На текущий момент почти во всех камерах стоят КМОП-матрицы. Как же работают такие матрицы? Как устроен процесс фиксации фотонов? Разбираемся.
Ниже приведена эквивалентная схема ячейки матрицы (пикселя). Если дружите с паяльником и электроникой, то можно собрать дома такую схему и руками "пощупать" как устроен пиксель.
Главный элемент, который хранит информацию о накопленном свете - это конденсатор, обозначенный на схеме цифрой (3). Перед началом съемки его нужно зарядить. Для этого на точку (7) подается сигнал (сигнал сброса - подается сразу на все пиксели матрицы) Связанный с ним транзистор открывается и через него начинает течь ток, заряжая конденсатор (3). Через некоторое время, достаточное для полной зарядки конденсатора, сигнал сброса снимается.
Всё готово к началу съемки. Подается сигнал на точку (2) (сигнал затвора - подается сразу на все пиксели матрицы). Связанный с ним транзистор открывается. Конденсатор не может разрядиться, т.к. этому мешает фотодиод (1). Но на фотодиод попадает фотон и через фотодиод проскакивает электрон. Так разряжается конденсатор. Чем больше за время экспозиции в фотодиод попало фотонов, тем меньше будет заряд этого конденсатора.
Время экспозиции закончилось. Снимается сигнал затвора. Нужно получить состояние заряда конденсатора. На матрице миллионы пикселей. расположенных в строках. Строки читаются последовательно. Для этого на шину выбора строки (5) (шина общая для каждой строки) подается сигнал, который открывает связанный с ней транзистор. Транзистор (4) работает как усилитель. От накопленного на конденсаторе заряда зависит насколько хорошо он будет пропускать ток до шины чтения сигнала (6). Производится чтение строки. Т.е. для каждой колонки в строке на шине чтения сигнала измеряется напряжение (преобразуется в цифровое значение). Далее подается сигнал на шину выбора другой строки и они все последовательно перебираются и считываются.
Примерно такая схема содержится в каждом пикселе. До чего дошел прогресс! А что если мы сделаем очень большую выдержку и конденсатор полностью разрядится? Эта ситуация называется переполнением пикселя. От ёмкости этого конденсатора зависит сколько электронов можно обработать при съемке. Чем больше, тем лучше. В характеристиках матрицы этот параметр указывается как Full well (глубина колодца). На картинке ниже это 50 тысяч электронов. Параметр связан с битностью аналого-цифрового преобразователя. Ведь, аналоговый сигнал с пикселя (шина чтения 6 - общая для каждой колонки) нужно при чтении еще и преобразовать в цифровое значение. Конденсатор в указанном примере может накопить 50К электронов. Значит, нужен ADC (Analog-to-Digital Converter), который сможет выдавать столько значений. Допустим, будет 15-ти битный ADC. Это значит, что он сможет выдавать 2^15=32768 возможных значений. Мало. У нас 50К значений. При 16-ти битном ADC будет выдавать 2^16=65536 возможных значений. Это то, что нужно. Такой параметр и указан в характеристиках.
Еще интересен параметр QE (Quantum Efficiency). Квантовая эффективность. Она показывает сколько процентов дошедших до матрицы фотонов будет преобразовано в сигнал. В примере с характеристиками сказано 80-91%. Т.е. восемь-девять из десяти фотонов будут участвовать в разряде конденсатора.
При чтении сигнала в цепи будут неминуемые помехи (или ошибки ADC). Этот параметр указывается как Read noise (шум чтения). Указывается в электронах на пиксель.
Недавно появились матрицы с обратной подсветкой. Что это такое? Строение человеческого глаза может вызвать недоумение. У нас свет сначала проходит через нервы от рецепторов, через несколько слоев прочих клеток, а потом попадает в сами рецепторы. Т.е. это как матрица, у которой провода спереди. Почитайте почему в нашем зрении есть слепое пятно. Естественно, часть света блокируется и искажается. Ровно такая же ситуация была до недавнего времени с матрицами. Фотоны сначала "пробирались" через электронные компоненты, а потом попадали на фотодиод. Это из-за технологических трудностей при производстве матриц. Потом трудности решили и фотодиоды стали располагаться над электронными компонентами. Это и есть "обратная подсветка". На самом деле она, наверное, не "обратная", а "нормальная". Из-за этого у матриц подрос показатель QE.
Надеюсь, матрицы стали чуть понятнее.
Темного вам неба!