Что ограничивает размер цифровых датчиков изображения?

Я прочитал некоторую информацию о размерах датчика здесь

http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor_format

в соответствии с этим 35-миллиметровая ff-CMOS - это датчик с наибольшими размерами, используемый в цифровых камерах. Это имеет много преимуществ для меньших датчиков, вызванных его размером.

Почему нет даже более крупных датчиков, чтобы усилить эти преимущества? 1,5 FF например?

Вы можете сделать несколько очень больших CCD. В более старом пресс-релизе говорится о ПЗС-матрице, созданной для Военно-морской обсерватории США, с размерами 4 "× 4" и 10 560 пикселей × 10 560 пикселей. Это 111 мегапикселей на один датчик. Это вроде не мало.

^{(Сверху пресс-релиз)}

Первое ограничение, которое имеет датчик, это то, что он должен быть одной пластиной из кремния, и это фиксированная цена. Вы можете создавать CCD, разработанные с использованием трехстороннего CCD (оставшийся край - это место, где вы можете считывать данные), например:

^{(Из http://loel.ucolick.org/manual/deimos_ccd/science/overview/EL3160.html )}

Они часто используются в телескопах, чтобы получить большую область изображения только с меньшим увеличением цены. Обратите внимание , что существует проблема , что каждая из них должна CCD быть откалиброваны отдельно от других (не два датчика изображения не имеет точно такой же ответ) - это значительный интерес для научных целей ( информация калибровки для одного такого массива CCD ).

Мозаика CCD может быть значительно увеличена. PanSTARRS имеет сенсорный массив на 1.4 гигапикселя, который состоит из массива ПЗС размером 600 × 600 пикселей:

Выше массив ПЗС размером 8 × 8 - каждый довольно маленький. Это тогда является частью большего массива из 8 × 8 этих сегментов, что дает общий массив датчиков 64 × 64. Это было сделано из-за экономии средств, скорости (быстрее считывать четыре тысячи ПЗС с разрешением 600 × 600 пикселей, чем считывать одну большую ПЗС-матрицу), изоляции насыщенных пикселей и более легкой замены в случае дефектов.

LSST использует более традиционные три края CCDs , чтобы достичь своей цели 3.2 гигапикселя. Каждый сегмент имеет матрицу 8 × 2 с датчиками 500 × 200 пикселей. Все те же факторы, упомянутые для PanSTARR, также присутствуют здесь. Ожидается, что для считывания 3,2 миллиарда пикселей потребуется 2 секунды (что на самом деле довольно быстро). Переход к меньшему количеству больших ПЗС означает, что он медленнее, а не быстрее.

Таким образом, хотя в совокупности можно использовать несколько датчиков, они по-прежнему состоят из довольно небольших отдельных датчиков, а не из одного большого датчика (как это было сделано с 4 × 4-дюймовым датчиком USNO). В некоторых случаях ПЗС-матрицы намного меньше чем даже те, которые используются в точке и снимать камеры.

Вернитесь к первому изображению датчика 4 × 4 ", а затем рассмотрите размер обычных датчиков:

Здесь есть дополнительная информация для рассмотрения. Существует максимальный выход из того, сколько вы можете положить на вафлю (вы просто не можете уместить больше) и отходы. Чтобы сделать этот датчик 4 "× 4", им нужен был чрезвычайновысококачественная пластина из кремния. На обычном полном кадре есть недостатки в кристалле, независимо от того, сколько датчиков вы положили на пластину. С 8-дюймовой кремниевой пластиной (того же размера, что и верхняя - обратите внимание, что половина диаметра находится на «краю»), по всей пластине разбросаны дефекты. Чем меньше датчиков на пластине, тем выше вероятность того, что из-за дефекта датчика он будет непригодным для использования (36% отходов на полноразмерной пластине датчика по сравнению с 12,6% отходов на датчике 13,2 мм × 8,8 мм). Это одна из причин, по которой часто проводятся дополнительные исследования по увеличению плотность чипа, а не его увеличение (и у этого исследования плотности есть и другие приложения, такие как ускорение работы процессоров).

С датчиком, предназначенным для рамы 60 мм × 60 мм, на пластину можно установить только около 8 датчиков, и отходы растут. Вы можете увидеть эффект масштаба на работе там.

Учтите, что 15 или 16 рабочих датчиков от полнокадровой пластины стоят столько же, что и 213 или около того меньших датчиков ... и стоят соответственно. На следующем изображении показана проблема с дефектами, расположенными в тех же местах на пластине для штампов разных размеров.

^{(Из http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wafer_die%27s_yield_model_(10-20-40mm)_-_Version_2_-_EN.png )}

Если вы хотите отойти от «изображения за один раз», вы можете получить один массив (ну, три - один для каждого цвета) датчиков, которые перемещаются по изображению. Они часто встречаются как сканирующие задники для широкоформатных камер. Здесь проблема заключается в точности оборудования, а не в размере датчика (память, хранение данных, быстрый ввод / вывод становятся значительными). Есть некоторые камеры, которые имеют это как единое целое, например, Seitz 6x17 digital .

Дальнейшее чтение:

• Экономика цифровых фотодатчиков

Самые большие КМОП-датчики, доступные в продаже для фотографии, имеют «средний формат» и имеют размеры около 44 мм х 33 мм. ПЗС существуют в немного больших размерах до 54 мм х 40 мм. Возможно, были изготовлены датчики большего размера для научных целей.

Датчики изготавливаются путем проецирования маски на большую кремниевую пластину с использованием ультрафиолетового излучения. Затем пластина нарезается на отдельные датчики. Абсолютный предел размера датчика, который может быть получен этим способом, определяется размером круга изображения, создаваемого проектором (хотя могут быть и другие проблемы с очень большими датчиками, такие как использование энергии и тепловыделение, которые представляют собой жесткую ограничение по размеру).

Практический предел размера сенсора достигается гораздо раньше, так как он определяется производительностью, то есть сколько датчиков нужно выбрасывать во время изготовления из-за дефектов. При изготовлении множества маленьких датчиков на одной пластине один дефект приведет к тому, что один датчик будет отброшен, но многие другие будут жизнеспособными, если один датчик занимает всю пластину, то один дефект будет означать, что датчики не будут произведены. Таким образом, урожай уменьшается с квадратом размера датчика, что делает большие датчики неэкономичными.

Экономия на масштабе также применима: датчики «полный кадр» 36 мм x 24 мм были бы более дорогими, если их производить в том же объеме, что и датчики среднего формата.

Есть еще большие датчики. Если вы внимательно посмотрите на изображение в верхнем правом углу этой страницы, вы увидите, что самый большой датчик - это датчик среднего формата Kodak KAF .

Хорошо, я понимаю, что это не так просто понять, потому что можно легко предположить, что фон этого изображения серый, а на самом деле изображение имеет белый фон.

Смотри лучше здесь .

Помимо этого датчика есть еще один датчик больше, чем FF. На той же странице прокрутите до Таблицы форматов и размеров датчиков , щелкните столбец «Коэффициент обрезки», чтобы отсортировать таблицу, и посмотрите на форматы с коэффициентом кадрирования, меньшим 1. Извлеките форматы пленки, и вы получите следующие датчики в этом порядке:

• Первая фаза P 65+, IQ160, IQ180
• Лист AFi 10
• Среднеформатный (Hasselblad H5D-60)
• Kodak KAF 39000 CCD
• Pentax 645D
• Leica S

Но будьте осторожны: у таких датчиков есть и недостатки: большие, тяжелые камеры и объективы. Гораздо сложнее построить объектив для такого сенсора (большего круга изображения) и ... ... конечно ... ... цены.

Еще несколько вещей, которые могут ограничить то, что практично, ниже того, что может быть изготовлено:

1. вес (полученной системы). Очень большому сенсору нужен очень большой круг изображения, что означает большие линзы и большую камеру.
2. Потребляемая мощность Большому датчику требуется больше энергии, чем маленькому, поэтому срок службы батареи уменьшается (если только вы снова не увеличите размер и вес камеры для размещения батареи большего размера).
3. скорость. Для считывания большего датчика требуется больше времени, чем для считывания меньшего с той же плотностью сенсорного элемента. Таким образом, ваша «выдержка» снижается.
4. стоимость (намекается, но вступает в игру на нескольких уровнях). Конечно, больший датчик стоит больше, чем маленький, не только потому, что ему нужно больше сырья, но также увеличивается количество выброшенных продуктов, стоимость которых должна быть пересчитана из меньшего количества продаваемых.