Прежде чем начать рассказ об этом технологическом чуде XX века следует, наверное, пояснить, что же стоит за аббревиатурой ПЗС. В научной литературе этот термин расшифровывается как Прибор с Зарядовой Связью - своеобразный перевод английского сокращения CCD (Charge-Coupled Device). По сути, это прибор, способный воспринимать и накапливать идущие от объекта частицы света (фотоны) и преобразовывать их в электрические заряды, считывая которые можно затем при помощи компьютера восстановить изображение этого объекта.

Несмотря на то, что ПЗС был изобретен больше трёх десятков лет назад, он до сих пор остаётся золотым стандартом, эталоном, с которым сравниваются новые сенсоры. Мы подробно расскажем о том, как работают ПЗС сенсоры, и лишь немного коснемся принципов работы КМОП матриц.
ПЗС и КМОП. История возникновения и основные отличия

Сенсоры стали разрабатывать для правительственных разведывательных и космических программам США. Службам разведки, во время холодной войны, требовались совершенные методы наблюдения. В частности, были запущены секретные спутники ЦРУ и ВВС США - Corona. Эти спутники были оснащены современнейшими по тому времени камерами, использующими специальные линзы и новые типы пленок.

Чтобы определить масштаб фотографии, использовались кукурузные поля Среднего Запада США, которые были специальным образом покошены. На них выкашивали довольно большие геометрические фигуры - чтобы можно было распознать из космоса. (Теперь становится понятно, откуда возникли эти таинственные круги, десятилетиями волновавшие читателей желтой прессы.)
Как только пленка была отснята целиком, она в керамическом контейнере на парашюте катапультировалась на Землю - в районе Гавайев. Эти контейнеры подбирались ещё в воздухе самолетами C-119 ВВС США (так называемые "Летающие товарные вагоны" - Flying Boxcar). Специально для этого самолеты оснащались длинными крючками, прикрепленными к хвостовому оперению. Если пилот промахивался и не ловил контейнер, пленка попадала в Тихий Океан, где могла плавать ещё пару дней. Если в течение двух дней ВМС США не находили контейнер, под воздействием морской воды соляные пробки растворялись и контейнер вместе с содержимым погружался в океан - чтобы не нашел неприятель. Министерство обороны считало, что под водой шпионов нет. Но даже при таких мерах безопасности, по крайней мере, один такой контейнер попал во вражеские руки.

Несмотря на такие случайные инциденты, спутниковое слежение было намного безопаснее, чем шпионаж с использованием самолетов или воздушных шаров - ведь спутник не так-то легко подстрелить. Так вот, процесс возвращения пленки - самый небезопасный из всей этой цепочки операций. Понятно, что надо было придумать какой-то выход из этой ситуации, и придумать как можно скорее.

Следующим технологическим новшеством в спутниковой фотографии стали обработка пленки на борту спутника, сканирование её с помощью светового луча, преобразование световых волн в аналоговый электрический сигнал, и последующая его передача на специальную приемную станцию на Земле. Как только сигналы оказывался на Земле, они преобразовывались назад в изображения. (Аналоговая система была похожа на ту, которой пользовались в Associated Press и в United Press International для передачи новостей и фотографий по проводам).

Но до сих пор доподлинно не известно, где, когда, и как в правительственных разведывательных и космических программах на смену аналоговым системам пришла цифровая фотография. До сих пор часть информации находится под грифом "секретно". Где-то с начала 70-х вся космическая фотография постепенно начала переходить на цифру. При этом разрешение фотографий и качество улучшалось по экспоненте. Создавались действительно впечатляющие снимки вселенной. А качество цифровых фотографий, вроде тех, что получены на Земле с помощью усовершенствованной модели космического телескопа Hubble, было исключительным.

У цифровой фотографии нет точной даты рождения. Обычно считают, что цифровая фотография появилась в конце 60х, когда ученые обнаружили, что КМОП (комплементарный метало-оксидный полупроводник) может быть светочувствительным. Прибор с зарядовой связью был изобретён в конце 1969 года Вильямом Бойлем (William S.Boyle) и Джорджем Смитом (GeorgeE.Smith), работавшими в лабораториях Bell.

Так как качество изображения было очень высоким, эти приборы быстро вытеснили КМОП из цифровой обработки изображений. Однако отметим, ПЗС более чувствителен к радиоактивному излучению, нежели КМОП. А чем выше вы находитесь от поверхности Земли, тем больше излучение. Именно поэтому КМОП сенсоры не были забыты, и правительство США оплачивало исследования в этой области.

Несмотря на всё разнообразие технологий, в большинстве случаев в цифровых камерах используются либо КМОП, либо ПЗС сенсоры. Самым важным отличием между этими системами является способ перенесения электронов с сенсора (об этом мы скажем немного позже). Кроме того, КМОП может осуществлять большее количество функций прямо на чипе. Тем не менее, начало у этих технологий общее, и что самое примечательное, первоначально, ни та, ни другая технология не имели никакого отношения к цифровой фотографии. Оба устройства представляли собой полупроводниковую память.

Как было сказано выше, в 1969 году в лабораториях Bell была изобретена ЦМД-память (память на цилиндрических магнитных доменах, пузырьковая память, bubble memory). Предполагалось, что она будет энергонезависимой (то есть при выключения питания компьютера данные не теряются). Воодушевленные потенциалом этих устройств, ученые продолжили опыты с технологией ПЗС как с последовательными запоминающими устройствами. Но эта технология быстро устарела - стоило появиться более эффективной и быстрой энергонезависимой памяти, например, EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory - электронно-перепрограммируемая постоянная память). Тем не менее, как обнаружилось, ПЗС память обладает впечатляющими возможностями по переносу заряда, что сделало ее идеальным для сенсоров. Впервые в массовое производство ПЗС сенсоры были запущены в 1973 году. КМОП технология продолжала использоваться в памяти, обрабатывающих и других цифровых устройствах, что связано с ее низким энергопотреблением и большей функциональностью.

ПЗС являются специализированными чипами и используются только для получения изображения. Производят эти чипы всего несколько фирм. В отличие от ПЗС, область применения КМОП устройств намного шире. Они используются как в процессорах персональных компьютеров, так и в подавляющем большинстве потребительской электроники. Так как в основном КМОП устройства изготавливаются большими партиями и по стандартному технологическому процессу, их производство обходится значительно дешевле.

Кроме дешевизны производства, КМОП устройства обладают некоторыми преимуществами. Так как архитектура КМОП позволяет производить обработку изображений и аналого-цифровые преобразования (АЦП - ADC) непосредственно на чипе, цифровые камеры и другие устройства, использующие КМОП технологию вместо ПЗС, в итоге оказываются значительно дешевле.

Тем не менее, в системах, где самым важным считается качество, всё же используются ПЗС, так как они чувствительнее к свету, имеют большую степень градаций, и минимум шумов.

информация предоставлена сайтом  wwwa-photo.net