oldi

Технологии цифровой фотографии

Олег Татарников

Матрицы для цифровых фотоаппаратов

   «Холодная война» CCD против CMOS

   «Пчелиная сота» Fuji Photo Film

   «Честный» пиксел Foveon X3

Мобильная фотография: преимущества и проблемы

 

Жидкие объективы будущего

 

Матрицы для цифровых фотоаппаратов

Появлению цифровой фотографии предшествовало изобретение в конце 60-х годов прошлого века фоточувствительных полупроводниковых устройств — комплиментарных металлооксидных полупроводников — КМОП (Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS), чувствительность к свету которых была обнаружена многими исследователями. Однако затем КМОП были вытеснены приборами с зарядовой связью — ПЗС (Charge Coupled Device, CCD), изобретенными позднее. Качество формирования изображений у CCD-устройств было для того времени столь высоким, что они быстро затмили CMOS-матрицы.

Первые CCD-сенсоры поступили в продажу в 1973 году и сразу стали идеальным выбором для изготовления светочувствительных сенсоров. Сегодня CCD-матрицы являются специализированными чипами, применяемыми, как правило, только для захвата изображения. Однако производство CCD-матриц трудоемко, потому их изготовлением занимается небольшое числом компаний, в частности Sony, Philips, Kodak, Matsushita, Fuji и Sharp. Тем не менее CMOS-матрицы тоже продолжают использоваться в фотокамерах, но, как правило, в дешевых (за редким исключением), а также применяются для изготовления памяти, обработки данных и других цифровых функций. Живучесть CMOS-кристаллов объяснялась до последнего времени только их низким энергопотреблением и гибкостью полупроводниковой технологии. Тем не менее ряд характеристик этих устройств продолжает привлекать к себе внимание производителей цифровой фототехники. Например, CMOS-технологии позволяют осуществлять обработку изображения в том же чипе (поскольку и сенсоры, и обрабатывающая аппаратура изготавливаются на одной и той же элементной базе), а цифровые камеры и другие устройства на базе CMOS-технологий получаются значительно дешевле и меньше по размерам.

В начале 90-х годов характеристики CMOS-сенсоров, а также технологии их производства были значительно улучшены, что привело к повышению фоточувствительности за счет увеличения эффективной площади облучаемой матрицы. Таким образом, в последние годы CMOS превратились в серьезную альтернативу CCD. Однако в сегменте высокоуровневых решений в обозримом будущем CCD, вероятнее всего, продолжат удерживать первенство.

«Холодная война» CCD против CMOS

CCD-матрицы строятся сегодня на основе различной архитектуры. Наиболее распространенными до последнего времени были матрицы с двумя разными механизмами сдвига кадра — перенос полного кадра (Full-Frame Transfer, FFT) и перенос кадра (Frame-Transfer, FT). В таких устройствах в качестве детекторов применяются фотоконденсаторы. В третьем типе архитектуры используются матрицы с межстрочным переносом (Interline Transfer, IT), где детектор состоит из фотодиода и фотоконденсатора.

Из всех трех типов FFT-матрицы имеют простейшие архитектуру, технологию производства и способ функционирования. Ввиду простоты конструкции, такие матрицы обладают наивысшим разрешением и большой плотностью, но очень медлительны. Архитектура FT-матрицы во многом схожа с предыдущей. Различие состоит лишь в том, что здесь добавляется идентичный, но отдельный и не чувствительный к свету параллельный сдвиговый регистр, который называется областью хранения (Storage Array). Преимущество такого построения заключается в возможности практически непрерывного ведения съемки. Однако для реализации этой архитектуры требуется вдвое большая площадь матрицы, чем для сенсоров FFT, и камеры на ее основе имеют меньшее разрешение и более высокую стоимость.

Ограничения FT-архитектуры преодолеваются матрицами с межстрочным переносом (IT-матрицами). Однако основным недостатком последних является сложность их изготовления, приводящая к повышению стоимости. Кроме того, у таких матриц ниже чувствительность, поскольку меньше площадь светочувствительной зоны, что равносильно уменьшению апертуры. Это также ведет к увеличению количества ошибок при оцифровке изображения.

Недавно один из лидеров производства CCD-матриц — корпорация Sharp — объявила о смене стратегии: она готова предложить так называемые FIT (Frame-Interline Transfer) CCD, вобравшие в себя все преимущества IT- и FT-технологий.

Сенсоры изображений, построенные на базе CMOS-структур, выполняют больше функций на одной микросхеме, чем CCD-матрицы. Такая интеграция функций на одном чипе является основным преимуществом CMOS над CCD. Кроме генерации электронов проводимости под действием падающего света и их переноса, CMOS-сенсоры могут сами производить обработку изображений, выделять контуры, понижать уровень шума и осуществлять аналогово-цифровые преобразования. Столь высокая степень интеграции не требует установки в цифровых фотокамерах дополнительных чипов, например процессора цифровой обработки сигналов и АЦП. Однако наиболее привлекательная их особенность — это возможность программирования различных функций, что позволяет делать CMOS-устройства очень гибкими. Вдобавок, поскольку CMOS-устройства потребляют меньше энергии, чем CCD, они не нагреваются, а следовательно, имеют более низкий уровень тепловых шумов.

Однако, несмотря на все последние достижения в области этих технологий, CMOS-сенсоры по-прежнему имеют недостатки: высокие уровень шума, ток утечки и остаточный заряд. Они компенсируются с помощью дополнительных схем, поэтому не удивительно, что при таких возможностях существует множество модификаций CMOS-сенсоров.

Критерии выбора между CCD- и CMOS-матрицами для производителей конечной продукции были довольно четкими лишь до 2001 года: CCD-матрицы обеспечивали лучшие показатели при съемке динамичных и мелких объектов, поэтому их использовали для построения систем, требующих высокого качества изображения, а CMOS отводилась ниша устройств, для которых критична конечная стоимость, — недорогие фотоаппараты, бытовая и офисная техника, а также игрушки. Правда, такие цифровые камеры, как Canon 10D и 300D, давали профессиональное качество снимков и на CMOS-сенсорах.

Но в 2001-2003 годах появились и начали стремительно завоевывать популярность такие устройства, как камерафоны (мобильные телефоны со встроенными фотоаппаратами), и противостояние CMOS- и CCD-сенсоров вышло на новый уровень. Сейчас, когда 1-1,3-мегапиксельные уже не редкость, а в продаже появились и 4-мегапиксельные камерафоны, многие производители начали пересматривать свое отношение к CMOS как к элементной базе дешевого оборудования.

Чтобы повысить качество, в процесс создания CMOS-сенсоров были внесены существенные изменения. Раньше их изготавливали на таких же высокоскоростных линиях, как и, например, микросхемы памяти. Сегодня растущая потребность в более качественных CMOS заставляет разработчиков переводить производство на менее скоростные специализированные линии. В результате они подорожали, и в настоящее время разница в стоимости CMOS-сенсоров и CCD-матриц сократилась до минимума.

«Пчелиная сота» Fuji Photo Film

По утверждению компании Fuji Photo Film, их первая цифровая фотокамера была выпущена в 1988 году. В то время цифровых фотоаппаратов выпускалось не так много, поэтому особенно острой конкуренции не было. Однако к началу 90-х годов разработкой и выпуском цифровых фотоаппаратов занялись и другие известные японские компании — Canon, Minolta, Nikon, Olympus, ранее выпускавшие традиционные пленочные фотокамеры. С годами именно они стали законодателями моды и стандартов в производстве цифровой фотографической аппаратуры — как прежде они были в производстве пленочной.

Однако к середине 90-х годов лишь отдельные модели цифровых фотоаппаратов обладали разрешением около 2 млн. пикселов, качественной оптикой и расширенным набором функциональных настроек — они тогда считались профессиональными. Большинство же представляли собой любительские камеры с низким разрешением (до 1 мегапиксела). Так, вплоть до конца 90-х годов цифровые камеры оставались довольно экзотическими устройствами, а их высокая стоимость (от одной до нескольких тысяч долларов) делала их недоступными для большинства покупателей.

Но вслед за известными изготовителями фототехники уже в конце 90-х годов за выпуск цифровых камер взялись поставщики компьютерной, офисной и бытовой техники — Epson, Hewlett-Packard, JVC, Ricoh, Samsung, Sony, Toshiba и др.

Конкуренция на этом рынке необычайно обострилась, поэтому компании Fuji Photo Film пришлось изобретать новые пути для завоевания покупателей. И тогда в этой компании проработали оригинальную матрицу Super CCD Honeycomb. Данная технология была создана с целью увеличения площади фотодиодов в каждом пикселе, что позволило бы повысить чувствительность и расширить динамический диапазон. В принципе, она основана на той же архитектуре CCD IT, но использует фирменную топологию (отдельные фотосенсоры на матрице выполнены в виде шестиугольников — «пчелиных сот», откуда и происходит название Honeycomb). По заявлению Fuji Photo Film, за счет такой топологии площадь матрицы используется более эффективно: она получает больше света на единицу поверхности и потому позволяет отображать более широкий динамический диапазон. Кроме того, преобразованиям подверглись цепи передачи электрических сигналов, чтобы оптимизировать скорость их передачи от сенсора до чипа. В результате сенсор давал хорошие результаты по вертикальному и горизонтальному разрешениям, к которым привык человеческий глаз.

 

Super CCD первого поколения была разработана в 1999 году. Массив линейно расположенных пикселов был повернут на 45°, а каждый фотодиод приобрел восьмиугольную форму. Обладая повышенной светочувствительностью, эта инновационная система отличалась сбалансированной комбинацией разрешения, чувствительности, динамического диапазона, соотношения «сигнал/шум» и глубины цвета. В 2001 году эта технология была удостоена престижной премии Walter Kosonocky Award за успехи в области твердотельных сенсоров изображений.

В 2001 году ее сменила Super CCD второго поколения, в которой было увеличено количество фотодиодов на единицу площади и реализовано подавление шумов, что в целом привело к заметному повышению резкости изображения.

Super CCD третьего поколения появилась в 2002 году. В ней была добавлена возможность видеозаписи в формате VGA (до 30 кадров/с) и реализован новый алгоритм обработки данных, который позволил повысить чувствительность до ISO 1600.

Далее компания Fuji Photo Film решила исправить недостатки обычных сенсоров при воспроизведении высококонтрастных изображений, содержащих и темные и светлые области. Обычно при фотографировании в темных областях падает детальность, а в светлых происходит засветка, в результате которой часть изображения приобретает однородно светлый тон. В конструкции последней матрицы — Super CCD 4-го поколения — для решения этой задачи используются парные фотодиоды, расположенные в виде двойных ячеек (две соты в одной). Компания Fuji Photo Film утверждает, что таким образом матрица может работать с приходящим лучом света любой интенсивности, что значительно расширяет динамический диапазон и широту экспозиции фотоаппарата. Один из фотодиодов каждой пары настроен на высокую светочувствительность, а второй — на низкую. Формально это означает возможность фотографировать даже при самом неблагоприятном освещении, причем на снимках должны быть хорошо проработаны мельчайшие детали как в ярко освещенных, так и в затемненных участках кадра — то есть должно быть достигнуто то, чего не хватает при съемках цифровой фотокамерой с традиционной CCD-матрицей. Однако на практике при низкой освещенности чуда не происходит, хотя, по уверениям компании, так называемая SR-матрица позволяет в четыре раза повысить динамический диапазон по сравнению с одинарным фотодиодом. Реально эта SR-матрица работает так, что одна половина сенсоров (большие S-pixel) отвечает за чувствительность (Sensitivity), а другая (маленькие S-pixel) — за диапазон (Range).

Объективно говоря, такие матрицы следует условно называть (N+N)-пиксельными, хотя компания Fuji Photo Film настаивает на удвоении в своих фотоаппаратах размерности (2xN). При этом выпущенные в 2003 году Super CCD-матрицы 4-го поколения с разрешением 6,03-мегапикселов позволяют либо получать изображения с эффективным разрешением 12-мегапикселов (матрица Super CCD HR), либо увеличивать вчетверо динамический диапазон фиксируемого изображения (матрица Super CCD SR).

Таким образом, не меняя общей технологии CCD IT, компания Fuji Photo Film в матрицах Super CCD первого поколения нашла компромиссное решение по обеспечению наиболее сбалансированных характеристик, в Super CCD второго поколения пошла по пути увеличения разрешения, в третьем поколении уделила особое внимание повышению чувствительности, а в четвертом поколении Super CCD SR почти в четыре раза расширила динамический диапазон.

Технология Fuji Super CCD является интересной альтернативой для камер, обеспечивающих (пусть и хитростью) высокое разрешение по приемлемой цене. Сегодня данная технология вполне отработана, и ее качество не вызывает нареканий.

«Честный» пиксел Foveon X3

Многие альтернативные разработки на фоне дискуссий вокруг CMOS и CCD остаются в тени, хотя, по предварительным данным, они легко составили бы конкуренцию обеим. Кроме CCD- и CMOS-технологий, в настоящее время разработаны и другие подходы к конструированию светочувствительных сенсоров. К примеру, американская компания Foveon создала новый тип сенсора, который работает аналогично фотопленке, поскольку тоже состоит из трех слоев, каждый из которых чувствителен к своему цвету. Технологии этой компании (а это бывшее подразделение National Semiconductor, возглавляемое Карвером Мидом — человеком, стоявшим у колыбели сверхбольших интегральных схем) некоторые сегодня считают наиболее интересными в области цифровой фотосъемки со времени изобретения CCD.

Как известно, в обычных камерах применяются мозаичные фильтры, снижающие разрешение и вносящие искажения в получаемый результат, либо сложные и дорогостоящие системы на базе трех CCD-матриц. Foveon сначала также пошла по второму пути, выпустив профессиональную камеру, получавшую полноцветное изображение комбинированием данных с трех монохромных 16-мегапиксельных сенсоров.

Однако в основе новой технологии, представленной Foveon под названием X3, лежит физическое явление, заключающееся в том, что с увеличением длины световых волн растет и глубина их проникновения в кремний. Фотодиоды, созданные чередованием зон проводимости первого и второго типов, размещаются один под другим на характерных глубинах для улавливания фотонов голубого, зеленого и красного цветов. Таким образом, получается универсальный датчик, регистрирующий информацию о всех трех цветовых компонентах изображения в одной точке, строго соответствующей координатам формируемого пиксела, и не требующий «рассчитывания» цвета по четырем смежным пикселам, как в традиционных технологиях. Данный подход не дает таких характерных для цифровых камер артефактов, как расплывание изображения (Blooming) и заметные радужные полоски на резких горизонтальных переходах. Если посмотреть на такие области изображения через увеличительное стекло, то можно обнаружить, что пикселы на границе двух областей имеют другой цвет, то есть алгоритм обработки изображения на границе перехода дает сбой, в результате чего и появляется этот эффект. Изображения, полученные на матрицах Foveon X3, очень четкие, а цвета — насыщенные. Кроме того, для получения качественного изображения не требуется создавать большую светочувствительную матрицу, что заметно снижает стоимость датчиков и объективов, а также уменьшает объем памяти, необходимой для хранения снимков. Матрицы X3 при том же количестве эффективных пикселов получают втрое больше световой информации и генерируют картинки с вдвое большим разрешением, чем традиционные сенсоры с мозаичными фильтрами.

 

Еще одним достоинством X3 является изменяемый размер пиксела (Variable Pixel Size, VPS). Объединение группы пикселов в один «суперпиксел» увеличивает соотношение «сигнал/шум», обеспечивая более качественную съемку в условиях плохого освещения, сокращает время получения кадра и ускоряет процесс автофокусировки. Кроме того, VPS открывает путь для создания нового класса гибридных продуктов — в нормальном режиме они могут работать как цифровой фотоаппарат, а с увеличенной площадью пиксела — как видеокамера, а также подходят для съемки быстродвижущихся объектов или слабоосвещенных сцен.

К тому же технология X3 легко масштабируется и позволяет изготавливать датчики практически любого разрешения для использования в фото- и видеокамерах. Первые чипы Foveon из-за малых объемов выпуска и высокой стоимости были рассчитаны на использование в профессиональных и полупрофессиональных цифровых фотоаппаратах. Но в компании Foveon утверждали, что микросхемы, производимые на мощностях National Semiconductor (по-прежнему являющейся крупнейшим держателем акций Foveon) по стандартному 0,18-микронному CMOS-процессу, позволяют существенно снизить себестоимость чипов, причем качество изображения будет выше, чем на пленке. До сих пор, как известно, матрицы Foveon в любительских аппаратах не применялись — их устанавливали лишь в дорогих «зеркалках» (D-SLR) Sigma SD9/SD10. Однако на практике у этой технологии обнаружились свои недостатки и технологические трудности, так что качества пленки достигнуть пока не удалось. Да, снимки, полученные с помощью сенсора Foveon X3, по детализации превосходят те, которые дают обычные матрицы. Но чувствительность матрицы оказалась невысокой, и на уровне ISO 400 шумы получаются уже большими. Выявились недостатки и у самих камер, и у конверторов файлов. Все это было учтено при разработке следующей модели — Sigma SD-10. Компания Foveon оснастила матрицу бесцветными микролинзами, повысив чувствительность до ISO 800. Sigma устранила двойное электропитание, обеспечила совместимость с беспроводной TTL-вспышкой EF500S и улучшила алгоритм работы системы автофокусировки. Подверглось доработке и программное обеспечение Photo Pro 2.0.

Тем, кто внимательно следит за эволюцией и внедрением матриц от Foveon для цифровых фотокамер, станет интересен выпуск недорогой цифровой камеры Polaroid x530, которая будет оснащаться 4,5-мегапиксельным сенсором Foveon X3.

Однако выпуск Polaroid x530 по непонятным причинам задерживается. Появление этого фотоаппарата по цене порядка 400 долл. ожидалось в июне 2004 года, но так до сих пор и не произошло. О самой камере сейчас известно только то, что она будет выпускаться гонконгской компанией World Wide Licenses Ltd (подразделением The Character Group PLC), будет поддерживать режим записи фотоснимков в форматах JPEG и RAW, а также видеоклипов с VGA-разрешением (640x480, 24 кадра в секунду). Возможно, выпуск именно этой камеры станет прекрасной возможностью для многих любителей на деле оценить преимущества и недостатки матриц Foveon X3.

Из других альтернативных подходов к цифровой фотосъемке можно выделить продукт компании Innotech под названием VMIS (Voltage Modulation Image Sensor). Компания пока не разглашает секретов своей технологии, однако заявляет, что в ее основе лежит процесс обработки сигналов, схожий с тем, что используется в CMOS, со всеми его преимуществами, включая низкое энергопотребление. При этом качество изображения будет сопоставимо с CCD. Лицензию на производство VMIS-модулей уже приобрела компания Fujitsu, которая собирается использовать их, помимо мобильных телефонов, в системах контроля автотрафика и в охранных видеокамерах.

В начало В начало

Мобильная фотография: преимущества и проблемы

Интеграция цифровых камер в мобильные телефоны (или так называемые camera phones — камерафоны) сегодня является едва ли не самым модным направлением в индустрии устройств сотовой связи. «Симбиоз» телефона и камеры — это новый этап в развитии технологий в данной области, и в последнее время здесь также появилась тенденция к быстрому наращиванию количества мегапикселов. Каждая компания-производитель мобильных камерафонов стремится к увеличению разрешения и улучшению качества получаемых с помощью данных устройств изображений.

По данным аналитического агентства Strategy Analytics, в последнее время в мире продается около 100 млн. мобильных телефонов в год, причем только в 40% из них сегодня отсутствует встроенная фотокамера.

Правда, тон здесь пока продолжает задавать Япония, которая продает около 70% телефонов с фотокамерами и другими продвинутыми возможностями. Вообще, большинство нововведений, касающихся мобильных устройств, в частности телефонов, прежде чем попасть на международный рынок, тестируются японскими пользователями — главными потребителями высоких технологий. Так было с общедоступными ныне сервисами SMS, WAP, MMS, GPRS и с телефонами, оснащенными цифровой камерой, — сначала они снискали популярность у самой фотографирующей нации. В других странах телефоны с фотокамерами еще не столь популярны, а в некоторых — даже запрещены. Например, запрет на них введен Саудовской Аравии, в Арабских Эмиратах и во многих других исламских странах. Но мобильные телефоны со встроенными фотокамерами и там находят своих покупателей, став нелегальным товаром. Налагаются ограничения на использование телефонов с камерами в различных общественных местах. Запрет или ограничение на использование мобильников с камерами введен также на многих предприятиях, где стремятся сохранить в тайне фирменные технологии и пр.

Действенный способ ограничить нелегальную съемку — оснастить фотоаппараты с камерами функцией громкого звука срабатывания затвора при съемке. Наверное, если все телефоны будут издавать такой звук, не всегда приятный даже при фотографировании обычной камерой, то проблема несанкционированной съемки исчезнет сама собой.

Сегодня иметь встроенные фотоаппараты стремятся и американские, и европейские пользователи сотовых телефонов, которые вместе с японцами составляют основную массу потребителей телефонов с цифровыми камерами.

Разумеется, появление мобильников со встроенными камерами не могло не повлиять на рынок цифровых фотоаппаратов. Продвинутым многомегапиксельным фотоаппаратам пока ничего не грозит — на них всегда будет спрос, а вот массовые дешевые (и небольшие) мыльницы уже не выдерживают конкуренции. Их функции сегодня берут на себя камерафоны с 1,3-мегапиксельной матрицей. Причем портативность камерафонов особенно больно ударила по маркетингу дешевых цифровых фотоаппаратов, так как вся реклама последних была построена на пропаганде простоты использования и небольшой массы у дешевых цифровых моделей в противовес многомегапиксельным полупрофессиональным устройствам. Теперь эта реклама будет работать на совсем другие фирмы и иные устройства — камерафоны!

Однако, чтобы камерафоны могли конкурировать с фотоаппаратами, их производителям пришлось решить целый ряд довольно серьезных проблем, связанных с использованием большого числа пикселов в малых по размерам устройствах. Когда в 2001 году между светочувствительными сенсорами для мобильных телефонов началась конкуренция, то вопрос о том, что выбрать — CCD или CMOS-сенсоры, практически не стоял. Чувствительность матрицы не была главным приоритетом, важнее было обеспечить продолжительную автономную работу от аккумуляторных батарей и недорогую элементную базу, что и определило выбор в пользу CMOS.

Но вскоре, как и в случае с цифровыми фотоаппаратами, пользователям камерафонов потребовалось делать качественные снимки в сложных условиях, например во время движения или при недостаточной освещенности. Выпуск корпорацией Sanyo коммерческого CCD-сенсора для сверхпортативных фотографирующих устройств положил начало переходу на более чувствительную технологию, тем более что разница в стоимости 0,31-мегапиксельных CMOS- и CCD-матриц составила к тому времени примерно 4 долл. Первой к CCD-матрице обратилась корпорация Sharp, которая объявила о смене архитектуры матриц для мобильных телефонов, предложив так называемые FIT (Frame-Interline Transfer) CCD, сконцентрировавшие в себе все преимущества IT- и FT-матриц.

Компания Motorola разработала SXGA-модуль для фото- и видеокамер, встраиваемых в мобильные телефоны по собственной технологии. 1,3-мегапиксельный сенсор производится по ImageMOS-технологии обработки кремниевых пластин и обеспечивает разрешение снимков до 1280x1024 пикселов. В разработке были использованы патентованные технологии производства точечных фотодиодов и пиксельный дизайн от Motorola и Kodak. Данный модуль имеет также почти все необходимые компоненты для приема и декодирования цифрового видеопотока в стандарт MPEG-4. В микросхеме интегрирован кодер MPEG-4, позволяющий проводить двухсторонние видеоконференции (интегрированный объем видеопамяти — 12 Мбайт). Такой модуль, возможно, найдет применение в мобильных телефонах третьего поколения (3G).

О выпуске миниатюрного модуля для мобильных телефонов и PDA с использованием своей технологии Super CCD объявила и компания Fuji Photo Film. Ее матрица Super CCD Honeycomb основана на архитектуре IT, но имеет другую геометрию. При этом каждый пиксел такой CCD-матрицы содержит по два фотодиода, что позволяет расширить динамический диапазон камеры. Модуль FM42000 с 1/3,8-дюймовой матрицей Super CCD Honeycomb интересен тем, что при габаритах всего 14Ѕ12Ѕ10 мм обладает 1 млн. эффективных пикселов, что благодаря технологии Honeycomb позволяет производить интерполяцию при записи снимков до 2 млн. пикселов (то есть получать снимки с разрешением 1632Ѕ1224). Модуль также комплектуется объективом, производимым под брендом Fujinon, состоящим из трех линз в трех группах (с режимом макросъемки). Питание модуля осуществляется от источника постоянного напряжения 3,2-5,5 В, при этом энергопотребление не превышает 210 мВт.

С 2005 года компания Mitsubishi Electric планирует выпускать новый модуль 4-мегапиксельной камеры CMO51, который будет встраиваться в мобильные телефоны (размеры модуля: 22,8x12,2x11,4 мм). Камера-модуль будет иметь автофокус и функции подстройки цвета. Этот продукт также оснащен матрицей Super CCD, как у моделей Fuji Photo Film, но разработки и производства компании Mitsubishi. Эффективное разрешение камеры, построенной по такой технологии, составляет 2 мегапиксела, однако процессор, формирующий изображение, может увеличивать разрешение в процессе записи вплоть до 4 мегапикселов. Компания Mitsubishi использовала тот же прием, что и Fuji Photo Film, — два диода на один пиксел.

Два других производителя CCD-матриц для цифровых фотоаппаратов — Sony и Matsushita Electric — вышли на рынок мобильных устройств с матрицами IT CCD, аналогичными применяемым в фотоаппаратах, но с размерами 1/4 и 1/6 дюйма. Однако производители таких миниатюрных матриц столкнулись с серьезной проблемой. При увеличении разрешения матриц особенно остро встал вопрос необходимости уменьшения размера пиксела, а вернее расстояния между центрами соседних ячеек (субпикселов). Для уменьшения размера ячейки пришлось применять сложную систему микролинз, способных обеспечить большую концентрацию света, попадающего на фотодиод, а также дополнительный слой полупроводников для увеличения мощности светового потока. При этом размер ячейки удалось довести до 3,2 мкм против прежних 4,5 мкм (производители цифровых фотоаппаратов давно преодолели планку в 2,8 мкм, но в мобильных телефонах такие матрицы не применяются).

 

Однако после уменьшения размера ячейки возникла необходимость в модернизации оптических систем, так как иначе все усилия производителей матриц оказались бы бесполезными, поскольку разница в качестве изображения между 0,31-0,35- и 1,3-2-мегапиксельными матрицами при съемке прежними примитивными объективами с низкой светосилой была бы несущественной.

Одну из первых разработок новой трехлинзовой оптической системы, позволяющей решить эту проблему, представила в 2003 году компания Matsushita Electric. Все шесть поверхностей трех линз этого объектива являются асферическими.

Другое решение предложила компания Konica, которая пошла по пути уменьшения толщины объектива и оптимизации оптического тракта под новую 1/4-дюймовую мегапиксельную матрицу (длину оптического тракта удалось довести до 8 мм). А компании Milestone удалось уменьшить этот показатель до 7 мм за счет применения четырех асферических линз вместе с 1/4-дюймовой матрицей с размером ячейки 2,8 мкм (большие размеры ячеек сделали бы мегапиксельную фотографию бессмысленной).

Итак, проблемы решены, а операторы мобильной связи уже придумали, как использовать открывшиеся возможности. Например, японские операторы возлагают на мегапиксельные камерафоны особые надежды по продвижению телефонов поколения 3G, так как возрастет потребность передачи картинок большого разрешения.

     

Жидкие объективы будущего

Вопрос: Как-то раз на яхте в море вышли: голодный студент-дистрофик, подслеповатый аспирант, толстяк-доцент, глухонемой профессор и облысевший лаборант-физик. Внезапно у профессора за борт упал бумажник с крупной суммой денег. Кого лучше всего отправить в воду доставать бумажник?

 

Ответ: Подслеповатого аспиранта.

Пояснение: показатель преломления кристаллика глаза больше показателя преломления воды. Только очень близорукие люди видят под водой более-менее нормально* .

Нидерландская компания Philips создала уникальную оптическую систему FluidFocus, в конструкции которой полностью отсутствуют механические подвижные детали. Принцип работы FluidFocus повторяет устройство человеческого глаза: она не содержит движущихся механических частей и фактически имитирует человеческий глаз, в котором фокусировка осуществляется за счет изменения формы хрусталика.

FluidFocus состоит из двух несмешивающихся жидкостей с различными коэффициентами преломления: электропроводящего водного раствора и нейтрального масла. Они помещены в цилиндр с прозрачными основаниями, покрытый изнутри гидрофобным материалом. Благодаря этому поверхность водного раствора приобретает форму полусферы и становится способной выполнять функции линзы. Кривизна ее может регулироваться в широких пределах с помощью электрического поля, изменяющего поверхностное натяжение жидкости (используется эффект электросмачивания).

Объектив представляет собой небольшую трубку с прозрачными торцами, заполненную данными жидкостями. При этом его фокусное расстояние меняется менее чем за 10 мс. Кроме того, согласно утверждению ученых Philips, FluidFocus обладает большой долговечностью и надежностью. Так, в ходе проведенных экспериментов устройство выдержало более 1 млн. операций фокусировки без какого-либо ухудшения оптических характеристик; при этом оно способно работать в широком диапазоне температур и отличается хорошей удароустойчивостью.

Энергопотребление системы очень низкое, что очень важно в случае, когда речь идет о портативных устройствах, питающихся от аккумуляторов. В перспективе жидкие линзы будут использоваться в объективах цифровых фотоаппаратов, встроенных в мобильные телефоны камер.

Промышленное производство FluidFocus не должно быть сопряжено с высокими затратами — хотя бы вследствие простоты самой концепции. Особое внимание обращается на перспективы технологии Philips в таком сегменте, как оптические накопители следующего поколения, требующие высокоточной оптической подсистемы.

Правда, специалисты отмечают, что объективы на основе FluidFocus не могут быть больше сантиметра в диаметре, но вряд ли подобное ограничение станет серьезным препятствием на пути ее массового внедрения, особенно в свете всеобщего стремления к миниатюризации.

 

* Иваненко О.Ф. и др. Экспериментальные и качественные задачи по физике. К., 1987.

 

 

 

Следующий шаг производителей линз и матриц для цифровых фотоаппаратов в мобильниках — расширить возможности встроенных цифровых камер, оснастить их мини-вспышками, функциями макросъемки и прочими полезными опциями, которых не было в дешевых мыльницах, ибо телефоны уже являются достаточно сложными и дорогими устройствами, и прибавить им функцию-другую ничего не стоит. Некоторые телефоны оснащены возможностью не только фото-, но и видеосъемки, причем длительность роликов ограничивается только емкостью флэш-карты.

Постепенно несерьезные 0,31-мегапиксельные фотографирующие устройства в телефонах сменяются мегапиксельными камерами, а недавно компания LG объявила, что готовит к выпуску первые телефоны с встроенными 6-мегапиксельными цифровыми камерами, которые, правда, поступят только на японский рынок. В компании заявляют, что планируют использовать сенсоры от Canon с разрешением вплоть до 7 мегапикселов! Но хотя разрешение встроенных камер будет сравнимо с разрешением полноценных цифровых камер, их функциональные возможности и качество изображения по предварительной обработке фотографий будут несколько уступать аналогичным параметрам нормальных «цифровиков». Однако, по предварительным прогнозам, большинство мобильных устройств будет оснащено 2-мегапиксельными трехрежимными камерами с так называемыми UXGA-сенсорами. Камерафоны все-таки пойдут по пути повышения производительности чипсетов и улучшения качества снимков при низком освещении. Причем фотокамеры и чипсеты для таких устройств не намного увеличивают стоимость телефона. Например, компания STMicroelectronics объявила недавно о выпуске миниатюрного цифрового процессора STV0684 (12Ѕ12 мм) для работы с 2- и 4-мегапиксельными сенсорами этой же компании. Он реализует различные алгоритмы для улучшения качества изображения, такие как NORA (алгоритм снижения шумов) и антивиньетирующие алгоритмы. Процессор основан на 32-битном ядре ST20, имеющем кэш кода и данных, оснащен встроенной памятью для ускорения выполнения инструкций, а также имеет Sigma-Delta АЦП для записи звука. CMOS-сенсор VC6700 позволяет снимать видео с UXGA-разрешением и частотой до 20 кадров в секунду. Данный сенсор является альтернативой как существующим CMOS-сенсорам (поскольку обеспечивает лучшее качество изображения в нормальных условиях), так и CCD-сенсорам (поскольку имеет лучшую производительность при обработке снимков, сделанных при низком или слишком ярком освещении, а также отличается низким энергопотреблением). При этом планируемая цена устройства составит не более 10 долл.

 

Впрочем, главное преимущество мобильной фотографии перед обычными цифровыми мыльницами заключается в том, что сотовый телефон, с одной стороны, позволяет своему владельцу мгновенно ознакомить со своей фотографией всех желающих, а с другой — процесс съемки мобильником никем не воспринимается как что-то серьезное. Посмотрите в домашние фотоальбомы: при съемке обычным фотоаппаратом люди часто чувствуют себя скованно, в результате фотографии получаются скучные, не представляющие художественной ценности. Мобильник же никто пока не воспринимает как настоящий фотоаппарат, все ведут себя естественно, и в итоге удается сделать живые, выразительные и интересные кадры. Можно предположить, что мобилография станет столь же популярной, как когда-то так называемая ЛОМОграфия (съемка дешевым фотоаппаратом типа «ЛОМО-компакт»). К тому же сейчас можно сразу передать полученные снимки на такой же мобильник друзьям или переслать по Интернету, чего нельзя было сделать до компьютеризации и «мобилизации» нашего общества.

Эксперты считают, что в ближайшее время камерафоны найдут широкое применение и в деловой сфере. Даже с имеющимися возможностями эти устройства активно используются в некоторых областях диагностической телемедицины, строительства и торговли. Остается только догадываться о том, насколько широкое распространение и в бизнесе, и в сфере развлечений найдут новые камерафоны с мегапиксельными сенсорами.

А дешевые цифровые камеры, наверное, скоро исчезнут…

КомпьютерПресс 1'2005