Скоростной сенсор для цифровой фотографии от Nikon

22 июля 2003 года компания Nikon анонсировала D2H, цифровую зеркальную фотокамеру четвертого поколения, оснащенную новым сенсором, известным как LBCAST. С этим анонсом компания Nikon влилась в ряды тех изготовителей цифровых фотокамер, которые могут самостоятельно разрабатывать и производить скоростные, высококачественные сенсоры для получения изображения.

Новый сенсор базируется на уже доказавшем свою состоятельность типе полупроводниковой архитектуры (JFET), впервые использованном в полностью новой конструкции, оптимизированной для получения снимков профессионального уровня.

Исследования, которые привели в итоге к созданию LBCAST сенсора, начались десять лет назад в Департаменте Фотоэлектронных Технологий, входящего в состав Главного Технологического Центра компании Nikon, расположенного в Японии. Хотя проектирование полупроводниковой части сенсора играет ключевую роль в достижении высоких скоростей работы и качества получаемых изображений, есть и другие аспекты разработки устройств этого типа, относящиеся к специфическим требованиям процесса фотосъемки и в особенности соображения, касающиеся использования разрабатываемых сенсоров с разнообразной сменной  оптикой. Эти соображения касаются природы света, попадающего на сенсор от различных сменных объективов для зеркальных фотокамер, которые устанавливаются на фотокамеру. В итоге устройство, разработанное компанией Nikon, воплотило технологии и дизайн, сделавшие его оптимальным партнером для объективов Nikkor.

Новый сенсор базируется на архитектуре JFET (Junction Field Effect Transistor): JFET можно рассматривать как технологический термин, из той же области, что и термины "биполярный транзистор" (такие транзисторы используются в ПЗС) и "КМОП". ПЗС-сенсоры являются наиболее хорошо изученными, а также имеют стабильные характеристики и однородное качество пикселей по всей поверхности матрицы, но отличаются высоким энергопотреблением и дороги в производстве. Для сравнения, КМОП-сенсоры имеют меньшее энергопотребление, но требуют дополнительного усложнения схемы для компенсации различий по чувствительности в разных участках матрицы. Большое энергопотребление существующих ПЗС-сенсоров связано с тем, что для работы биполярного транзистора через него должен протекать ток, т.е. такой транзистор постоянно потребляет энергию. Структуры типа КМОП и JFET являются усилительными устройствами, управляемыми потенциалом напряжения, поэтому они работают быстрее и потребляют меньшую энергию.

Одним из ключевых преимуществ технологии JFET над КМОП является то, что такому сенсору нужно меньше дополнительных схемных элементов для работы. Более простая схемотехника дает много преимуществ, и может быть оптимизирована с целью уменьшения потребления энергии и шума. В процессе разработки сенсора LBCAST, от его рождения в исследовательских лабораториях и до полно функционального устройства, пригодного к использованию в такой фотокамере, как D2H, тщательнейшим образом исследовались реальные требования  к подобным устройствам, чтобы создать сенсор с низким уровнем шума, практически мгновенной готовностью к работе, исключительно высокой скоростью считывания и однородным качеством.

Технология изготовления матрицы

Новый сенсор обозначается аббревиатурой LBCAST (Lateral Buried Charge Accumulator and Sensing Transistor array, матрица с боковыми скрытыми накопителями заряда и чувствительными транзисторами), которая описывает топологию и функции отдельной чувствительной ячейки в терминах Physical Electronics.

Любой инженер-разработчик полупроводниковых приборов знает, что для успешной реализации устройства приходится учитывать множество взаимодействующих факторов, причем обычно с противоположными требованиями. Например, обеспечение высокого быстродействия ведет к росту шумов, поскольку движение электронов в кристалле становится менее упорядоченным. Также высокое быстродействие ведет к росту энергопотребления. Некоторые технологии (КМОП) имеют низкое энергопотребление, но требуют больше компонентов на ячейку, чтобы обеспечить усиление слабого сигнала, даваемого датчиками такого типа: а большее число компонентов означает более высокий уровень шума и большее расстояние между участком с сенсорами и выходным устройством.

Технология LBCAST решает все эти проблемы исчерпывающим образом, который либо минимизирует либо вовсе обходит компромиссы, необходимые до настоящего времени для создания быстродействующего, экономичного, малошумящего сенсора.

Слово "боковой" означает, что основной поток электронов идет по горизонтали, а не по вертикали. Это обеспечивает короткий путь от оптической поверхности сенсора - которая может содержать собирающие микролинзы и различные цветные и оптические фильтры - собственно к фотодиоду, который и преобразует фотоны в электроны. Такое короткое расстояние улучшает чувствительность, уменьшает муар и артефакты и дает особенные преимущества в комбинации с соответствующим оптическим дизайном (т.н. выходным зрачком) объективов Nikkor с байонетом F.

Различные элементы полупроводникового устройства получаются добавлением присадок в кремниевую подложку, путем помещения ее в печь с определенным газовым составом или напылением алюминия на поверхность кремниевой пластины. Термин "скрытый" является частью термина "скрытый слой", обозначающего, что одна из частей кристалла полностью закрыта в горизонтальном "сэндвиче" между двумя другими слоями.

Слова "боковой" и "скрытый" указывают на технологию изготовления того, что описывается в окончании расшифровки аббревиатуры - "накопители заряда и чувствительные транзисторы", которые собственно хранят электроны, представляющие собой фотографическое изображение, падающее обычно на плоскость пленки.

Отдельно взятое, название LBCAST не означает никакие важные аспекты конструкции, на которых основывается исключительная производительность этого нового устройства. Например, доступ к пикселям в матрице LBCAST организован так, что позволяет удвоить скорость считывания, что позволяет снизить потребное быстродействие схемы, при одновременном увеличении скорости съемки. Более низкое быстродействие дает меньший уровень шума и меньшее потребление энергии. На каждый пиксель требуется только три элемента, чтобы обеспечить выход сигнала на внешние сканирующие и накапливающие усилители, вместо четырех в структуре КМОП. Для D2H результатом явилось уменьшение числа транзисторов на четыре миллиона, которые в противном случае потребляли бы энергию и снизили бы число снимков, которое можно сделать на одном заряде батареи. Эти три оставшихся элемента на пиксель к тому же работают эффективнее в конфигурации JFET, чем в КМОП, поскольку они обеспечивают усиление на каждый пиксель, а в матрице КМОП оно обеспечивается для всей строки или колонки в матрице. В результате усилители JFET имеют более узкую полосу пропускания, чем КМОП: согласно законам физики, чем больше быстродействие усилителя, тем больше у него уровень шума.

Столь радикальный поворот от существующих технологий ПЗС и КМОП был необходим для создания сенсора, который удовлетворял бы специфическим требованиям D2H - скорость съемки 8 к/с, исключительно быстрая готовность к работе, низкий уровень шума и ровные характеристики, сходные с зернистостью пленки, а также низкое энергопотребление для увеличения времени работы фотокамеры от батареи.

Разработка сенсора JFET была объединена с разработками в области обработки изображений и оптимизацией всех других элементов на пути сигнала. Эти дополнительные элементы весьма важны, но часто их не принимают во внимание как составную часть общего результата.
Обработка изображения - превращение "сырых" данных от сенсора в изображение, соответствующее замыслам фотографа, на отпечатке или на экране монитора - основывается частично на "чистой науке", а частично - на субъективных оценках. Nikon позиционирует себя как лидера в изобретении уникальных и авторитетных стандартов в обработке изображения - качество цветопередачи на снимках, сделанных фотокамерами D100, D1H и D1X известно во всем мире, - и эта работа стала базовым элементом системы Nikon Total Imaging System, с момента начала разработки пленочных сканеров более десяти лет назад.

Оптический дизайн

Путь лучей света после их выхода из различных сменных объективов является ключевым фактором в определении общего качества, которое может дать система зеркальных фотокамер.  Постоянство угла, под которым свет падает на сенсор или на поверхность пленки обеспечивает минимальные искажения и оптимальную совместимость со всеми имеющимися объективами. Nikon является единственным из производителей зеркальных фотокамер, кто гарантирует, что критичные размеры этой части системы (известной, как выходной зрачок) объективов (с байонетом F), стандартны для объективов Nikkor F за последние 40 лет. Преимущества такого подхода становятся еще более очевидными с распространением широкоугольной цифровой фотографии, где постоянство оптического дизайна дает оптимальное оптическое соответствие между всеми объективами и фотокамерами типа D.

Подводя итоги, можно сказать, что сенсор LBCAST - это новая разработка, которая демонстрирует способности Nikon проводить стратегические ключевые исследования для выхода на рынок с реальными продуктами, предназначенными для тех, кто работает на вершине профессиональной фотографии. Ни один из других существующих сенсоров не дотягивает до стандартов сенсора LBCAST по быстрой готовности к работе, скорости съемки, потреблению энергии и уровню шумов, сравнимому с зернистостью пленки.