Tiberius 2 мая 2012 в 13:24

Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер

10 мин

193K

Предисловие

Два месяца тому назад в статье, посвящённой сравнению LCD и E-Ink дисплеев, я упомянул, что одним из следующих обзоров будет «вскрытие» матрицы современного фотоаппарата. И спешу исполнить данное обещание!

Первым в «коллекцию» светочувствительных матриц попали фронтальная и задняя камеры смартфона одного известного корейского производителя, который был любезно предоставлен Василием Столяровым. Затем хабраюзер DarkWood, живущий недалеко от Москвы, прислал мне свой старенький неработающий фотоаппарат фирмы Pentax (здесь и далее я намеренно не буду указывать точную модель девайсов). Девайс был мёртв и это был хороший повод сдать его в мои заботливые руки, а не выкидывать, как многие делают.

И как только я собрался пилить, поступило ещё одно предложение от моего практически однокурсника, Ильи. От этого предложение я не мог отказаться. Мне презентовали относительно современный Canon, у которого были проблемы со съёмкой изображений.

Таким образом, на красно-революционно-первомайский стол ложатся три кандидата: OEM камера из телефона и фотоаппараты Pentax (самый пожилой среди всех участников) и Canon (пожалуй, самый молодой).

Если ещё кто-то не знает, зачем мы здесь собрались, то в подвале данной статьи есть ссылки на предыдущие «вскрытия». Если же кто-то запамятовал, как работает цифровой фотоаппарат или зачем нужна матрица, то милости просим на Wiki или просто посмотрите это видео от канала Discovery:

Часть теоретическая. CCD и CMOS

На сегодняшний день матрицы, выполненные по технологии CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) завоевали более 90% мирового рынка, а не так давно безумно популярным CCD (Charge-Coupled Device) уже пророчат скорый закат.

Причин тому масса, вот далеко не полный список преимуществ CMOS-технологии: во-первых, низкое энергопотребление в статическом состоянии по сравнению с CCD, во-вторых, CMOS сразу «выдаёт» цифровой сигнал, который не требует дополнительного преобразования (точнее преобразование происходит на каждом отдельном субпикселе), в отличие от CCD, которое является фактически аналоговым устройством, в-третьих, дешевизна производства, особенно при больших размерах матриц.

Кратко ознакомиться с принципами работы CMOS-матриц можно с помощью в двух видео от компании Canon:

Но все наши пациенты (может быть, за исключением матрицы камеры мобильного телефона) относятся к той эпохе, когда миром безраздельно правил CCD, а CMOS только набирался сил и светочувствительности, чтобы впоследствии занять лидирующие позиции. Поэтому несколько слов, всё же, скажу о том, как работает CCD-матрица. Более подробное описание всегда можно найти на страницах Wiki.

Итак, фотон от объекта съёмки, пройдя сквозь фильтр Байера, то есть цветофильтр типа RGBG, или фильтр RGBW и собирающую микролинзу, попадает на светочувствительный полупроводниковый материал. Поглощаясь, фотон порождает электро-дырочную пару, которая в ячейке под действием внешнего электрического поля «разделяется», и электрон «отправляется» в копилку – потенциальную яму, где он будет ожидать «чтения».

Схема устройства CCD матрицы (Источник)

Чтение же в CCD матрицы происходит «поячеечно», если так можно выразиться. Пусть мы имеем массив 5 на 5 пикселей. Сначала мы считываем количество электронов, а по-простому величину электрического тока, с первого пикселя. Затем специальный контроллер «сдвигает» все ячейки на одну, то есть заряд из второй ячейки перетекает в первую. Опять считывается значение и так, пока не будут прочитаны все 5 ячеек. Далее уже другой контроллер сдвигает оставшееся «изображение» на одну строчку вниз и процесс повторяется, пока не будут измерены токи во всех 25 ячейках. Может показаться, что это долгий процесс, однако для 5 миллионов пикселей он занимает считанные доли секунд.

Процесс считывания изображения с CCD матрицы (Источник)

Чтобы было совсем понятно, предлагаю ознакомиться со следующими видео:

Часть практическая

Обычно красивыми разборами занимаются люди в белоснежных перчатках, недавно они добрались и до фотоаппаратов, однако поговаривают, что за видео-инструкцию по сборке необходимо доплатить, отправив смс на короткий номер. Далее будут применяться чуть более чем полностью топорные методы, так что не советую повторять это в домашних условиях…

Как разбирался сотовый телефон всегда можно посмотреть на страницах предыдущей статьи, поэтому не буду здесь приводить эти душераздирающие кадры ещё раз.

Вышеупомянутый фотоаппарат Pentax был предоставлен мисьё DarkWood, у которого, как мне кажется, сейчас сердце должно обливаться кровью, а по щеке катиться скупая мужская слеза:

Разборка Pentax в фотографиях

Из всего многообразия деталей, нас пока интересует лишь LCD дисплей, который будет демонстрироваться школьникам, приходящим к нам, на ФНМ, на экскурсии, сама CCD матрица, стекло с чем-то подозрительно напоминающим поляризатор или фильтр и ИК-подсветка (красная лампочка) для ночной съёмки. Стоит отметить, что матрица жёстко закреплена на корпусе фотоаппарата. Следовательно, все вибрации Ваших рук будут без труда напрямую передаваться на саму матриц, что, согласитесь, никак не способствует качественной фотосъёмке. Видимо, DarkWood имеет железобетонные нервы.

Что между тем не помешало ему, «утопить» свой любимый фотоаппарат. Помните, когда летом Вы оправитесь в тёплые страны на море и будете пытаться сфотографировать очередную накатывающую волну, что фотоаппарат – устройство, в котором токи могут приводить к коррозии.

Следы коррозии прямо на шлейфе, ведущем к кнопке спуска затвора (к сожалению, не единственное такое место)

Сразу видно, что Canon – чуть более продвинутая, более современная модель, нежели Pentax. Например, матрица подпружинена (на левом нижнем изображении хорошо различимы маленькие пружинки). Такая пассивная система стабилизации изображения способствует получению более качественных и чётких снимков, если, конечно, Вы не неврастеник в запущенной стадии!

«Внутренности» Canon

Кстати, на фото справа внизу отчётливо виден громадный конденсатор, отвечающий за вспышку, из-за проблем с которым мне когда-то пришлось списать свою цифровую мыльницу Canon.

Камера мобильного телефона

Начнём наши изыскания с камеры мобильного телефона, которой будет посвящено не так много времени и слов в этой статье по причине того, что сама матрица имеет совершенно микроскопические размеры и с ней трудно работать (пилить, шлифовать).

Как не сложно заметить, на оптических микрофотографиях ниже матрица у края имеет две зоны: более светлую и более тёмную. Надеюсь, что все уже догадались: под светлой стороной нет диодов, она нанесена просто так, с запасом, чтобы максимально закрыть собой тонкую душевную организацию матрицы…

Накроем всё с запасом – нам не жалко

Микрофотографии, полученные с помощью оптического микроскопа, значительно отличаются, от тех, что выдаёт микроскоп электронный. Например, как на счёт «квадратуры сферы»?

Дело в том, что на оптике мы не видим каких-то прозрачных слоёв (да хотя б они и просто менее заметны), тогда как электронная микроскопия – прежде всего метод анализа поверхности, то есть вполне может быть так, что круглые цветные цветофильтры накрыты сверху квадратными «колпаками». При этом размеры такого кубосферического субпикселя составляют около 2,5 микрометров.

Вот такая она, квадратура сферы…кстати, в вакууме…

Матрица фотоаппарата Pentax

Исследование CCD-матрицы фотоаппарата Pentax начнём с оптических микрофотографий. К моему глубокому сожалению, из-за стерических затруднений, как говорят химики, в системе образец-микроскоп, не удалось снять при больших увеличениях и рассмотреть отдельные субпикселы.

Что-то написано, интересно, а можно тут где-нибудь увидеть имена маленьких китайских детишек?

Каждая посадочная площадка под контакты пронумерована, но не к каждой подведён тот самый контактный провод.

А вот так мы скоро будем учиться считать – с помощью нанотехнологий, естественно…

Чёткая граница между самой матрицей и «обвязкой»

А следующая микрофотография достойна учебника по электронной микроскопии. Знаете, почему электронный микроскоп не является средством измерения? Да-да, именно поэтому: из-за локального накопления заряда, вроде бы сферические объекты вдруг стали эллипсоидами:

Но мы-то знаем, что это сферы…

Далее взглянем на то, что находится вокруг светочувствительной матрицы. Так как я не являюсь специалистом в области создания электронных схем, то боюсь даже предполагать, зачем нужны все эти сложные конструкции и «хитросплетения» проводников, может быть, найдётся кто-нибудь, готовый пояснить назначение приведённых ниже деталей и компонентов (в комментариях, конечно же)?

Непоколебимые столбики, пережившие распил и полировку…

В этих слоях можно запутаться, а чёрту и ногу сломать

Этот выпуск «Взгляд изнутри» — знаковый, после нескольких лет «мытарств» нам, наконец-то, установили новую систему микроанализа, так что в некоторых случаях, я смогу не только приводить красивые картинки, но и пояснять из каких химических элементов увиденное состоит.

А вот и самое интересное – матрица во всей своей красе. Под сеточкой, в ячейках которой расположились микросферы-линзы, можно видеть отдельные фоточувствительные элементы (ну или их останки, точнее сказать затруднительно). Чуть ниже при обсуждении матрицы Canon я в деталях поясню «cross-section» устройство матрицы. Пока же обратимся к данным локального химического анализа. Оказывается, что сетка состоит из вольфрама, а микросферы, по всей видимости, это диоксид кремния, который сверху «укрыт» каким-то полимерным материалом. С более детальным анализом можно ознакомиться здесь.

Матрица во всей своей сложноустроенной красоте

Возвращаясь к первому СЭМ-изображению в этой главе, хочется отметить, что контактные площадки выполнены из чистого золота (о да!), однако проводники внутри сенсора, по всей видимости, состоят из алюминия, на который тончайшим слоем напылена медь, содержание которой на грани чувствительности прибора. Детальная информация представлена тут.

Матрица фотоаппарата Canon

Продолжим наше погружение в микро- и наномиры мы, как обычно, с оптической микроскопии. Как и в случае с Pentax, матрицу от фотоаппарата Canon не удалось снять на высоком увеличении вследствие геометрических нестыковок. Однако из полученных микрофотографий можно оценить размер отдельного субпикселя – около 1,5 мкм, что гораздо меньше, чем у матрицы мобильного телефона.

Оптические микрофотографии матрицы Canon

Кстати, один из виновников невозможности снимать на оптическом микроскопе при больших увеличениях – «покровное» стекло, закрывающее собой матрицу и её «начинку»:

Хороший кадр: передача за стеклом

Конечно, всегда самое интересное прячется на сколах, где разваливающийся строго упорядоченный мир даёт трещину, позволяющую заглянуть в самые сакраментальные уголки устройства:

Чуть позже мы ещё вернёмся к желтовато-оранжевым областям этой фотографии…

Уже знакомые нам столбики совершенно не понятного предназначения:

Как стойкие оловянные солдатики

Теперь рассмотрим более детально устройство CCD-матрицы. Сверху CCD-матрица покрыта чем-то, напоминающем полимерный слой (1), который защищает фоточувствительные элементы от агрессивной внешней среды. Под ним находятся микролинзы с красителем (2 и 3). Но так как электронная микроскопия не позволяет получать цветные изображения, то точно сказать, окрашена большая или маленькая сферы не представляется возможным. Микролинзы из диоксида кремния (наиболее вероятный материал для их изготовления) закреплены в ячейках вольфрамовой сетки (4), под которой скрывают фоточувствительные элементы (5). И, конечно же, вся эта конструкция покоится на подложке из чистейшего кремния!

С учётом того, что матрица дополнительно защищена «покровным» стеклом, то фотоэлементы защищены лучше, чем президент РФ в своём лимузине (если, конечно, сделать поправку на масштабный фактор).

Данные микроанализа можно скачать тут.

Устройство матрицы по пунктам. Описание в тексте

Но и это ещё не всё. У нас же осталось ещё стёклышко, прикрывающее матрицу, которое, как кажется, является поляризатором. Оно несколько шероховатое по краям, но практически идеально гладкое по всей остальной площади поверхности. Вроде бы оптическая микроскопия не даёт никаких результатов: стекло, как стекло.

Стекло с подозрением на поляризатор: ничего необычного

И только с помощью электронной микроскопии удаётся увидеть химконтраст на изображении и полосатую структуру. Толщина такой «плёнки» составляет всего-навсего 2,5 микрометра, при этом размеры отдельных слоёв 180 и 100 нм, соответственно, для более тёмных и более светлых. На основании данных микроанализа (тут), рискну предположить, что более тёмные области обогащены титаном, а светлые – алюминием. По-моему, это потрясающе!

Оказывается, внутри фотоаппарата своя полосата жизнь!

Послесловие

Такой мир уходящего века CCD-матриц предстал перед нами сегодня.

Спасибо всем (Василию за телефон, Илье и DarkWood за фотоаппараты), кто внёс свой посильный вклад в создание данной статьи. Вы – молодцы, что поддержали в этом нелёгком начинании!

И апофеоз данной статьи, а точнее его апофигей:

Покойтесь с миром, пока мы не придумаем вам нового применения

Бонус 1. Как выглядит зелёная пылевая буря в Москве?

Хотел сначала отдельным постом выложить, но решил не захламлять пространство. Буквально несколько дней назад Москву накрыло жёлто-зелёное облако, многие уже начали было готовится к приходу апокалипсиса, но обошлось… Что в реальности явилось причиной столь странной окраски?

Климат в последнее время барахлит на этой планете: то на Новый Год оставит без снега, то завалит снегом по самую макушку, то весна будет похожа на зиму, то вдруг неожиданно наступит лето. Цветы, деревья и растительность менее приспособлены к такого рода пертурбациям, поэтому 1,5 месяца весны сжавшиеся в 1 неделю заставили растения пересмотреть свои планы по размножению…

Утром, сев за письменный стол, я обнаружил на нём слой пыли, а протерев салфеткой, понял, что надо бы эту пыль как следует изучить. Сказано – сделано!

Но для всех у меня две новости: хорошая и плохая.

Хорошая новость – окраска жёлто-зелёного облака действительно была обусловлена большим количеством пыльцы (я насчитал, как минимум, три вида):

Состав московской бури: пыльца… Справа внизу пыльца на поверхности части растения

Плохая новость – этим мы тоже дышим, причём каждый день, а не в периоды размножения растений (микро- и наночастицы, которые не каждый фильтр поймает):

Состав московской бури: не очень приятная пыль и грязь

Бонус 2. Угадайте, что это?

P.S. В последнее время на ХабраХабре стало появляться большое количество постов, посвящённых тематике копирайта и «pay what you want». Например, собирают пожертвования в пользу ReactOS или на издание/написание книг. Подумал и решил тоже в это «ввязаться», так что дело за Вами, уважаемые читатели:

Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)

За неделю удалось собрать около 2 500 рублей — СПАСИБО всем, кто откликнулся и внёс свой посильный вклад!!!;)

P.P.S. Кстати, неожиданно для себя открыл, что некоторые мои работы под распилу тех или иных предметов подвигают людей на свои собственные открытия.

Иногда кратко, а иногда не очень о новостях науки и технологий можно почитать на моём Телеграм-канале — милости просим;)

Теги:

Хабы:

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку