История возникновения цифрового сенсора

Сенсор цифровой фотокамеры представляет собой кремниевый полупроводник, который улавливает фотоны света и трансформирует их в электроны. Естественно, сенсор считается ключевой по значимости частью современной цифровой камеры. При этом, сенсоры широко используются в сканерах, астрономическом оборудовании, военных и медицинских приборах. Так с чего всё начиналось?

Первые цифровые сенсоры стали разрабатываться в 60-70-х годах, постоянно совершенствуясь и по сей день. Хотя ПЗС(прибор с зарядовой связью) был изобретён более тридцати лет назад, до сих пор он считается золотым стандартом, эталоном, по которому сравнивают новые сенсоры.

Круги на полях

Первые разработки сенсоров естественно проводились в рамках разведывательных и космических программ в США. Поскольку для шпионажа за потенциальным противником нужны были совершенные методы наблюдения, ЦРУ и ВВС США запустили серию секретных спутников – Corona. Они были оснащены самым современным на тот момент оборудованием, в частности камерами серии КН, которые использовали специальные линзы и высококачественные плёнки, на базе которых в коммерческое производство поступили плёнки «майлар» (лавсан, Mylar).

Для оптимального определения масштаба фотоснимков использовались кукурузные просторы Среднего Запада США, которые подкашивались специальным образом.

Как только плёнка полностью отснималась, в керамическом контейнере прицепленому к парашюту она отстреливалась в сторону Земли, в район Гавайев. Контейнеры подбирались ещё в воздухе, для чего задействовались самолёты C-119. Самолёты оснащались длинными крючками, которые прикреплялись к хвостовому оперению, и если пилот промахивался крючком и не цеплял контейнер, он падал в Тихий океан, в котором плавал ещё пару дней, пока его не найдёт поисковое судно ВМС США. Если за два дня контейнер не был найден, под воздействием воды, пробки из соли растворялись и контейнер месте со своим содержимым навсегда исчезал в пучине океана. Но несмотря на эти предосторожности, известен случай, когда контейнер попал в руки «кровавого Мордора» :-)

Несмотря на редкие инциденты, спутниковое слежение было на порядок безопасне, чем аналогичное, но с использование самолётов или воздушных шаров. Хотя бы вспомним, как в 1960 году над Уралом советские ПВО обнаружили и сбили американский разведывательный самолёт У-2, в результате чего пилот самолёта Фрэнсис Гэри Пауэрс попал в руки КГБ СССР, а ведь Урал — это далеко не пограничный район России.

Следующей технологической новацией в спутниковой фотографии стала обработка плёнок сразу на борту спутника, в результате чего она сканировалась, преобразовывалась из световых волн в аналоговый сигнал и «уходила» на приёмную станцию на Земле

Дату точного перехода от аналогового сигнала на цифру нам никто не скажет, посколько некоторая информация до сих пор находится под грифом «секретно», но где-то с начала 70-х годов спутниковая фотография стала переходить на цифру, при этом разрешение и качество снимков улучшалось по экспоненте. Начали получаться действительно отличные фотографии вселенной и космических объектов, чему подтверждением являются фотографии с борта орбитального телескопа Hubble.

Несмотря на многообразие современных оптических технологий, в большинстве цифровых камер используются именно ПЗС сенсоры, хотя изначально эта технология не имела к фотографии никакого отношения.

В 1966 году специалистами Bell была аннонсирована так называемая память на цилиндрических магнитных доменах, пузырьковая память, bubble memory (ЦМД-память). Первоначально предполагалось что она будет энергонезависимой, но эта технология вскорости быстро устарела, и на смену ей пришла EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory, или электронно-перепрограммируемая постоянная память). Оказалось что ПЗС память имеет впечатляющие способности по переносу заряда, что делало её идеальной для оптических сенсоров, поэтому уже в 1973 году ПЗС сенсоры были серийно запущены для коммерческого использования.

Структура ПЗС-памяти

ПЗС представляют собой специализированные чипы, используемые для получения только лишь изображений. Производством этих микросхем занимаются лишь несколько фирм – Philips, Matsushita, Kodak, Sharp, Fuji и Sony.

В отличии от КМОП памяти, ПЗС хоть и уступает КМОП в спектре применения и дешевизне производства, но в тех системах где в первую очередь требуется качество, предпочтение отдаётся ПЗС-сенсорам, поскольку они более чувствительны к свету, обладают высокой градацией и меньшей шумностью.

Но перспективы неумолимы. С начала 90-х происходит существенное улучшение КМОП технологии, особенно в сфере фотоустройств, благодаря новым достижениям в сфере сверхтонкой литографии, миниатюризации транзисторов и интегральных схем. Всё это позитивно сказалось на чувствительности КМОП-сенсоров и на уменьшении потребления энергии. Хоть при тестировании первых КМОП-фотокамер Sound Vision and Vivitar, цветовая шумность была настолько заметной, что вертикальные снимки вершин небоскрёбов «плыли», в более свежих моделях, таких как Canon D30, имеющей корпус профессионального однообъективного зеркального фотоаппарата, тесты показали, что технология КМОП достигла отличных результатов, для того чтобы начать замещать более дорогую ПЗС-технологию. Поэтому, в ближайшие годы место ПЗС-матрицам будет всё больше отодвигаться в сторону любительских фотокамер.