Введение

Цифровые камеры с размером кадра, соответствующим 35-мм кинопленке стали доступными примерно с 2003 года и их использование постоянно увеличивается. В настоящее время известны три модели таких камер: Arri D20, Dalsa Origin и Panavision/Sony. Камера Arri имеет матрицу CMOS со схемой управления 1С и цветоделительным фильтром Байера. Камеры Dalsa и Panavision содержат ПЗС матрицу в качестве светочувствительного элемента (прибор с зарядовой связью) и раздельные каналы формирования каналов RGB. Все эти камеры предназначены для формирования сигналов, существенно превосходящих параметры высококачественного телевидения (HDTV) и должны стать полезным дополнением к аппаратуре фильмопроизводства. Эти камеры по своим качественным показателям весьма близки к качеству 35-мм кинофильма с кадром 24 мм (Н) х 16 мм (V) при разрешении 10 мегапикселов. Важная способность упомянутых преобразователей свет-сигнал - совместимость с существующими киносъемочными объективами.

Форматы датчика

Рабочее поле зрения твердотельных преобразователей свет-сигнал у обычных видеокамер такое же, как у видиконной камеры формата 2/3-in. Вместе с этим существует много других форматов с соответствующей съемочной оптикой. Многие из них показаны на наряду с некоторыми форматами 35-мм фильма. Краеугольным камнем 35-мм съемочной оптики стало понятие старой теории «нормальной» оптики, где фокусное расстояние объектива приблизительно равно диагонали кадра изображения, обеспечивая приблизительный человеческий «угол поля зрения» без учета периферийного видения.
С маленькими преобразователями свет-сигнал должны использоваться короткофокусные съемочные объективы, чтобы достигнуть такого же эффекта (FOV), как при съемках 35-мм кинофильма с нормальной оптикой. Авторы здесь ни не подтверждают, ни отклоняют теорию нормальной оптики и определение субъективного угла поля зрения, но отмечают, что, снимая трехмерный мир на плоский кадр с нормальной оптикой, нельзя получить адекватных результатов для объективов с меньшими фокусными расстояниями и малыми размерами кадра. Таким образом, перспектива снимка, сделанного с маленьким датчиком и короткофокусной оптикой, отличается от такого же снимка, сделанного с большим форматом. Результат показан на рис. 2. С другой стороны, если необходимо установить фокусное расстояние соответственно 35-мм формату, тогда F0V изменился бы так, как показано.

Тенденции сложности изготовления и размер светочувствительной поверхности

Отказ от маленьких преобразователей свет-сигнал в пользу преобразователей 35-мм формата требовал преодоления серьезных экономических препятствий, связанных с процессом разработки преобразователя. 1С промышленность продвигается к все большему размеру с одновременным уменьшением размера пиксе ла, что обуславливает высокую сложностьтехнологии. Комбинацию этих тенденций показывает рис. 4. Прогнозы до 1993 года были довольно точны; однако, минимальный размер пиксела уменьшился еще быстрее и сложность 1С увеличилась до большей степени, чем предсказано4. Диаметр заготовки увеличился от 50 мм в 60-х и 70-х до 300 мм в 2005 году и продолжает расти.

Пространственное разделение пикселов в технологии CMOS обеспечивается при помощи маскирования, тепловой диффузии и ионной имплантации, в отличие от эпитаксиальной технологии.

До недавнего времени CMOS технологии использовали кремниевые пластины размером 100x100 мм, при этом выход готовых изделий не превышал 100 мм2. Для получения приборов CMOS с большими размерами использовалась технология «сшивания» отдельных образцов в единую конструкцию.

Технология прибора с зарядовой связью использует эпитаксиальный слой оптического качества непосредственную фотолитографию. Производители только недавно освоили эпитаксиальный слой на 200 мм пластине, до этого использовались пластины диаметром 150 мм. Так как в технологии преобразователей с зарядовой связью не требуются транзисторы в пределах площади пиксела, становится возможным производить большие устройства. В целом размеры CMOS 1С преобразователей также увеличились со временем; однако размеры приборов с зарядовой связью увеличились еще быстрее.

Новые разработки требуют существенных инвестиций, таким образом, эволюционный процесс для технологий CMOS 1С может быть медленным, в зависимости от требований рынка. При этом плотность дефектов, размер светочувствительной области и выход готовых изделий являются определяющими, как параметры управления для производства продукта.

Плотность дефектов и выход готовой продукции

Большие размеры светочувствительных поверхностей предъявляют требование к уменьшению плотности дефектов в процессе изготовления продукта. Это верно и для прибора с зарядовой связью, и для приборов CMOS. Технология прибора с зарядовой связью типично основана на оптической качественной кремниевой эпитаксии и имеет преимущество в меньшей плотности дефектов перед процессами изготовления CMOS. Для технологии CMOS работа управляющего пикселом транзистора является ключевой. Эту работу обеспечивают чрезвычайно маленькие размеры транзистора и тонкие активные слои. Формирование тонких активных слоев на поверхности оптического кремния сделано методом ионного облучения с последующей тепловой диффузией. При этом получение большого количества продукции без дефектов оказалось трудным для линий изготовления CMOS. Технологические требования к изготовлению приборов с зарядовой связью несколько проще, и поэтому большие выходы годной продукции могут быть более легко получены без дефектов. Небольшое количество дефектов прибора с зарядовой связью обычно можно устранить через цифровую обработку изображения, но иногда единственный дефект может вызвать массивное искажение цветопередачи и сделать устройство полностью непригодным, таким образом, плотность дефектов должна быть поддержана на очень низких уровнях. Некоторые примеры дефектов прибора с зарядовой связью показаны, включая исходный материал и дефекты изготовления. Эти дефекты делают устройство непригодным для использования в качестве преобразователей свет-сигнал, даже при том, что указанные устройства в целом работоспособны. Таким образом, плотность дефектов и выход готовой продукции являются основными параметрами предприятия - изготовителя.

Прибор с зарядовой связью против CMOS

Как показано на рис. 8, и в приборах с зарядовой связью, и в приборах CMOS каждый пиксел является приемником световой энергии. Как правило, весь пиксел может быть чувствительным к освещению, но для некоторых приборов с зарядовой связью и всех приборов CMOS часть светочувствительной области пиксела экранирована электронной схемой и электродами. Отношение светочувствительной области пиксела к его полной площади называется коэффициентом заполнения. Принцип действия приборов с зарядовой связью заключается в переносе электрического заряда, сформированного пикселом на специальную матрицу, с которой сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь. Такие переносы создают снижение эффективности преобразования свет-сигнал. Для приборов CMOS характерно отсутствие переноса заряда, и сигнал напряжения считывается с каждого пиксела. Это создает определенные преимущества в последующей обработке электрического сигнала, сформированного этим типом приборов, однако возникают потери световой энергии за счет снижения коэффициента заполнения и соответствующего уменьшения поглощения света каждым пикселом.

Функция передачи модуляции (MTF):

Весьма существенным параметром, определяющим разрешающую способность преобразователя свет-сигнал является коэффициент заполнения пиксела. На рис. 9, а приведены два варианта коэффициента заполнения. На левой части рисунка коэффициент заполнения составляет 25 %, а на правой -100 %. При низких коэффициентах заполнения снижается световая эффективность преобразователя, а также возникают большие скачки электрических потенциалов при переходе между пикселами.

Коэффициент заполнения в значительной степени определяет контраст изображения другие качественные показатели. Хотя размер пиксела является основным параметром, определяющим разрешающую способность изображения, коэффициент заполнения также определяет полное контрастное отношение на определенной пространственной частоте. Против ожидания, низкий коэффициент заполнения обеспечивает высокий контраст изображения. Рис. 9, b показывает расчетное значение контраста на различных пространственных частотах для различных коэффициентов заполнения. По вертикали отложен относительный контраст изображения, по горизонтали -значение пространственной частоты как гармоники критической частоты Найквиста, которая в этом случае является двумя отсчетами или пикселами на каждую пару линии разрешения. Как видно из рис. 9, Ь, при низких коэффициентах заполнения обеспечивается больший контраст изображения при одновременном увеличении неравенства яркости от пиксела к пикселу. При высоких коэффициентах заполнения снижаются скачки яркости от пиксела к пикселу, но уменьшается относительный контраст изображения. При этом разрешающая способность изображения, определяемая количеством пикселов, остается неизменной для всех рассмотренных случаев.

Основные отношения, описывающие MTF для прямоугольных или квадратных пикселов, - отношение SINx/x, полученное из уравнений: MTF geometnc= m(K/2)*(xJxDJ(f/f)

теоремы выборки, или, иными словами, половину от количества пикселов в направлении измерения. Это соответствует гармонике № 1 на рис. 9, Ь. Превышение критической пространственной частоты создает муаровые эффекты в изображении. Муаровые эффекты всегда нежелательными, и их практически невозможно удалить. Лучше всего исключить их появление вообще. Это возможно при условии оптического ограничения пространственной частоты ниже критической частоты Найквиста.

Для датчиков CMOS весьма важным является поиск компромисса между коэффициентом заполнения и электрическим потенциалом, генерируемом каждым пикселом. Для ПЗС матриц коэффициент заполнения обычно весьма высок.

MTF Квантовая эффективность на больших длинах волн (темно-красный цвет)

Современные приборы с зарядовой связью разрабатываются с использованием высоколегированных подложек для увеличения квантовой эффективности в области больших длин волн (темно-красный свет). Это по существу исключает возможность для соответствующих фотоэлектронов распространяться к смежным пикселам. С другой стороны, приборы CMOS вообще не имеют этого качества. Фотоэлектроны, продуцированные темно-красным излучением, свободно распространяются к смежным пикселам, уменьшая при этом контраст и разрешение в темно-красном свете. Это не является принципиальной проблемой, потому что получающийся результат можно корректировать соответствующими электронными системами.

Коэффициент поглощения

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны падающего света для кремния показан. При этом коэффициент поглощения не зависит от технологии, это физическое свойство кремния. Из рис. 10 видно, что коэффициент поглощения изменяется больше чем на порядок от синей области видимого спектра к красной области. Соответствующая квантовая эффективность приборов с ПЗС и CMOS преобразователями показана на рис.11. Как видно из рис.11 для CMOS преобразователей квантовая эффективность в красной области спектра весьма невелика. При этом электрический отклик пиксела на воздействие красного света настолько мал, что приходится использовать принцип экстраполяции, чтобы получить информацию об отклике на красный свет. Однако принцип экстраполяции, предполагающий накопление зарядов, может быть эффективно применен только для неподвижных объектов, например для цифровой фотографии. Это является специфической особенностью для CMOS преобразователей с тонкими активными слоями.
С другой стороны, приборы с зарядовой связью имеют очень низкий электрический отклик в синей области спектра, так как соответствующие фотоны поглощаются многочисленными кремниевыми слоями. Возможно уменьшение толщины кремниевых слоев, однако это является серьезной технологической проблемой, и выход готовых изделий при уменьшении толщины слоев снижается.

Заключение

В настоящее время продолжается совершенствование приборов с зарядовой связью и для технологий CMOS, что, вероятно, приведет к конвергенции этих технологий. Сегодня уже исследуются возможности использования эпитаксиального кремния при изготовлении CMOS. Это обуславливает возможность производства кремниевой основы с эпитаксиальными слоями при диаметре заготовки до 300 мм. Такие размеры заготовки обеспечивают увеличение выхода готовых изделий. Большинство заводов, производящих приборы с зарядовой связью также имеют линии изготовления CMOS. Эти заводы экспериментируют со смешанными процессами технологии для получения изделий, сочетающих в себе преимущества приборов с зарядовой связью и CMOS при одновременном исключении недостатков этих технологий.

Одним из путей совершенствовании указанных технологий является использовали освещения со стороны подложки. Освещаемая область при этом находится очень близко к активной поверхности пиксела, при этом практически исключаются оптические потери. Если смотреть на этот тип устройства, апертура кажется абсолютно черной с практически отсутствующим отражением света, что очень значительно увеличивает квантовую эффективность (QE). Используемые сегодня технологии обеспечивают QE значительно ниже 50 % из-за экранирования поверхностных структур электродами. Освещение задней стороны обеспечивает почти 100%-й QE, позволяя существенно расширить динамический диапазон каждого пиксела. В не слишком отдаленном будущем преобразователи, соответствующие форматам 35 мм кинопленки с освещением с задней стороны, позволят получить динамический диапазон, соответствующий 16 f - т.е, 16 фотографическим диафрагмам при умеренной стоимости изделий.