переполнение потенциальных ям светочувствительных элементов, таким образом, нет необходимости закрывать затвор. Быстродействие такой системы позволяет обеспечить видеосигнал с приемлемой частотой кадров (от 30 кадров в секунду и выше).

Заряды из ячеек основной матрицы перемещаются в буфер и затем считываются в регистр сдвига, как и в полнокадровой матрице. Недостатком данной системы является относительно высокая стоимость, если учесть, что кардинального увеличения скорости считывания не происходит.

Несколько ускорен процесс считывания в матрицах с буферизацией кадра (frame-transfer CCD). Для промежуточного хранения данных в этих устройствах используется вторая матрица аналогичного размера, покрытая металлической крышкой.

Быстродействие такой схемы ограничено скоростью работы регистра сдвига и, соответственно, количеством строк матрицы. В любом случае требуется перекрытие светового потока с объектива до завершения процесса считывания.

Одним из первых типов ЭОП были полнокадровые ПЗС-матрицы (full-frame CCD-matrix). После того как отработал затвор фотоаппарата и все пикселы накопили заряд, эквивалентный световому потоку, упавшему на них, происходит процесс считывания этих зарядов.

В нашем же случае требуется определить заряд каждого из элементов матрицы. При этом используется способность ПЗС к перемещению потенциальной ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под соседнего электрода, в свою очередь, смещается под следующий электрод и так далее до регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы, подаваемые на электроды, а также работу регистров сдвига.

Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на усилитель. Таким устройством можно считать значение строки ПЗС-элементов.

В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупроводника n-типа. Сверху наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала последний генерирует электрон, который хранится в потенциальной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может накопить потенциальная яма, тем больший диапазон освещенности можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависит динамический диапазон (о нем более подробно будет рассказано ниже). Все, что требуется сделать, — считать значение этого заряда и усилить его.

Общие принципы

После прохождения оптики световой поток попадает на регистрирующий элемент — электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Как уже упоминалось, в основном в этих целях используются матрицы ПЗС — приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появляются даже на профессиональных моделях, подавляющее большинство любительских фотоаппаратов оснащены именно ПЗС-матрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.

Электронно-оптические преобразователи

Основные производители

Многослойные матрицы

Интерполяция пикселов. SuperCCD

Баланс белого цвета

Расчет цвета в ПЗС-матрицах. Искажения цвета

Аналого-цифровой преобразователь

Физический размер матрицы

Прочие виды помех

Чувствительность, динамический диапазон и тепловой шум

Общие принципы

ПЗС или КМОП?

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобразовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точнее — р-n -переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рассматривать ее в рамках данной методички. Вкратце принцип устройства и функционирования ПЗС-матриц сводится к следующему.

Поэтому используются два дополнительных устройства: во-первых, управляющая микросхема, обеспечивающая подачу импульсов на электроды матрицы, и во-вторых, тактовый генератор.

Чтобы максимально увеличить частоту смены кадров, для видеокамер была разработана система с буферизацией строк/столбцов.

Попутно возникает возможность реализации электронного затвора. Данное устройство позволяет, в принципе, обойтись без механического затвора. При этом выдержка задается интервалом между началом считывания заряда и завершением этого процесса. Таким образом, можно достичь сверхмалых (до 1/10 000 секунды) значений выдержки, особенно критичных для съемки быстротекущих процессов (спорт, природа и т. д.). Правда, для реализации электронного затвора необходима функция удаления избыточного заряда пиксела, речь о которой пойдет далее.

Однако система с буферизацией строк имеет и недостатки. Главный из них — в результате того, что часть площади матрицы занята регистрами сдвига, размер светочувствительной области каждого пиксела составляет лишь 30 % от его площади, в то время как у полнокадровой матрицы этот параметр равен 70 %.