Как устроен сенсор фотоаппарата

Как устроен сенсор фотоаппарата


Конструктивно сенсор изготовлен в виде микросхемы, впаянной в плату, на которой расположены электронные компоненты фотокамеры.
На плоскости сенсора, кремниевой пластине, расположены миллионы светочувствительных датчиков (фотодиоды) - электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Элементы матрицы преобразовывают поступающий сквозь объектив свет в электрические сигналы, которые в дальнейшем оцифровываются и записываются в память камеры.

Пиксели на матрице


Пиксели имеют одинаковые размеры, форму, границы, и они расположены в виде строго регулярной решетки. Не всегда пиксели имеют квадратную форму, а светочувствительная ячейка матрицы соответствует пикселю изображения. Чтобы получить один пиксель изображения, часто интерполируются данные соседних фотодиодов.

Разрешение матрицы зависит от числа пикселей. Чем выше число пикселей, тем выше ее разрешение и наоборот. Чувствительность матрицы определяется чувствительностью пикселя. При очень слабом сигнале шумы смешиваются с полезным сигналом.

По причине дифракции невозможно бесконечно повышать разрешение матриц без увеличения их геометрических размеров. Из-за конструктивных особенностей сенсора на каждый пиксель приходится только 30% его светочувствительной поверхности. У полнокадровой матрицы эта область составляет 70%.

Фотодиоды не располагаются вплотную - на свободных площадях между ними размещается «обвязка», электронная «начинка», которая поддерживает работу датчиков. По этой причине светочувствительность сенсора ниже, чем при плотном расположении датчиков. Ведь фотоны, которые проходят мимо датчиков, не фиксируются.

Микролинзы на матрице


Во многих современных матрицах над пикселем расположена специальная выпуклая микролинза, покрывающая значительную часть площади элемента, тем самым корректируется угол падения света и увеличивается светочувствительность сенсора. Микролинза собирает всю падающую на эту часть долю света в концентрированный поток. Он направлен на небольшую светочувствительную область пикселя. Микролинзы позволяют эффективнее использовать падающий на сенсор световой поток, при этом фактор заполнения увеличивается с 30-50 до 70-80%. Микролинзы расположены вплотную, без зазоров.

Микролинзы вызывают искажения в виде размытия краев линий, толщиной, граничащей с разрешением сенсора. Тонкие линии вносят в изображение ступенчатость (aliasing), в результате чего в нем отображаются негладкие линии с «зазубринами». Причина в том, что пикселу присваивается заданный цвет вне зависимости от того, покрыт он деталью изображения полностью или закрыт лишь частично.

Устройство матрицы


В камерах с полнокадровыми сенсорами для избавления от ступенчатости используются фильтры защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter). Матрицы с микролинзами в этом фильтре не нуждаются.

Пропорционально интенсивности освещения светочувствительного элемента накапливается заряд. Чем больше фотонов попадает на элемент, тем выше накопленный заряд - фототок. Максимальный уровень накопленного заряда зависит от физического размера сенсора.

Светочувствительность, отношение сигнал/шум и физический размер пикселя взаимосвязаны (для матриц, созданных по одной и той же технологии). Чем больше физический размер пикселя, тем выше получаемое соотношение сигнал/шум при заданной чувствительности и чувствительность при заданном соотношении.

Матрица (кроме Foveon) не видит цвета пикселя, она считывает только интенсивность попавшего на нее света, при этом длиной волны падающего света определяется цвет. Пиксели воспринимают разницу в длинах волн падающих на них фотонов как разницу в энергиях. Энергия фотона зависит от цвета: чем интенсивнее цвет, тем больше фотонов с соответствующей энергией.

Сенсоры определяют градации серого (интенсивность света от белого до черного). Каждый пиксель содержит информацию о яркости: чем больше фотонов попадает на матрицу, тем выше яркость. После достижения определенного предела фотонов сенсор насыщается и перестает реагировать на поступающие фотоны. Так как накапливаемый заряд зависит от площади сенсора (физических размеров пикселя), высокая емкость дает возможность передавать изображения с более широким динамическим диапазоном.

Для того чтобы снимок получился цветным, каждый сенсор снабжается цветными фильтрами, которые пропускают только волны своего цвета. Волны другой длины (другого цвета) поглощаются фильтром. Фильтры помещаются между микролинзами и пикселями.

Фильтр может быть красным, зеленым и синим (RGB - Red, Green, Blue) или голубым, пурпурным и желтым (CMY - Cyan, Magenta, Yellow) с дополнительным зеленым фильтром для придания изображению естественности. Данные каждого сенсора позволяют выделить один из 256 уровней заряда, поэтому каждый цвет имеет 256 уровней интенсивности (яркости), что позволяет воспроизводить 16,7 млн оттенков (256 х 256 х 256). Данные о яркости, зафиксированные каждым из сенсоров, оцифровываются и хранятся в памяти камеры.

В большинстве сенсоров цифровых камер наиболее часто используются массивы фильтров цветовой модели Байера (Bayer pattern). Фильтр назван в честь своего создателя - Брюса Байера. Фильтры расположены вперемежку, в шахматном порядке; число зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Красные и синие фильтры находятся между зелеными - глаз человека более чувствителен к зеленому цвету.

В камерах с ПЗС-матрицей совмещение трех сигналов происходит в процессоре после преобразования аналогового сигнала в цифровой. Первичные цвета каждого фильтра интерполируются с учетом цветов соседних фильтров. За преобразование монохромного изображения отвечают специальные алгоритмы интерполяции - дебайеризация. Если результат съемки записывается в JPEG, дебайеризация выполняется процессором камеры, если в RAW - в процессе обработки файла в конвертере.

Если вам нужна мастерская для ремонта фотоаппарата, эта ссылка вам поможет. Там вы более подробно сможете ознакомиться с услугами и ценами.
Комментарии
Добавить комментарий