Динамический диапазон ПЗС-матрицы.

Опубликовано:Инструменты фотографа., Цифровая фотография|Tags: матрица фотоаппарата, Цифровая фототехника|By: Алексей Макеев|06/02/20133 комментария

{lang: ‘ru’}

Ранее уже было написано о динамическом диапазоне светочувствительных сенсоров фотоаппаратов. В связи с этим говорилось и о т. н. фотографической широте (фотопленки или матрицы неважно).

Теперь рассмотрим понятие динамического диапазона с физической точки зрения, т. е. исходя из устройства матрицы цифрового фотоаппарата.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы.

Для того, чтобы сенсор был чувствителен к большому диапазону освещенностей объекта съемки, т. е. мог воспроизводить как темные (теневые) его стороны, так и светлые (яркости) адекватно, пропорционально, у каждого пиксела должна быть потенциальная яма достаточной емкости. Такая потенциальная яма должна быть способной удерживать минимальный заряд при попадании на пиксел света от слабо освещенной части объекта, и в то же время могла вмещать большой заряд если освещенность части объекта велика.

Эту способность потенциальной ямы накапливать и удерживать заряд определенной величины называют глубиной потенциальной ямы. Как раз глубиной потенциальной ямы определяется динамический диапазон матрицы.

Динамический диапазон матрицы — это ее способность адекватно реагировать как на малые световые потоки, так и на большие, т. е. правильно передавать соотношение освещенностей реального объекта на получаемом изображении. Чем больше динамический диапазон, тем большее количество оттенков может передать матрица, тем ближе изображение будет соответствовать реальности.

При слабых освещенностях объекта на динамический диапазон влияет порог чувствительности отдельных элементов (пикселей), который в свою очередь зависит от величины темнового тока элемента.

С этим связана потребность разработчиков минимизировать потери заряда не только при его накоплении, но и при переносе из одной ячейки в другую. Физически процесс переноса заряда неизбежно сопровождается рассеиванием электронов и потерей отставших электронов при перетекании заряда из одной потенциальной ямы в соседнюю. Эффективность переноса заряда характеризуется долей заряда , перенесенного в следующую ячейку (измеряется в % от исходного заряда).

Об эффективности переноса следует сказать немного подробнее, чтобы понимать важность данного фактора. Возьмем для примера величину эффективности равной 98%. Пусть ПЗС-матрица будет 1024х1024 пк (совсем не большая). Тогда при указанной эффективности величина заряда полученного из центрального элемента такой матрицы на выходе, будет 0,98¹⁰²⁴х100%=0,0000001% от его начальной величины. (Всего лишь!).

Ясно, что при большом разрешении параметр эффективности переноса должен быть значительно больше. Для этого потенциальная яма должна быть более глубокой. При этом количество залипших на электродах переноса электронов значительно уменьшается. Для увеличения глубины потенциальной ямы в конструкцию ПЗС элемента введен канал с n-проводимостью (см. рис 1).

Рис.1 Устройство ПЗС-элемента.

Можно подсчитать, что для того, чтобы в матрице 1024х1024 пк обеспечить величину заряда, получаемого на выходе 98,98% от исходного значения, необходимо иметь эффективность переноса 99,999%. А для матриц с более высоким разрешением эффективность должна быть 99,99999%!

Далее имеется еще один эффект в ПЗС элементах. Эффект так называемого блюминга, т. е. растекания избыточного заряда из потенциальной ямы. Возникает он при накоплении заряда, превышающего емкость потенциальной ямы. Проявляется данный эффект на изображении в виде белых пятен правильной формы. Размер этих пятен зависит от степени засветки ПЗС-элемента.

Для снижения влияния эффекта блюминга в конструкцию ПЗС-элемента вводится электронный дренаж, способствующий отводу излишних электронов из потенциальной ямы. Реализуется в виде вертикального (Vertical Overflow Drain – VOD) и бокового (Lateral Overflow Drain – LOD) дренажа.

Вертикальный дренаж реализуется путем подачи отрицательного потенциала на подложку ПЗС-элемента. Величина этого потенциала определяется таким образом, чтобы при переполнении потенциальной ямы, избыточные электроны стекали в подложку (См. Рис 2).

Рис.2 Схематичное изображение вертикального дренажа.

Это имеет и отрицательный побочный эффект, который проявляется в снижении глубины потенциальной ямы, что в конечном счете приводит к уменьшению динамического диапазона.

Боковой дренаж реализуется путем создания специальных шлюзов. При такой конструкции дренажа глубина потенциальной ямы не меняется, правда несколько уменьшается светочувствительная площадь пиксела. Но эта проблема решается применением микролинз.

Схематичное изображение бокового дренажа.

Использование дренажа ведет к усложнению конструкции ПЗС-элементов, но это оправдано тем вредом, который наносится изображению благодаря блюмингу.

Еще одна проблема, ухудшающая качество изображения, получаемого ПЗС-матрицей — т. н. залипшие пикселы (stuck pixels), у нас их часто называют «битыми». Эти пикселы появляются при любой выдержке, в отличие от шума, имеющего хаотический характер, локализуются в одном и том же месте. Связаны они с некачественно изготовленными ПЗС-элементами, в которых даже при минимальном времени засветки происходит лавинообразный срыв электронов в потенциальную яму. Проявляются они на каждом снимке в виде точек, значительно отличающихся по цвету от рядом расположенных.

Для борьбы с этим дефектом в современных фотокамерах применяется специальное программное обеспечение. Суть действия этого программного обеспечения состоит в поиске таких пикселов и занесении в память камеры их координатов. Такой поиск осуществляется путем сравнения зарядов всех ПЗС-элементов матрицы с эталонной величиной, имеющейся в памяти фотоаппарата. Далее при обработке изображения эти точки исключаются из изображения и заменяются некоторым усредненным значением заряда соседних элементов.