Что ограничивает размер цифровых датчиков изображения?

Question

Я прочитал некоторую информацию о размерах датчика здесь

http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format

в соответствии с этим, 35-миллиметровая ff-CMOS - это датчик с самыми большими размерами, используемый в цифровых камерах. Он имеет много преимуществ перед датчиками меньшего размера, что обусловлено его размером.

Почему нет еще больших датчиков, которые бы обеспечивали эти преимущества? 1,5FF, например .?

Answer 1

Вы можете сделать несколько очень больших ПЗС. В более старом пресс-релизе говорится о ПЗС-матрице, изготовленной для Военно-морской обсерватории США, с размерами 4 "× 4" и 10560 пикселей × 10560 пикселей. Это 111 мегапикселей на один датчик. Это не маленький.

^{(сверху пресс-релиз)}

Первое ограничение, которое имеет датчик, это то, что он должен быть одной пластиной из кремния, и это фиксированная цена. Вы можете создавать ПЗС, спроектированные с ПЗС с тремя ребрами (оставшийся край - это место, где вы можете считывать данные), например:

^{(с http://loel.ucolick.org/manual/deimos_ccd/science/overview/EL3160.html)}

Они часто используются в телескопах, чтобы получить большую область изображения только с небольшим увеличением цены. Обратите внимание, что существует проблема, заключающаяся в том, что каждый ПЗС необходимо калибровать отдельно от других (нет двух сенсоров изображения с точно одинаковым откликом) - это серьезная проблема для научных целей ( информация о калибровке для один такой ПЗС-массив ).

Мозаика CCD может быть значительно увеличена. PanSTARRS имеет сенсорный массив 1,4 гигапикселя , который состоит из массива матриц ПЗС 600 × 600 пикселей:

Выше представлен массив ПЗС размером 8 × 8, каждый из которых довольно маленький. Это тогда является частью большего массива из 8 × 8 этих сегментов, что дает общий массив датчиков 64 × 64. Это было сделано из-за экономии средств, скорости (быстрее считывать CCD с разрешением четыре тысячи 600 × 600 пикселей одновременно, чем считывание одной более крупной CCD), изоляции насыщенных пикселей и более легкой замены в случае дефектов.

LSST использует более обычные трехконтурные ПЗС для достижения своей цели в 3,2 гигапикселя. Каждый сегмент имеет матрицу 8 × 2 с датчиками 500 × 200 пикселей. Все те же факторы, упомянутые для PanSTARR, также присутствуют здесь. Ожидается, что считывание 3,2 миллиарда пикселей займет 2 секунды (что на самом деле довольно быстро). Переход к меньшему количеству больших ПЗС означает, что он медленнее, а не быстрее.

Таким образом, хотя в совокупности можно использовать несколько датчиков, они по-прежнему состоят из довольно небольших отдельных датчиков, а не из одного большого датчика (как это было сделано с 4 × 4-дюймовым датчиком USNO). В некоторых случаях ПЗС намного меньше, чем те, которые используются в точечных и съемочных камерах.

Посмотрите на это первое изображение датчика 4 × 4 ", а затем рассмотрите размер обычных датчиков на нем:

Здесь есть дополнительная информация для рассмотрения. Существует максимальная доходность от того, сколько вы можете положить на вафлю (вы просто не можете уместить больше) и количество отходов. Для того, чтобы сделать этот датчик 4 "× 4", им потребовалась чрезвычайно высококачественная пластина кремния. На обычном полном кадре есть недостатки в кристалле, независимо от того, сколько датчиков вы положили на пластину. С 8-дюймовой кремниевой пластиной (того же размера, что и верхняя - обратите внимание, что половина диаметра находится на «краю»), по всей пластине разбросаны дефекты. Чем меньше датчиков на пластине, тем выше вероятность того, что из-за недостатка датчика он станет непригодным для использования (36% отходов на подложке полнокадрового датчика против 12,6% на датчике 13,2 мм × 8,8 мм). Это одна из причин, по которой часто проводятся дополнительные исследования по увеличению плотность чипа, а не его увеличение (и у этого исследования плотности есть и другие приложения, такие как ускорение работы процессоров).

С датчиком, предназначенным для рамы 60 мм × 60 мм, на пластину можно установить только около 8 датчиков, и отходы растут. Там можно увидеть эффект масштаба на работе.

Учтите, что 15 или 16 рабочих датчиков от полнокадровой пластины стоят столько же, сколько и 213 или около того меньших датчиков ... и оцениваются соответственно. На следующем рисунке показана проблема с дефектами, расположенными в одних и тех же местах на пластине для штампов разных размеров.

^{(From http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wafer_die%27s_yield_model_(10-20-40mm)_-_Version_2_-_EN.png)}

Если вы хотите отойти от «изображения за один раз», вы можете получить один массив (ну, три - один для каждого цвета) датчиков, которые перемещаются по изображению. Они часто встречаются как отсканированные спины для широкоформатных камер. Здесь проблема заключается в точности оборудования, а не в размере датчика (память, хранение данных, быстрый ввод / вывод становятся значительными). Некоторые камеры имеют встроенный модуль, например, Seitz 6x17 digital .

.

Дальнейшее чтение:

• Экономика цифровых фотодатчиков

Answer 2

Крупнейшие CMOS-датчики, доступные в продаже для фотографий, имеют «средний формат» и имеют размеры около 44 мм х 33 мм. ПЗС-матрицы существуют в немного больших размерах до 54 мм х 40 мм. Возможно, были изготовлены датчики большего размера для научных целей.

Датчики изготавливаются путем проецирования маски на большую кремниевую пластину с использованием ультрафиолетового излучения. Затем пластина нарезается на отдельные датчики. Абсолютный предел размера датчика, который может быть получен с помощью этого метода, определяется размером круга изображения, создаваемого проектором (хотя могут быть и другие проблемы с очень большими датчиками, такие как использование энергии и тепловыделение, которые представляют собой жесткие ограничение по размеру).

Практический предел размера сенсора достигается гораздо раньше, так как он определяется производительностью, то есть сколько сенсоров нужно выбросить во время изготовления из-за дефектов. При изготовлении множества маленьких датчиков на одной пластине один дефект приведет к тому, что один датчик будет отброшен, но многие другие будут жизнеспособными, если один датчик занимает всю пластину, то один дефект будет означать, что датчики не будут произведены. Таким образом, урожай уменьшается с квадратом размера датчика, что делает датчики большего размера неэкономичным.

Экономия на масштабе также применима, датчики «полный кадр» 36 мм x 24 мм были бы более дорогостоящими, если их производить в том же объеме, что и датчики среднего формата.

Answer 3

Есть еще большие датчики. Если вы внимательно посмотрите на изображение в верхнем правом углу этой страницы, вы увидите, что самый большой датчик - это датчик 'Medium Format Kodak KAF' .

Хорошо, я понимаю, что это не так просто понять, потому что можно легко предположить, что фон этого изображения серый, а на самом деле изображение имеет белый фон.

Смотри лучше здесь .

Помимо этого датчика, есть еще один датчик, больший, чем FF. На этой же странице прокрутите до таблицы форматов и размеров сенсоров , щелкните столбец «Коэффициент обрезки», чтобы отсортировать таблицу, и посмотрите на форматы с коэффициентом кадрирования меньше 1. Извлеките форматы пленки. и вы получите следующие датчики в следующем порядке:

• Phase One P 65+, IQ160, IQ180
• Лист AFi 10
• Средний формат (Hasselblad H5D-60)
• Kodak KAF 39000 CCD
• Pentax 645D
• Leica S

Но будьте осторожны: у таких датчиков есть и недостатки: большие, тяжелые камеры и объективы. Гораздо сложнее построить объектив для такого сенсора (большего круга изображения) и ... ... конечно ... ... цены.

Answer 4

Еще несколько вещей, которые могут ограничить то, что практично, ниже того, что может быть изготовлено:

1. вес (полученной системы). Очень большому сенсору нужен очень большой круг изображения, что означает большие объективы и большую камеру.
2. потребляемая мощность. Большому датчику требуется больше энергии, чем маленькому, поэтому срок службы батареи уменьшается (если вы снова не увеличите размер и вес камеры для размещения батареи большего размера).
3. скорость. Для считывания большего датчика требуется больше времени, чем для считывания меньшего с той же плотностью сенсорного элемента. Таким образом, ваша «выдержка» снижается.
4. стоимость (намекает, но вступает в игру на нескольких уровнях). Конечно, датчик большего размера стоит дороже, чем маленький, не только потому, что ему нужно больше сырья, но также увеличивается количество выброшенных продуктов, стоимость которых приходится пересчитывать из меньшего количества продаваемых.