ОБЗОР

Тридцать лет назад два американских инженера Джордж Смит (George Smith) и Вилард Бойл (Willard Boyle) из Bell Labs определили базовую структуру и принципы работы устройства, названного прибором с зарядовой связью - ПЗС (CCD, Charge Coupled Device). ПЗС состоит из отдельных фоточувствительных элементов, которые обладают способностью собирать и хранить электрический заряд, а самое главное, передавать его друг другу. Из линеек таких элементов состоят матрицы. Выходные усилители на концах строк ПЗС преобразуют заряд в напряжение, после чего сигнал может быть представлен практически в любой удобной форме.

Первая камера на ПЗС-матрице с качеством изображения, достаточным для телевизионного вещания, была продемонстрирована разработчиками Bell Labs в 1975 г. Сегодня трудно назвать устройство для преобразования изображения в электрический сигнал, в котором не использовались бы ПЗС-матрицы. Это цифровые видеокамеры и фотоаппараты, сканеры и считыватели штрих-кодов, копировальные и факс-машины. Даже в известном телескопе Hubble Space Telescope нашли применение “мозаики” сверхчувствительных ПЗС-матриц.

Новые фотоаппараты

Корпорация IDC предсказывает увеличение продаж цифровых фотокамер по всему миру с 3 млн. в прошлом году до 22 млн. к 2002 г.; емкость рынка к этому времени составит 5,7 млрд. долл. Накануне CeBIT’2000 практически все ведущие фирмы - производители цифровых фотоаппаратов представили свою продукцию на PMA-шоу в Лас-Вегасе. В камерах Casio, Canon, Olympus, Nikon и Sony использованы 3,34-мегапиксельные ПЗС-матрицы, а в аппарате корпорации Fuji Foto Film (www.fujifilm.com) - уже 4,3-мегапиксельная. По мнению большинства экспертов, разрешающая способность цифровых фотоаппаратов увеличивается ежегодно как минимум на 1 млн. пикселов. Еще в прошлом году устройствами high-end считались аппараты с 2-мегапиксельными ПЗС-матрицами.

Фотокамера Canon PowerShot S20

Хотя на рынке ПЗС высокого разрешения доминируют корпорации Matsushita Electric Industrial, Sharp и Sony, в фотокамерах таких фирм-производителей, как Casio, Canon, Nikon и Olympus, задействованы ПЗС-матрицы размером 1/1,8-дюйма производства Sony, которые она анонсировала прошлой осенью.

Корпорация Canon (www.canon.jp.co) представила самую маленькую в мире фотокамеру PowerShot S20 (www.powershot.com), оснащенную 3,34-мегапиксельной ПЗС-матрицей: ее размеры не превышают 10,4х6,7х3,2 см. Новый аппарат объединяет преимущества обычных 35-миллиметровых камер с достоинствами цифровой обработки изображения. Все получаемые изображения могут сохраняться в виде JPEG-файлов с различной степенью компрессии. Для записи предусмотрены три режима: Landscape, Portrait и Night Scene. Файлы можно формировать с разрешениями: 2048х1536 (максимальное), 1024х768 (среднее) и 640х480 (минимальное) пикселов. В качестве сменных носителей PowerShot S20 допускает использование карт типа CompactFlash (Type I и Type II), а также миниатюрного накопителя на жестких дисках IBM MicroDrive емкостью 340 Мб. Это позволяет хранить свыше 1000 снимков низкого разрешения.

Корпорация Casio (www.casio.jp.co), в свою очередь, продемонстрировала фотокамеру QV-3000EX с размерами 134х80,5х57,5 см. Время выдержки затвора варьируется от 1/1000 до 2 секунд. Источниками питания для аппарата служат либо четыре гальванических элемента типа АА, либо столько же одинаковых по размеру никельметаллгидридных аккумуляторов, образующих батарею. Для файлов могут использоваться два различных разрешения: 2048х1536 и 1024х768. QV-3000EX совместима с CompactFlash-картами (Type I и Type II), а также с накопителем IBM MicroDrive. При максимальной разрешающей способности на 8 Мб CompactFlash-карте хранится до 5 изображений, а на жестком диске - до 245. Камера поддерживает USB-интерфейс, цифровой вход-выход и видеовыход в форматах NTSC и PAL.

Большой интерес вызвала фотокамера CoolPix 990 корпорации Nikon (www.nikonusa.com). Модель продолжает традиции семейства цифровых компактных камер и предназначена она в основном для профессиональных фотографов. К отличительным особенностям нового устройства стоит отнести не только ПЗС-матрицу, но и объектив Zoom-Nikkor, обеспечивающий трехкратное масштабирование изображения. Фокусное расстояние составляет 8-24 мм, что соответствует 38-115 мм для обычных 35-миллиметровых аппаратов. Благодаря цифровому четырехкратному бесшаговому масштабированию, изображение можно увеличить в 12 раз. Высокоскоростной режим съемки позволяет снимать до 80 кадров формата QVGA (320х240 пикселов) со скоростью 30 кадров в секунду.

Фотокамера Fuji FinePix S1 Pro

В октябре 1999 г. Sharp и Matsushita представили образцы 1/2-дюймовой 3,37-мегапиксельной и 2/3-дюймовой 3,73-мегапиксельной ПЗС-матрицы соответственно. Однако если Sharp продает образцы своих изделий уже с октября, а в январе начала массовое производство, то Matsushita планирует выпуск новых ПЗС-матриц только в апреле.

Технология Super CCD

Корпорация Fuji Foto Film в кооперации с Fujifilm Microdevices прошлой осенью разработала технологию Super CCD и показала первый прототип 0,5-дюймовой 2-мегапиксельной ПЗС-матрицы с размером элемента изображения 4,5 мкм. Данная технология теперь используется во всех выпускаемых корпорацией ПЗС-матрицах. В отличие от обычной ПЗС-матрицы с фотодиодами квадратной формы и таким же расположением пикселов предложенная матрица имеет фотодиоды в форме восьмигранников и пикселы, расположенные под углом 45 градусов. Такая “сотовая” структура Super CCD позволяет повысить чувствительность, оптимизировать соотношение сигнал/шум, расширить динамический диапазон и улучшить параметры изображения: четкость, яркость и цветопередачу. По данным корпорации, в случае использования 1/2-дюймовой ПЗС-матрицы новая технология дает увеличение чувствительности в 1,6 раза по сравнению с обычной. При одинаковом качестве изображения количество пикселов на ПЗС-матрицах, созданных по разным технологиям, существенно различается: 2 млн. для обычной и 1,3 млн. для Super CCD. Как утверждают специалисты корпорации, эта технология теоретически позволяет создавать даже 10-мегапиксельные ПЗС-матрицы.

Новая технология Fuji Foto Film уже легла в основу создания фотокамер FinePix 4700 ZOOM (для любителей) и FinePix S1 Pro (для профессионалов). Первый из аппаратов использует 0,58-дюймовую 4,3-мегапиксельную ПЗС-камеру. Максимальная разрешающая способность достигает 2400х1800 точек. Диапазон времени выдержки составляет от 1/2000 до 3 секунд. Камера может воспроизводить до 80 секунд AVI-видео со звуком, хранимых на 16 Мб SmartMedia-карте. В розничной продаже FinePix 4700 ZOOM, поддерживающая USB-интерфейс, должна появиться в апреле по цене 999 долл.

Аппарат FinePix S1 Pro имеет 6,1-мегапиксельную ПЗС-матрицу размером 1,1 дюйма. Ее максимальная разрешающая способность достигает 3040х2016 точек. Диапазон времени выдержки составляет от 1/2000 до 30 секунд. Камера обеспечивает совместимость со SmartMedia- (до 64 Мб), CompactFlash-картами (Card Type II) и миниатюрными жесткими дисками IBM MicroDrive. Как известно, если даже сама камера при ударе о землю разобьется, то сделанные и сохраненные на CompactFlash-карте фотоснимки останутся невредимыми. Данные на подобных носителях без изменений можно хранить около 100 лет. К 2001 г. емкость накопителей MicroDrive должна возрасти до 1 Гб. Уже сейчас они могут хранить до 600 Мб информации.

FinePix S1 Pro записывает изображения в трех различных разрешениях (3040х2016, 2304х1536 и 1440х960), используя форматы файлов TIFF-RGB, TIFF-YC и JPEG. Для формата JPEG можно применять один из трех режимов сжатия: точный (Fine), обычный (Normal) или базовый (Basic). Для просмотра получаемого изображения служит 2-дюймовый ЖК-дисплей. В розничной продаже новая камера появится не ранее июня по цене 4 тыс. долл.

Технология SeeMOS

Для фотокамер низкого разрешения корпорация Philips Semiconductor предлагает использовать вместо сравнительно дорогих ПЗС-матриц более дешевые датчики на базе обычной КМОП-технологии, названной SeeMOS (CMOS, Complemetary Metal Oxide Semiconductor). Именно разновидности данной технологии лежат сегодня в основе производства микропроцессоров, микросхем памяти, аналого-цифровых преобразователей и т. п. Благодаря светочувствительным характеристикам кремния на базе КМОП-технологии нетрудно создать датчики изображения. В КМОП в отличие от ПЗС-матрицы каждый пиксел читается, как ячейка памяти, адресацией соответствующей строки и столбца.

Несомненным преимуществом датчиков, базирующихся на SeeMOS-технологии, является их малое энергопотребление (напряжение 3,3 В вместо 15 В). Это свойство позволяет использовать подобные датчики в устройствах, работающих от аккумуляторов или гальванических элементов, например в карманных компьютерах или новом поколении мобильных телефонов с возможностью воспроизведения видео, так называемых 3G-фонах. По словам специалистов Philips Semiconductor, при разрешающей способности 640х480 точек изображение получается просто превосходным. Недорогие устройства с подобным разрешением могли бы также найти широкое применение, например, в качестве Web-камер.

Технология Leaf C-MOST

Израильская корпорация Scitex (www.scitex.com) в начале января объявила о разработке технологии Leaf C-MOST, которая позволяет создавать 6,6-мегапиксельные КМОП-датчики в уникальном сверхтонком корпусе. На ее основе и был создан первый полноразмерный 35-миллиметровый КМОП-датчик для промышленного использования.

Scitex занимается конструированием и производством устройств для препринта и цифровой печати. В частности, ее подразделение Scitex Digital Printing выпускает сверхскоростные струйные принтеры, широкоформатные печатающие устройства и т. п. Главное направление подразделения Scitex Input Systems с 1986 г. - настольные цветные сканеры на основе ПЗС-матриц. В 1996 г. в нем разработана первая цифровая камера Leaf DCB, предназначенная для профессиональных студийных фотолабораторий и обеспечивающая качество обычной пленочной камеры.

Уникальность фоточувствительных датчиков, созданных по технологии Leaf C-MOST, состоит в том, что они могут размещаться в фокальной плоскости стандартных 35-миллиметровых камер и позволяют получать полноразмерное изображение с высокой разрешающей способностью при использовании обычной 35-миллиметровой оптики. Высокая чувствительность и низкий уровень шума позволяют этим устройствам конкурировать с ПЗС-матрицами.

Свои исследования и разработки корпорация Scitex ведет в тесном сотрудничестве с тремя другими компаниями: бельгийской FillFactory of Leuven, где конструируют КМОП-датчики, и двумя израильскими - Tower Semiconductor, занимающейся производством кремниевых пластин, и ShellCase, где создаются уникальные корпуса этих электронных приборов. Tower Semiconductor, как и британская VLSI Vision, известна своими исследованиями в области интеграции дополнительных функциональных блоков для обработки изображения на кристалле самого датчика.

Версия для печати