Опубликовано на dpreview.com 17 марта 2023 года. Машинный улучшенный перевод статьи Ричарда Батлера. Оставлю его здесь для сохранности.
В этой статье рассказывается о значительном техническом развитии, которое мы наблюдаем в области датчиков изображения, а также делается попытка объяснить произошедшие улучшения.
Первой технологией, обеспечившей хорошие результаты и ставшей доступной для использования в потребительских товарах, стала технология CCD (устройство с зарядовой связью).
CCD-датчики считывают данные по одному пикселю за раз, заряд обязательно проходит через все соседние пиксели, перед тем как покинуть чип. Скорость, с которой это происходит, определяется током, подаваемым на чип, поэтому для быстрого считывания требуется много энергии.
Из-за ограничений по мощности, присущих небольшим батареям бытовых камер, этот процесс был относительно медленным, и просмотр в реальном времени на компактных устройствах происходил довольно неторопливо. CCD-датчики составляли основу раннего рынка цифровых камер с середины 1990-х до начала 2010-х годов, хотя в это же время продолжалось постоянное развитие технологии: пиксели становились меньше, а производительность датчиков улучшалась.
Тем временем разрабатывалась конкурирующая технология CMOS (комплементарная структура металл — оксид — полупроводник). Датчик по очереди передаёт выходной сигнал каждого пикселя на общий провод, а это означает, что заряду не обязательно проходить через все соседние пиксели, чтобы покинуть чип. Датчик работает быстрее, не требуя большого количества энергии. CMOS-сенсоры обходятся дешевле в производстве. Компания Canon была пионером в использовании CMOS в своей цифровой зеркальной камере Canon EOS D30 APS-C в 2000 году. В ближайшие годы производительность будет продолжать улучшаться, и компания Canon завоевывает репутацию производителя датчиков с превосходным качеством изображения при высоких значениях ISO.
Хотя некоторые фотографы с любовью вспоминают цветопередачу эпохи CCD, нет никакой объективной причины, по которой CCD-матрица могла бы передавать цвет иначе, чем CMOS. Любые различия, скорее всего, связаны с изменениями в проницаемости цветных фильтров и характеристик поглощения, поскольку производители пытались повысить производительность датчика при слабом освещении, используя фильтры, пропускающие больше света.
К 2007 году крупнейший в отрасли поставщик чипов (Sony Semiconductor) перешел на CMOS для своих чипов APS-C, и CMOS стала технологией по умолчанию в камерах с большим сенсором.
Ранние попытки создания CMOS с малым размером датчика не всегда были успешными, поэтому CCD-датчики продолжали ещё долгое время доминировать в компактных камерах, даже после того, как большинство камер с большой матрицей перешли на CMOS.
Быстрое считывание данных на CMOS-датчиках становится всё более важным как для захвата видео такими камерами, как Canon EOS 5D Mk II, так и при использовании функции LiveView, которая, с приближением беззеркальной эры, будет становиться все более востребованной при съёмке камерами с крупным сенсором.
В 2009 году были представлены первые CMOS-сенсоры с задней подсветкой (BSI) — технология, которая поначалу была полезна в первую очередь для крошечных пикселей в сенсорах смартфонов и компактных камер. Датчики BSI изготавливаются почти так же, как существующие конструкции с передней подсветкой, но материал подложки, на котором они построены, затем отсекается, и «задняя» часть датчика обращается к свету. Это означает, что у вас нет проводов и схем перед светочувствительной частью каждого пикселя, что увеличивает поглощение им света. Эти преимущества менее выражены в больших сенсорах, поэтому чипы Four Thirds, APS-C и полнокадровые BSI появятся не раньше, чем через несколько лет.
Продолжающееся развитие технологии CMOS привело к ряду серьёзных улучшений. Новые конструкции позволили включить больше аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и разместить эти АЦП ближе к пикселям. Это минимизировало количество электронного шума, который мог появиться до того, как будет зафиксировано напряжение считывания, а большее число АЦП означало, что каждый из них будет работать без перегрузки. Количество шума, добавляемого АЦП, зависит от их скорости, поэтому такая конструкция обеспечивает значительное снижение шума чтения.
Дальнейшее совершенствование этих конструкций способствовало снижению шума чтения, предвещая эпоху, когда стало возможным ожидать от большинства камер куда более широкого динамического диапазона, чем тот, который был включен в типичный JPEG, а это означает, что в файлах Raw стало гораздо больше полезной информации.
Только с 2014 года начался выпуск больших датчиков с технологией BSI. В больших сенсорах "обвес" составляет гораздо меньшую часть гораздо более крупных пикселей, поэтому применение технологии BSI не обеспечивает должного улучшения качества изображения. И всё-же это принесло свои преимущества. Первое связано с улучшением углов, под которыми пиксели могли воспринимать свет. Это особенно полезно в углах датчиков, где свет может падать на датчик под очень острым углом. Во-вторых, перемещение проводки за пикселем позволило создать более сложную схему, что означает дальнейшее увеличение количества АЦП и более быстрое считывание без увеличения шума.
Спустя почти десятилетие использование BSI все еще не является универсальным, поскольку оно не дает существенного преимущества в качестве изображения.
Ещё одним достижением в улучшении динамического диапазона стали датчики усиления с двойным преобразованием. Впервые они появились в сенсорах Aptina, используемых в камерах Nikon 1. Они имеют выбор режимов считывания для каждого пикселя: один, который максимизирует динамический диапазон при низких значениях ISO, другой имеет меньшую способность для динамического восстановления, но обеспечивает меньший шум чтения, обеспечивая лучшую производительность в тенях при высоких значениях ISO, где восстановление динамического диапазона не так критично.
Когда эта технология была лицензирована Sony Semiconductor, ее объединили с существующими конструкциями с высоким динамическим диапазоном для создания датчиков с отличным динамическим диапазоном при базовом ISO и повышением производительности при высоких значениях ISO. Производители не всегда афишируют эти двухрежимные конструкции, но именно использование двойного усиления обеспечило оригинальному Sony a7S превосходные характеристики при высоких значениях ISO (а не "жирные" пиксели, о которых вы, возможно, слышали).
BiCMOS — это современная передовая технология производства, которая развивает подход BSI еще дальше, создавая слои полупроводника, снимая их с подложки, а затем соединяя их вместе, чтобы обеспечить создание еще более сложных и изощренных схем. Это трудоемкий и дорогостоящий процесс, поэтому он применяется только в довольно маленьких чипах в смартфонах и компактных камерах, а также в очень высокопроизводительных моделях с большим сенсором. Как и в случае с BSI, его основные преимущества заключаются не в качестве изображения, а в возможности более быстрой и сложной обработки данных. Примеры, которые мы видели до сих пор, включали встроенную оперативную память, позволяющую датчику захватывать другое изображение, пока предыдущее все еще обрабатывается камерой, или двойные считывающие устройства, которые обеспечивают параллельные пути для считывания, один для считывания изображения в полном качестве и дополнительный канал для системы автофокуса и ЭВИ.
В настоящее время многоядерные CMOS-чипы лежат в основе некоторых камер с самой быстрой съемкой, а также камер с одним из самых низких скользящих затворов, что побудило компанию Nikon выпустить флагманскую камеру Nikon Z9 без механического затвора. Сложность и изощренность многоуровневых датчиков, вероятно, только возрастет в ближайшие годы.
Все это подводит нас к сегодняшнему дню. Сенсоры большинства потребительских камер превосходны, с огромным динамическим диапазоном при базовом значении ISO и очень низким уровнем шума при высоких значениях ISO, за исключением шумности света, который они улавливают. Современные датчики имеют исключительно низкий электронный шум и обычно регистрируют более 50% падающего на них света, а это означает, что современные технологии находятся менее чем в одной ступени от максимального улучшения. Могут быть способы улучшить IQ за счет более низких значений ISO или ноу-хау в интерпретации цвета. Но нам, вероятно, понадобится еще одно серьезное технологическое изменение, чтобы увидеть значительное улучшение качества изображения.
