A фотосайт (сайт фото / фотонного восприятия), как его часто называют в сети, в этом контексте относится к пикселю сенсора. В зависимости от конструкции датчика, фотосайт или пиксель может содержать необходимые схемы для одного цветного пикселя, или он может содержать необходимые схемы для множества цветов пикселей. Когда дело доходит до CMOS против CCD, они содержат большую часть одних и тех же компонентов, однако CCD разряжает некоторые ключевые схемы без питания ... а именно, усилитель, и считывание работает по-разному с CCD против датчика CMOS.
Общая схема
Каждый пиксель датчика будет иметь одни и те же основные компоненты. Ключевым элементом пикселя является фотодиод . Фотодиод - это полупроводниковый фотоприемник, который использует естественную чувствительность определенных материалов, таких как германий и кремний, для преобразования фотонов в электроны (заряд). Кремний обычно используется в сенсорах визуализации потребительского уровня, и он имеет фиксированную чувствительность и глубину проникновения. Таким образом, увеличение толщины фотодиода мало что делает для того, чтобы сделать его более чувствительным, поэтому пиксели с большей площадью поверхности имеют тенденцию быть более чувствительными, чем пиксели с меньшей площадью поверхности. В дополнение к самому фотодиоду каждый пиксель будет иметь активированную колонку, активированную строку и проводку считывания. Точная природа этой проводки зависит от конструкции сенсора, и то, как они используются, различается для сенсоров CMOS и CCD. Наконец, в случае датчиков CMOS обычно присутствуют дополнительные схемы. Усилитель предусмотрен для каждого пикселя, и в более продвинутых конструкциях (в частности, датчики Sony Exmor) обычно используется один или несколько уровней схемы снижения шума. Датчики Sony Exmor также первыми включают в себя встроенную схему АЦП (аналого-цифровое преобразование), однако она рассчитана на столбец, а не на пиксель, и снова нацелена на уменьшение шума (с приятным побочным эффектом также улучшения считывания оцените ... хотя бы теоретически.)
Датчики Байера
В конструкции датчика Байера каждый пиксель предназначен для восприятия света одной полосы пропускания или цветового диапазона. Существует множество массивов байеровых цветных фильтров, однако наиболее распространенным является квартет RGBG, где каждый квадрат размером 2x2 пикселя состоит из красного и зеленого пикселя в верхнем ряду и зеленого и синего пикселя в нижнем ряду. Каждый пиксель будет иметь цветной фильтр поверх фотодиода. Это важно, так как кремний чувствителен к очень широкому диапазону частот. Он особенно чувствителен к инфракрасному излучению, требуя, чтобы над датчиком был установлен специальный фильтр отсечки ИК размера датчика, чтобы блокировать весь поступающий ИК. Кремний наиболее чувствителен к красному свету, почти так же чувствителен к зеленому свету, но его чувствительность к синему и фиолетовому свету (а также к ультрафиолетовому излучению) значительно падает. Более сильные цветовые фильтры дают более четкие результаты для каждого пикселя, но также имеют тенденцию поглощать больше света, снижая общую квантовую эффективность датчика (Q.E.) и, следовательно, влияют на отношение сигнал / шум (SNR). Слабые цветовые фильтры дают менее чистые результаты для каждого пикселя, но поглощают меньше света и помогают улучшить качество изображения. и SNR.
Сила конструкции датчика Байера заключается в его способности упаковывать пиксели, поскольку каждый пиксель относительно прост (каждый из них в основном представляет собой датчик яркости в оттенках серого с цветным фильтром над ним). Беспрецедентная плотность пикселей была достигнута благодаря конструкции датчиков Байера, при этом потребительский датчик с самым высоким разрешением в настоящее время является дизайном Nikon / Sony в D3200. Этот 24,2-мегапиксельный сенсор обладает довольно феноменальным пространственным разрешением 129 lp / mm (яркость), а с CFA приходится более 93 lp / mm в реальном пространственном разрешении. Это сопровождается вездесущим 18-мегапиксельным датчиком Canon, который имеет пространственное разрешение яркости 116 lp / mm, или около 84 lp / mm реального мира.
Многослойные датчики
Существует как минимум две известные многослойные конструкции датчиков, где каждый фотосайт способен регистрировать красный, зеленый и синий свет. Наиболее заметным из них является датчик Foveon X3. Он был первым в своем роде, появившимся на рынке в потребительском дизайне, и он использует естественную фильтрацию длины волны кремния, когда свет проникает глубже, чтобы поддержать достижение своей цели: полноцветное цифровое распознавание изображений с полным разрешением. Термин «фотосайт» является более подходящим для использования, чем «пиксель», при обсуждении многослойных конструкций, поскольку производители, как правило, используют термин «пиксель» для обозначения отдельных цветочувствительных элементов, или сенсоров, и на каждом фотосайте их друг над другом три. ,
Canon также подала патенты на конструкцию многослойного датчика CMOS, последний из которых был в течение года или двух. Они еще не использовали его, и его дизайн в настоящее время более примитивен, чем дизайн Foveon, однако он обещает.
Многослойная конструкция датчика является более сложной, чем конструкция Байера, возможно, в значительной степени в зависимости от конкретных проектных решений. Для активации строки / столбца требуется более сложная разводка, и эта разводка обычно должна быть многослойной. Каждый фотосайт в многослойном дизайне обычно использует один фотодиод, который регистрирует только яркость. Синий свет считается собранным в верхней части фотодиода, зеленый считается собранным в середине фотодиода, а красный считается собранным в нижней части фотодиода. Это связано с тем, что синие волны не очень глубоко проникают в кремний до того, как они преобразуются в электроны или тепло, зеленые волны проникают дальше, а красные - дальше всего. Механизмы, которые я не до конца понимаю (я не специалист по КМОП или кремнию), используются для независимого считывания заряда в основном сверху, в середине и снизу фотодиода.
В 15-мегапиксельной конструкции сенсора для считывания доступно 45 миллионов отдельных датчиков, поэтому скорость считывания обычно не особенно высока. Распределение света по слоям в фотосайте также отличается от дизайна Байера. Хорошо известно, что датчики Foveon обладают превосходным синим цветом по сравнению с другими конструкциями датчиков, благодаря тому, что полная площадь поверхности датчика способна воспринимать синий (против 25% в конструкции Байера), а также благодаря тому, что наиболее открытая и чувствительная часть фотодиода используется для сбора синего света. Зеленый и красный менее чувствительны и нуждаются в большем усилении или значительно большей площади поверхности для регистрации достаточного количества сигнала, чтобы быть действительно жизнеспособными в многослойной конструкции датчика. Таким образом, многослойные датчики не раздвигают границы, когда дело доходит до разрешения изображения ... пиксели должны быть большими, чтобы многослойный дизайн работал хорошо и при этом оставался конкурентоспособным по сравнению с проектами Байера.
Другие конструкции
В цифровом датчике изображения могут существовать другие нефункциональные структуры. Одним из ключевых факторов повышения качества изображения является максимизация отношения сигнал / шум ... особенно для самых низких уровней яркости. Квантовая эффективность - это способность чувствительного устройства преобразовывать фотоны в электроны (или в заряды), которые впоследствии можно считывать, усиливать и преобразовывать в цифровые биты. Датчик со 100% Q.E. был бы способен захватить каждый фотон и превратить каждый в электрон. Это технически невозможно. Датчики, которые способны на 80% -90% или более, обычно классифицируются как научные, и имеют непревзойденную чувствительность, чтобы соответствовать их беспрецедентной цене. Эти датчики часто переохлаждаются. Из-за наличия проводки для поддержки активации столбца, активации строки, сброса и других ключевых функций любого электронного устройства, между светочувствительной областью каждого пикселя есть промежутки. Также могут присутствовать дополнительные схемы для снижения шума, и это тоже занимает место. Любые фотоны, которые попадают в эти нечувствительные области, либо преобразуются в тепло, либо отражаются. Большинство датчиков DSLR потребительского класса имеют Q.E. в диапазоне 25-60%, причем более поздние конструкции сенсоров от Sony демонстрируют более 57% Q.E. (ОЧЕНЬ высоко для потребительского уровня устройства).
Есть несколько способов борьбы с вещами, которые уменьшают Q.E. Одним из способов является разработка датчика, который бы подвергался воздействию только светочувствительной поверхности или как можно большего количества светочувствительной поверхности, и скрывал бы все проводки и схемы шумоподавления под ними. Такие датчики обычно изготавливаются таким же образом, посредством травления EUV, поверх фоточувствительного материала. Последние датчики затем «переворачивают вверх дном», выставляя «заднюю часть» свету, а не «переднюю сторону». Это называется дизайн с подсветкой. Эти конструкции более дорогостоящие в изготовлении, так как схемы должны быть более аккуратно обработаны и упакованы в доступной зоне ... поэтому их обычно используют только для очень маленьких датчиков (т.е. для мобильных телефонов, P & S и компактных камер).
Еще один способ борьбы с потерей фотонов - использование микролинз. Микролинза - это небольшая линза над каждым фотосайтом, обладающая достаточной мощностью, чтобы изгибать свет, который в противном случае попадал бы на чувствительные части поверхности сенсора на каждый фотодиод. Все сенсорные конструкции Canon теперь используют микролинзы, а самые последние предлагают микролинзы без зазоров. Цель использования бесщелевых микролинз состоит в том, чтобы захватить как можно больше фотонов без какой-либо поразительной нечувствительной площади поверхности. На практике микролинзы эффективны, но не на 100%. У Sony есть несколько патентов на конструкции многослойных микролинз, которые нацелены на повышение их эффективности (не уверен, используется ли дизайн многослойных микролинз в реальном потребительском устройстве или нет.)
Сочетание микролинзирования и задней подсветки в конструкции с одним датчиком должно значительно улучшить Q.E. С добавлением усовершенствованного охлаждения, такого как термоэлектрическое (пельтье) охлаждение, конструкция датчика CMOS может приблизиться к уровням приборов научного уровня. Принимая во внимание тот факт, что Пельтье может быть изготовлен исключительно из надлежащим образом соединенного кремния P- и N-типа, нет никаких причин, по которым CMOS-датчик не может быть сконструирован со встроенным Пельтье, что, в конечном счете, является высокотехнологичным -шум, высокий сигнал красоты.