http://poradumo.pp.ua

Online Журнал-Світ порад.
Головна сторінка
» » Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Погляд зсередини: матриці цифрових камер


Передмова

Першим в «колекцію» світлочутливих матриць потрапили фронтальна та задня камери смартфона одного відомого корейського виробника, який був люб'язно наданий Василем Столяровим. Потім мені прислали старенький непрацюючий фотоапарат фірми Pentax (тут і далі я навмисно не буду вказувати точну модель девайсів). Девайс був мертвий і це був хороший привід здати його в мої турботливі руки, а не викидати, як багато роблять.

І як тільки я зібрався пиляти, надійшла ще одна пропозиція від мого практично однокурсника, Іллі. Від цього речення я не міг відмовитися. Мені презентували щодо сучасний Canon, у якого були проблеми зі зйомкою зображень.

Таким чином, на червоно-революційно-первомайський стіл лягають три кандидата: OEM камера з телефону і фотоапарати Pentax (найстарший серед усіх учасників) і Canon (мабуть, наймолодший).

Якщо ще хтось не знає, навіщо ми тут зібралися, то в підвалі даної статті є посилання на попередні «відкриття». Якщо ж хтось забув, як працює цифровий фотоапарат або навіщо потрібна матриця, то ласкаво просимо на Wiki або просто посміться це відео від каналу Discovery:



Теоретична частина. CCD і CMOS

На сьогоднішній день матриці, виконані за технологією CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) завоювали більше 90% світового ринку, а не так давно шалено популярним CCD (Charge-Coupled Device) вже пророкують швидкий занепад.

Причин тому безліч, ось далеко не повний список переваг CMOS-технології: по-перше, низьке енергоспоживання в статичному стані порівняно з CCD, по-друге, CMOS відразу «видає» цифровий сигнал, який не вимагає додаткового перетворення (точніше перетворення відбувається на кожному окремому субпикселе), на відміну від CCD, яке є фактично аналоговим пристроєм, по-третє, дешевизна виробництва, особливо при великих розмірах матриць.

Коротко ознайомитися з принципами роботи CMOS-матриць можна за допомогою двох відео від компанії Canon:





Але всі наші пацієнти (може бути, за винятком матриці камери мобільного телефону) відносяться до тієї епохи, коли світом безроздільно правил CCD, а CMOS лише набирався сил і світлочутливості, щоб згодом зайняти лідируючі позиції. Тому кілька слів, все ж, скажу про те, як працює CCD-матриця. Більш докладний опис завжди можна знайти на сторінках Wiki.

Отже, фотон від об'єкта зйомки, пройшовши крізь фільтр Байєра, тобто цветофильтр типу RGBG, або фільтр RGBW і збирає микролинзу, потрапляє на світлочутливий напівпровідниковий матеріал. Поглинаючись, фотон породжує електро-діркову пару, яка в комірці під дією зовнішнього електричного поля «розділяється», і електрон «вирушає» в скарбничку - потенційну яму, де він буде чекати «читання».

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Схема пристрою CCD матриці

Читання ж CCD матриці відбувається «поячеечно», якщо так можна виразитися. Нехай ми маємо масив 5 на 5 пікселів. Спочатку ми зчитуємо кількість електронів, а по-простому величину електричного струму, з першого пікселя. Потім спеціальний контролер «зсуває» всі клітинки на одну, тобто заряд з другої комірки перетікає в першу. Знову зчитується значення і так, поки не будуть прочитані всі 5 клітинок. Далі вже інший контролер зрушує залишився «зображення» на одну сходинку вниз і процес повторюється, поки не будуть виміряні струми у всіх 25 клітинках. Може здатися, що це довгий процес, однак для 5 мільйонів пікселів він займає лічені частки секунд.

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Процес зчитування зображення з CCD матриці

Щоб було зовсім зрозуміло, пропоную ознайомитися з наступними відео:






Практична частина

Зазвичай красивими розборами займаються люди в білосніжних рукавичках, нещодавно вони добралися і до фотоапаратів, однак подейкують, що за відео-інструкцію по збірці необхідно доплатити, відправивши смс на короткий номер. Далі будуть застосовуватися трохи більше ніж повністю незграбні методи, так що не раджу повторювати це в домашніх умовах

Як розбирався стільниковий телефон завжди можна переглянути на сторінках попередньої статті, тому не буду тут наводити ці жахливі кадри ще раз.

Вищезгаданий фотоапарат Pentax був наданий мисье DarkWood, у якого, як мені здається, зараз серце повинно обливатися кров'ю, а по щоці котитися скупа чоловіча сльоза:

Погляд зсередини: матриці цифрових камер


З усього різноманіття деталей, нас поки що цікавить лише LCD дисплей, який буде демонструватися школярам, які приходять до нас, на ФНМ, на екскурсії, сама CCD матриця, скло з чим-то підозріло нагадує поляризатор або фільтр і ІЧ-підсвічування (червона лампочка) для нічної зйомки. Варто зазначити, що матриця жорстко закріплена на корпусі фотоапарата. Отже, всі вібрації Ваших рук будуть без праці передаватися безпосередньо на саму матриць, що, погодьтеся, ніяк не сприяє якісної фотозйомки. Мабуть, DarkWood має залізобетонні нерви.

Що не завадило йому, «втопити» свій улюблений фотоапарат. Пам'ятаєте, коли влітку Ви приїдете в теплі країни на море і будете намагатися сфотографувати чергову накочується хвилю, що фотоапарат - пристрій, в якому струми можуть призводити до корозії.

Погляд зсередини: матриці цифрових камер



Відразу видно, що Canon - трохи більш просунута, більш сучасна модель, ніж Pentax. Наприклад, матриця подпружінена (на лівому нижньому зображенні добре помітні маленькі пружинки). Така пасивна система стабілізації зображення сприяє отриманню більш якісних та чітких знімків, якщо, звичайно, Ви не неврастенік в запущеній стадії!

Погляд зсередини: матриці цифрових камер


До речі, на фото праворуч унизу чітко видно величезний конденсатор, відповідальний за спалах, з-за проблем з яким колись мені довелося списати свою цифрову мильницю Canon.

Камера мобільного телефону

Почнемо наш аналіз з камери мобільного телефону, якій буде присвячено не так багато часу і слів у цій статті з причини того, що сама матриця має зовсім мікроскопічні розміри і з нею важко працювати (пиляти, шліфувати).

Як не складно помітити, на оптичних мікрофотографіях нижче матриця краю має дві зони: світлішу і більш темну. Сподіваюся, що все вже здогадалися: під світлою стороною немає діодів, вона нанесена просто так, із запасом, щоб максимально закрити собою тонку душевну організацію матриці

Погляд зсередини: матриці цифрових камер


Мікрофотографії, отримані за допомогою оптичного мікроскопа, значно відрізняються від тих, що видає електронний мікроскоп. Наприклад, як на рахунок «квадратури сфери»?

Справа в тому, що на оптиці ми не бачимо якихось прозорих шарів (та хоча б вони і просто менш помітні), тоді як електронна мікроскопія - насамперед метод аналізу поверхні, тобто цілком може бути так, що круглі кольорові цветофильтри накриті зверху квадратними «ковпаками». При цьому розміри такого кубосферического субпікселя складають близько 25 мікрометрів.

Погляд зсередини: матриці цифрових камер


Матриця фотоапарата Pentax

Дослідження CCD-матриці фотоапарата Pentax почнемо з оптичних мікрофотографій. На мій превеликий жаль, з-за стеріческіх труднощів, як кажуть хіміки, в системі зразок-мікроскоп, не вдалося зняти при великих збільшеннях і розглянути окремі субпиксели.

Погляд зсередини: матриці цифрових камер


Щось написано, цікаво, а можна тут де-небудь побачити імена маленьких китайських діточок?

Кожна посадочний майданчик під контакти пронумерована, але не до кожної підведений той самий контактний провід.

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

А ось так ми скоро будемо вчитися рахувати - з допомогою нанотехнологій, природно

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Чітка межа між матрицею і «обв'язкою»

А наступна мікрофотографія гідна підручника по електронній мікроскопії. Знаєте, чому електронний мікроскоп не є засобом вимірювання? Так-так, саме тому: з-за локального накопичення заряду, начебто сферичні об'єкти раптом стали эллипсоидами:

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Але ми-то знаємо, що це сфери

Далі поглянемо на те, що знаходиться навколо світлочутливої матриці. Так як я не є фахівцем в галузі створення електронних схем, то боюся навіть припускати, навіщо потрібні всі ці складні конструкції і «хитросплетіння» провідників, може бути, знайдеться хтось, готовий пояснити призначення наведених нижче деталей і компонентів (в коментарях, звичайно ж)?

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Непохитні стовпчики, пережили розпил і полірування

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

В цих шарах можна заплутатися, а межу і ногу зламати

Цей випуск «Погляд зсередини» - знаковий, після кількох років «митарств» нам, нарешті, встановили нову систему мікроаналізу, так що в деяких випадках, я зможу не тільки приводити красиві картинки, але і пояснювати з яких хімічних елементів побачене складається.

А ось і найцікавіше - матриця у всій своїй красі. Під сіточкою, в комірках якої розташувалися мікросфери-лінзи, можна бачити окремі фоточутливі елементи (ну або їх останки, точніше сказати важко). Трохи нижче при обговоренні матриці Canon я в деталях поясню «cross-section» пристрій матриці. Поки ж звернемося до даних локального хімічного аналізу. Виявляється, що сітка складається з вольфраму, а мікросфери, по всій видимості, це діоксид кремнію, який зверху «укритий» якимось полімерним матеріалом.

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Матриця у всій своїй сложноустроенной красі

Повертаючись до першого СЕМ-зображення в цій главі, хочеться відзначити, що контактні площадки виконані з чистого золота (о так!), однак провідники всередині сенсора, по всій видно, складаються з алюмінію, на який найтоншим шаром напилю мідь, зміст якої на межі чутливості приладу.

Матриця фотоапарата Canon

Продовжимо наше занурення в мікро - і наномири ми, як зазвичай, з оптичної мікроскопії. Як і у випадку з Pentax, матрицю фотоапарата Canon не вдалося зняти на високому збільшенні внаслідок геометричних нестиковок. Однак з отриманих мікрофотографій можна оцінити розмір окремого субпікселя - близько 15 мкм, що значно менше, ніж у матриці мобільного телефону.

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Оптичні мікрофотографії матриці Canon

До речі, один з винуватців неможливості знімати на оптичному мікроскопі при великих збільшеннях - «покривне скло, що закриває собою матрицю та її «начинку»:

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Хороший кадр: передача за склом

Звичайно, завжди найцікавіше ховається на сколах, де розвалюється суворо впорядкований світ дає тріщину, що дозволяє заглянути в самі сакраментальні куточки пристрою:

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Трохи пізніше ми ще повернемося до жовтувато-червоним областях цій фотографії

Вже знайомі нам стовпчики зовсім не зрозумілого призначення:

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Як стійкі олов'яні солдатики

Тепер розглянемо більш детально пристрій CCD-матриці. Зверху CCD-матриця покрита чимось, що нагадує полімерний шар (1), який захищає фоточутливі елементи від агресивного зовнішнього середовища. Під ним знаходяться микролинзи з барвником (2 і 3). Але так як електронна мікроскопія не дозволяє отримувати кольорові зображення, то точно сказати, пофарбована велика чи маленька сфери не представляється можливим. Микролинзи з діоксиду кремнію (найбільш вірогідний матеріал для їх виготовлення) закріплені в комірках вольфрамової сітки (4), під якою приховують фоточутливі елементи (5). І, звичайно ж, вся ця конструкція покоїться на підкладці з чистого кремнію!

З урахуванням того, що матриця додатково захищена «покривним» склом, то фотоелементи захищені краще, ніж президент РФ у своєму лімузині (якщо, звичайно, зробити поправку на масштабний фактор).

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Пристрій матриці по пунктах.

Але і це ще не все. У нас залишилося ще скельце, прикриває матрицю, яка, як здається, є поляризатором. Воно трохи шорстке по краях, але практично ідеально гладке по всій решті площі поверхні. Начебто оптична мікроскопія не дає ніяких результатів: скло, як скло.

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Скло з підозрою на поляризатор: нічого незвичайного

І тільки з допомогою електронної мікроскопії вдається побачити химконтраст на зображенні і смугасту структуру. Товщина такої «плівки» становить всього 25 мікрометра, при цьому розміри окремих шарів 180 і 100 нм, відповідно, для більш темних і світлих. На підставі даних мікроаналізу, ризикну припустити, що більш темні області збагачені титаном, а світлі - алюмінієм. По-моєму, це приголомшливо!

Погляд зсередини: матриці цифрових камер

Виявляється, всередині фотоапарата своя полосата життя!

Післямова

Такий світ минулого століття CCD-матриць постав перед нами сьогодні.

Спасибі всім (Василю за телефон, Іллі та DarkWood за фотоапарати), хто вніс свій посильний внесок у створення даній статті. Ви - молодці, що підтримали в цьому нелегкому починанні!

І апофеоз цієї статті, а точніше його апофигей:

Погляд зсередини: матриці цифрових камер


Покойтесь зі світом, поки ми не придумаємо вам нового застосування

Джерело: habrahabr.ru
of your page -->

Популярні поради

загрузка...