Как сделать фотосенсор, самый сложный и дорогой компонент
цифровой камеры, дешевле и проще? Ответ: использовать вместо него микросхемы
памяти со снятым корпусом. Именно так в двух словах можно описать идею
устройства, разрабатываемого группой специалистов под руководством инженера
Швейцарского федерального политехнического института EPFL Эдуардо Шабона (Edoardo
Charbon).
В основе этой новой и защищенной патентом идеи лежит давно и
хорошо известный факт: микросхемы памяти весьма чувствительны к свету.
Достаточно снять с них непрозрачный пластиковый корпус, и поток фотонов тут же
создаст ток в каждой ячейке памяти, стирая записанную в ней информации.
Шабон и его команда обнаружили, что если навести аккуратно
сфокусированный пучок света на лишенный защитного покрова чип памяти, то заряд
каждой отдельной ячейки будет определяться уровнем ее освещенности. Иначе
говоря, микросхема сохранит цифровое изображение.
Зачем все это нужно? Дело в том, что сегодня в цифровых
камерах яркость каждого пикселя фотосенсора изначально кодируется аналоговым
сигналом и затем преобразуется в цифру с помощью сложной, габаритной и
вносящей дополнительные искажения обвязки. Данное утверждение верно как для ранних
камер на основе CCD-сенсоров, так и для более поздних устройств с матрицами
CMOS. В обоих случаях элемент фоточувствительной матрицы можно рассматривать как
емкость, заряд которой определяется уровнем освещенности. В CCD-матрице
содержимое каждой емкости «стекает» в следующую, и так до тех пор, пока сигнал
не дойдет до края сенсора, где установлен аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).
В CMOS-сенсоре каждый пиксель самостоятельно преобразует заряд в напряжение,
которое потом также обрабатывается АЦП.
При использовании микросхемы памяти потребность в описанных выше
преобразованиях отпадает, поскольку изображение сразу сохраняется в цифровом
виде. В результате, можно избавиться от соответствующей электронной обвязки и
уменьшить размер пикселя по сравнению с технологий CMOS в 100 раз. Однако это
не означает автоматического увеличения разрешения матрицы в 100 раз при
сохранении ее размеров. Дело в том, что ячейка памяти может принимать лишь одно
значение —0 или 1,— поэтому изначально изображение получится черно-белым. Однако
его можно преобразовать в полутоновое путем программной обработки группы
пикселей, примерно так же, как человеческий глаз превращает распечатанную на
лазерном принтере мозаику из крохотных черных точек в оттенки серого.
Швейцарские разработчики создали соответствующий алгоритм и
назвали его пространственной супердискретизацией (spatial oversampling).
Утверждается, что данный алгоритм дает гораздо лучшие результаты по сравнению с
аналогово-цифровыми преобразователями CMOS-сенсоров, особенно при обработке
затемненных и переосвещенных областей изображения. Последнее объясняется
гораздо меньшим влиянием эффекта насыщения, что открывает широкие перспективы
для использования сенсоров нового типа в областях с высоким динамическим
диапазоном освещенности, в частности, в медицине.
По материалам newscientist.com.
|
