`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Павел Молодчик

О вогнутых CMOS-матрицах

+66
голосов

Освещение недавнего известия о налаживании производства вогнутых CMOS-матриц недостаточно передает важность этого достижения разработчиков Sony.

А ведь как только производителям удастся наладить производство вогнутых фоточувствительных элементов приемлемой себестоимости, традиционные плоские матрицы будут обречены на вымирание. Мало того, традиционные объективы — даже самые дорогие и благородные из них — тоже окажутся на свалке истории, и никакие адаптеры не придадут им совместимости с новыми камерами. Многие современные объективы — прямые наследники цейсовских планаров, появившихся на свет еще в позапрошлом веке. Отметим, что само слово "планар" указывает на уплощенность фокальной поверхности. Появление вогнутых матриц рвет времен связующую нить, ибо это свойство объектива, считавшееся одним из важнейших с момента появления фотографии, утрачивает актуальность.

Демократизация вогнутых матриц (первым шагом которой, судя по последним слухам, станет демонстрация камеры Sony RX1s на предстоящей Photokina) означает для фотоиндустрии... Не стану говорить о революции и вступлении в новую эпоху, чтобы некоторых коллег не раздражать, но слово "сенсация" кажется уместным.

Замалчивание сенсации обусловлено не закулисным сговором, организованным на деньги производителей плоских матриц, а журналистской несостоятельностью: часть журналистов оказалась недостаточно сведуща в оптике, а часть — неспособна донести свое понимание до широкой аудитории. В результате реакция околотехнической части блогосферы оказалась неадекватной масштабам события, исправлением чего мы сейчас и займемся.

Для этого перво-наперво сфокусируемся на образе камеры-обскуры, воплощающей в мире фототехники не только простоту и почтенность истории, но и совершенство ряда характеристик (она обеспечивает бесконечную глубину резкости, а также полное отсутствие всевозможных аберраций и деформаций).

Как вы помните из школьного курса физики, интенсивность излучения, распространяемого точечным источником (каковым является "объектив" идеальной камеры-обскура, если взглянуть на него изнутри камеры) обратно пропорциональна квадрату расстояния до него.
Это означает, что центр фотопластинки освещается ярче периферии. Иными словами, камера-обскура характеризуется сильным виньетированием. Из рисунка легко понять, что особенно сильно этот дефект проявляется в широкоугольных камерах.

О вогнутых CMOS-матрицах

На изображении, даваемом камерой-обскурой со 106-градусным горизонтальным полем зрения (угол при меньшем катете т. наз. египетского прямоугольного треугольника со сторонами 3, 4 и 5 составляет ~53о) перепад освещенности между центром и краем изображения составляет (5/3)^2 , -- т.е., он почти трехкратен.

Кроме того, периферийные области изображений, получаемых с помощью широкоугольных камер-обскур, характеризуются падением разрешения: если "зайчик" от точечного источника света, находящегося прямо перед камерой, имеет круглую форму (являющуюся поперечным сечением конуса), то периферийные зайчики продолговаты (косое сечение конуса — эллипс).

По этим причинам энтузиасты камер-обскур высоко ценят конструкции с вогнутыми задними стенками.

Примером может послужить одна из панорамных камер-обскур, сработанных люксембургским энтузиастом ретро-стиля Рене Сметсом (René Smets).
О вогнутых CMOS-матрицах
О вогнутых CMOS-матрицах
О вогнутых CMOS-матрицах

Хотя горизонтальное виньетирование на снятом этой камерой пейзаже отсутствует, вертикальное — отлично просматривается. Ясно, что для полной победы над виньетированием (и неравномерностью распределения резкости) фоточувствительной подложке потребовалось бы придать не цилиндрическую, а сферическую форму. С пленкой этот трюк провернуть затруднительно (даже если он удастся, то как ее потом разравнивать?), а вот с CMOS-матрицей его за нас провернули инженеры Sony. Таким образом ЦФК с вогнутой матрицей обречены стать основой для наипродвинутейших в истории фотографии стенопов (так называют фотоаппараты, трансформированные в камеры-обскуры посредством замены объектива на кусок фольги с крошечным отверстием).

Отметим, что у астрономов (в частности, пользующихся телескопами Шмидта) потребность в сферическом скруглении фотопленки столь отчаянна, что они оказались вынуждены прибегать к пресловутому трюку на практике (для этого подложка, облегаемая пленкой, испещряется множеством отверстий, через которые отсасывается воздух). Ниже иллюстрируется уловка, к которой приходится прибегать астрономам в связи с переходом на цифровые технологии.

О вогнутых CMOS-матрицах

Современные фотоаппараты можно назвать потомками камер-обскур, а желательность искривления задней стенки отнести к числу унаследованных ими свойств. Примером здесь могут служить одноразовые камеры. Одна из первых таких камер — Kodak Stretch 35 — вышла в свет в 1989 г., и с тех пор высоко ценится энтузиастами, приспособившимися менять в ней пленку.

О вогнутых CMOS-матрицах

Есть мнение, что, несмотря на бросовую дешевизну пластикового двухлинзового фикс-фокусного объектива, по качеству формируемых ею изображений она сопоставима с "зеркалками", оснащенными благородной оптикой с аналогичным углом охвата. Секрет — в выгнутости задней стенки.

О вогнутых CMOS-матрицах

Конструкция традиционного объектива являет собой компромисс между рядом аберраций. Часто выделяют пятерку основных аберраций, называемых аберрациями Зейделя, — а именно, сферическая, кома, астигматизм, кривизна поля изображения и дисторсия. Расплатой за улучшение любого из этих параметров является ухудшение других (или же усложнение конструкции объектива, предполагающее увеличение его массы и/или уменьшение светосилы).

Кривизна поля изображения — параметр, характеризующий неровность так называемой фокальной поверхности, — т.е., области пространства, в которой происходит фокусирование преломленных линзами лучей. Причины невозможности создания объектива с идеально ровной фокальной поверхностью изучены в середине XIX в. Йозефом Петцвалем (Joseph Petzval). Строго доказано, что никакая оптическая система, состоящая из линз и зеркал произвольной формы, не может иметь ровной фокальной поверхности, будучи свободной от астигматизма.

Устранение кривизны поля изображения из набора базовых аспектов, характеризующих качество объектива (достигаемое за счет внедрения вогнутых матриц), превращает пятерку Зейделя в четверку и развязывает разработчикам руки для расчета объективов с недостижимыми ранее характеристиками.

В качестве примера рассмотрим почти идеальную оптическую систему (запатентованную за 15 лет до появления вогнутых матриц), объектив которой характеризуется вдвое большей светосилой и, по меньше мере, в 20 раз меньшим объемом в сравнении с традиционными широкоугольниками. Кроме того, ее отличает полное отсутствие виньетирования и прочих неравномерностей распределения характеристик изображений.

О вогнутых CMOS-матрицах

(11, 13, 14 и 15 — линзы, а 12 — вогнутая фоточувствительная матрица).

Объяснение выдающихся достоинств системы объясняется ее моноцентричностью: поскольку все поверхности ее оптического тракта суть фрагменты концентрических сфер, лучи от всех отображаемых объектов проходят через него одинаковым образом (а сами эти объекты изображаются одинаково яркими, резкими и т.д.)

О вогнутых CMOS-матрицах

В заключение — пара фотографий, иллюстрирующих устройство неизмеримо менее изящной псевдомоноцентрической системы, разрабатываемой при поддержке DARPA для аэрокосмических приложений. В ней, как видите, вместо вогнутой фоточувствительной матрицы используется множество миниатюрных традиционных фотокамер (b), вставляемых в гнезда сферического держателя (a), внутри которого находится несколько больших моносферических линз.

+66
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Природа давно нашла решение - фасеточные глаза у насекомых и эллиптические глазные яблоки у животных. Дело оставалось за малым - все это сделать "в кремнии".

А нельзя ли имитировать вогнутость программными решениями?

Можно. НО для этого нужна технология Lythro. Разрешение у нее не айс :(

М.б. mv m имел ввиду продольное сдвигание плоскости матрицы и программную компоновку изображения из пикселей, попадающих в места ее пересечения с фокальной поверхностью (вроде технологии,, применяемой при макросъемке с маленькой глубиной резкости, когда объектив фокусируется на сотне разных расстояний)? Это было бы сложно (и, наверное, долго).

Главное преимущество вогнутой матрицы - простые, малогабаритные и очень качественные объективы. В том числе - и 1-2х элементные, сверхплоские широкоугольники и т.д.

Скажем иначе: можно ли восстановить вид изображения на сферическом глобусе, по плоской развертке на карте, зная математические законы построения проекции?

Выбрана неправильная аналогия - тут не глобус восстанавливать надо по развертке, а восстанавливать изображение по несфокусированной проекции. На сегодня для этого есть только 2 технологии - голограмма и Lythro (регистрация волнового фронта в плоскости матрицы/пленки). Для обощенного света даже теоретического решения нет.

Согласен, что голограмма решает многие проблемы. Должен признать, что многоракурсное стереоскопическое изображение формируемое Lytro, теоретически можно преобразовать в полноценную голограмму. Но вопрос "пересчета" изображения с плоской матрицы на вогнутую с известными характеристиками, тем более, что сенсор Sony искривлен лишь по одной оси, для меня остается открытым.

Я думаю, что появятся эллиптические сенсоры. А не только цилиндрические. И я как-то не нашел упоминания об изгибе только в одной плоскости. Почитаю оригиналы - наверняка я этот момент упустил.

Sony built and will describe an imaging system that comprises a hemispherically curved, back-illuminated CMOS image sensor (BIS) and integrated lens. It doubles the sensitivity at the edge of the image circle while increasing sensitivity at its center by a factor of 1.4, with a 5x reduction of dark current (Jd) compared to a planar BIS. Moreover, a common problem known as lens field curvature aberration (Afc) is mitigated by the curved sensor itself, and so the curved BIS enables higher system sensitivity with a brighter lens with a smaller F number (Fn) than is possible with a planar BIS. In addition, by controlling the tensile stress of the BIS chip to produce a curved shape in the first place, the energy band-gap (Eg) is widened and a lower Jd is achieved. (Paper T2.1, “A Novel Curved CMOS Image Sensor Integrated with Imaging System,” K. Itonaga et al., Sony)

Все же "полусфера"? Ну, круто. Ранее встречал практически идентичный текст без "hemispherically", да и на фото сфера не очень заметна.

Да, действительно, первой на ум пришла технология Lytro, но это скорее набор изображений равноотдаленных объектов на все той же плоской матрице.

Где же RX1s?

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT