Учёный-исследователь, химик и нанотехнолог
33,8
рейтинг
2 мая 2012 в 13:24

Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер


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.



Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:

Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT, более обстоятельная статья дана тут: Современные чипы – взгляд изнутри
Взгляд изнутри: CD и HDD
Взгляд изнутри: светодиодные лампочки
Взгляд изнутри: Светодиодная промышленность в России
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Взгляд изнутри: мир вокруг нас
Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи
Взгляд изнутри: матрицы цифровых камер
Взгляд изнутри: Plastic Logic
Взгляд изнутри: RFID и другие метки
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 1
Взгляд изнутри: аспирантура в EPFL. Часть 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 2
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 3
Взгляд изнутри: мир вокруг нас — 4
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 1
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 2
Взгляд изнутри: 13 LED-ламп и бутылка рома. Часть 3
Взгляд изнутри: IKEA LED наносит ответный удар
Взгляд изнутри: а так ли хороши Filament-лампы?

и 3DNews:
Микровзгляд: сравнение дисплеев современных смартфонов

Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.

В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»

Yandex.Money 41001234893231
WebMoney (R296920395341 или Z333281944680)
Евгений @Tiberius
карма
589,5
рейтинг 33,8
Учёный-исследователь, химик и нанотехнолог
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (40)

  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • 0
    Познавательно. Спасибо
  • +18
    Пилите, Шура, пилите
    • +3
      Оно золотое…
  • +3
    Закрывающие матрицу стеклышко помоему ИК фильтр.
    • +1
      Поляроида там быть не должно, иначе все ЖК матрицы на фотках поплывут. Поляроидом надо управлять, статически лепить нельзя.
      • +1
        Причем тут поляроид? ИК и поляризационный фильтр — разные вещи.
        • +1
          Я знаю что разные. Немного некорректно выразился. В статье предполагалось что это поляроид, и я в поддержку комментария который предполагает что это ик, высказался что поляроида там быть не может.
    • 0
      Кстати, интересная версия! Спасибо, об этом я как раз и не подумал!
      • +1
        гхм. спустя 3 года уточню. Да, это ИК фильтр ибо все кремниевые матрицы чувствительны примерно влоть до 1000нм. напомню что предел красного 700нм. остальные 300нм просто не нужны. их глаз не видит, потому и матрица не должна.
  • 0
    Спасибо.
    Каждая статья просто огонь.
  • 0
    Когда, когда-же вы сделаете коллекцию обоев на рабочий стол в 1080p?! Да, я помню про ограничения, но хочется просто до жути.
    • 0
      Работаю над приложением для… пра-ра-ра-ра-пам… Android.
      Времени жутко не хватает всё совмещать, а когда такие косяки выходят, как с это статьёй (пришлось второй раз переписывать) — то времени на сон уже не остаётся…

      Кстати, 1080p запросто можно сотворить искусственно при помощи фотошопа;)
      • 0
        Жду, надеюсь и верю в Вас. Пожертвования на ночной кофе вышлю, как только до терминала дойду.
        Фотошоп — это же ненатурально. Только хардкор!
  • 0
    Стекло, наверное, АА(lowpass) фильтр
  • 0
    А когда я в детстве брал кусачки, отвертку и какой-нибудь бытприбор, меня мама шлепала по попке и все отбирала :(
    • +1
      Когда смотришь на все это технологическое буйство, приходят мысли что люди уже научились делать вещи не менее сложные чем умеет сама природа.

      ps: Такие статьи нужно производителям техники продавать, как рекламный материал, оправдывающий высокую цену хайтек-фототехники. :) Очень убедительно показана фантастическая сложность процесса производства.
      • 0
        Аргх… промазал веткой :)
  • 0
    Спасибо, очень интересные статьи!
    красиво и страшно)
  • 0
    Пожалуй стоит такие объекты углеродом запылять, что бы заряд не накапливался во время съемки. Или золотом.
    • 0
      Бесспорно! Главное не запылить самые интересные и «вкусные» части… поэтому приходится изворачиваться и снимать на «голую»…
      • 0
        По опыту, 1 nm золота объекты такого размера не замыливает, а проводимость поверхности улучшает существенно, так что результат того стоит.
        • 0
          На сколько я помню, у нас либо хромовая мишень — тогда образцы на один раз посмотреть (окислиться после стояния на воздухе и всё), либо платиновая (углеродный стержень/ниточки в расчёт не берём, так как они реально на больших увеличения замыливают изображение). Кстати, в статье, про RAM одна из картинок, где можно различить отдельные конденсаторы, получилась практически случайно и, мне кажется, что напыление могло её вообще испортить — просто ничего не было видно…

          Но будем стараться делать качественные картинки!;)
  • 0
    Отличный пост! Спасибо за интересную информацию!
  • +11
    Небольшая техническая поправка.
    Матрица в фотоаппарате Canon не подпружинена. Пружины — элемент юстировки. После настройки плоскости матрицы винты заливаются эпоксидной смолой, и матрица фиксируется недвижимо.

    Что касается самих матриц то в камере Canon стоит матрица производства фирмы Panasonic, модель Pentax'a я опознать, к сожалению не смог. Вероятно что матрица там либо фирмы Sony, либо фирмы Sharp.

    Разрешите прикрепить несколько макро-фоточек матриц:

    Общий план матрицы Canon A95, производитель — Sony.


    Укрупненный фрагмент дефектной матрицы, проблема — отрыв токоведущих проводников от кристалла.
    (Производитель — Panasonic, снята с Olympus)


    Укрупненный фрагмент распайки новых проводников трудолюбивыми мастерами из Поднебесной. Даже такое чинится, невероятно. Отчетливо видны новые места микросварки.

    • 0
      Вот в том-то и дело, матрица лежит на этих пружинках, притянута к основанию винтами и не залита ни эпоксидкой, ни силиконом…
      • 0
        Это значит уже результат упрощения техпроцесса. Но поверьте, к стабилизации это не имеет никакого отношения.

        Вот стабилизированный узел матрицы:
        • +10


          Стабилизация с помощью пьезоактуаторов



          Стабилизация шаговыми моторами



          Стабилизация на электромагнитном подвесе.
          • +2
            Ок, но это было всего-лишь предположение;)

            За картинки — спасибо!
    • 0
      Так вот как ты выглядишь, матрица Canon A95 производителя Sony, которая из-за гонки техпроцесса умерла в моём фотоаппарате и недавно отремонтирована по гарантии-акции спустя 4 года
      • 0
        Долго пришлось ждать однако… Надо было старую матрицу забрать)))
  • 0
    я вспомнил, как в детстве читал советские книги по физике и химии и поражался удивительно прекрасному миру внутри обычных вещей :)

    спасибо!
  • +2
    Вызвавшие у вас вопросы проводники скорее всего теневая часть матрицы, предназначенная для чтения кадра. Дело в том, что перенос заряда с открытой свету части матрицы в эту теневую часть происходит очень быстро, и сразу после такого переноса можно экспонировать следующий кадр на открытой части матрицы. А с «теневой» части «медленная» электроника спокойно читает предыдущий кадр. Иначе пришлось бы закрывать диафрагму на всё долгое время чтения полного кадра. А в такой схеме можно даже не закрывать её вообще — перенос происходит быстро и смазывание (из-за продолжающегося экспонирования во время переноса заряда) почти не заметно (хотя если знать что искать, его можно увидеть).
  • 0
    Шикарный пост. Спасибо. Немного увлекаюсь фото, от этого было ещё интереснее.
  • 0
    СУпер!
    ждем скиншотов из жизни современных процессоров :)
    • +1
      Так они же уже есть
      Единственное — красиво отодрать весь кристалла процессора от подложки и посмотреть на него сверху. Тут и кристалл уже подыскался от пользователя astim
  • 0
    Что-то меня столько раз в статье упомянули, что я аж покраснел немножно.
    Спасибо вам Большое за возможность посмотреть как оно внутри. У меня просто нет слов, чтобы описать всю гамму чувств, испытанных при прочтении статьи. Это шикарно!

    Во время пользования я не особо сильно ругался на стабилизацию, ибо тогда такими вопросами не задавался, а просто фотографировал. Вот пара изображений для примера.

    image

    image

    Шевеленку заметно, но я старался… )

    В бОльших сумерах, конечно, получалось не очень хорошо, но и фотографий таких я особо не делал, дабы не расстраиваться.

    Больше примеров фотографий в полном разрешении с этого Pentax'a можно посмотреть там.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.