Устройство объективов и камерных каналов полупрофессиональных (DCR-VX2200E) и профессиональных (DSR-PD175P/177P/198P) цифровых видеокамер SONY кардинально отличается от рассмотренных в предыдущей статье автора [1] объективов и камерных каналов моделей DCR-VX2000/2100, DSR-PD150/170/190.
Объектив рассматриваемых видеокамер выполнен в соответствии с концепцией "G Lens" (Grace, Gather Gratify - украшать, собирать, радовать). При производстве объективов "G Lens" компания использовала многолетний опыт фирм Konica Minolta (приобретена SONY в 2006 году) и Carl Zeiss, дополнив их достижения оригинальным дизайном. Сменные объективы SONY "G Lens" с успехом используются для профессиональных фото- и видеокамер. На рис. 1 показаны сменные объективы SAL300F28G (1), SAL70400G (2, диплом TIPA Awards 2009 за лучший экспертный объектив), SAL70300G (3, диплом EISA Award 2008-2009 - лучший продукт/объективы), SAL35F14G (4) со встроенной системой стабилизации изображения SteadShot INSIDE®.
Рис. 1. Сменные объективы SAL300F28G (1), SAL70400G (2), SAL70300G (3), SAL35F14G (4) со встроенной системой стабилизации изображения SteadShot INSIDE®
Grace - сочетание высоких технических характеристик, выразительного внешнего дизайна, удобной управляемости и высокого качества конструкционных материалов.
Gather - использование линз большого диаметра (72 мм для VX2200E/PD175Р/177Р/198/P) обеспечивает высокую собирающую способность объектива, определяемую площадью его собирающей поверхности (апертурой), пропорциональной квадрату диаметра. При работе с открытой диафрагмой с помощью объективов "G-Lens" можно получать выразительные снимки с мягкой расфокусировкой по краям. Вид объектива "G-Lens" в разрезе показан на рис. 2.
Рис. 2. Вид объектива G-Lens в разрезе
Gratify - в ряде случаев разрешение изображения на выходе камеры может быть ограничено не только числом пикселов датчика изображения, но и способностью объективов сохранять контраст и четкость при уменьшении толщины линий испытательной таблицы. Контрастность объективов принято характеризовать частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ) или MTF (Modulation Transfer Function).
На рис. 3 приведены ЧКХ высококачественного (а) и бюджетного (б) объективов в сравнении с идеальным объективом, разрешение которого определяется только дифракционным пределом. Светорассеяние (Flare) в объективах "G-Lens" сведено к абсолютному минимуму, что обеспечивает высокую контрастность, незначительно уменьшающуюся при смещении от оптического центра к периферии объектива. Для дости-жения этой цели конструкция и технология производства тщательно выверены и оптимизированы, что позволяет пользователям создавать выразительные снимки высокого качества.
Рис. 3. ЧКХ высококачественного (а) и бюджетного (б) объективов в сравнении с идеальным объективом
Рис. 4. Сборочный чертеж блока объектива рассматриваемых видеокамер
Сборочный чертеж блока объектива рассматриваемых видеокамер приведен на рис. 4, а номера основных узлов блока (в скобках для моделей DSR-PD175P/PD177P/PD198P) - в таблице.
Таблица. Номера основных узлов блока (в скобках - для моделей DSR-PD175P/PD177P/PD198P)
№ позиции | № детали | Наименование |
201 | 1-788-775-41 (1-788-775-31) | LENS, VIDEO ( LENS, VIDEO CF0022) - узел объектива в сборе |
205 | A-1566-526-A | DEVICE (SERVICE), PRISM - узел призмы, включая платы CM-097/104 с КМОП сенсорами IC3001/IC5001 |
206 | 1-966-281-11 | HARNESS (COAXIAL CABLE) - соединительные кабели |
210 | 1-966-281-11 | GY-014 BOARD, COMPLETE (SERVICE) - плата системы стабилизации изображения |
Использованные в рассматриваемых видеокамерах 3-матричные КМОП датчики изображения ClearVid 3 CMOS обеспечивают разрешение, превышающее требования, предъявляемые к видеокамерам стандартной четкости. Сами датчики (КМОП матрицы) входят в состав узлов призмы видеокамер (205 на рис. 4). Такой же узел призмы применен и в моделях "Sony-HVR-Z5C/E/J/N/P/U" (версия сервисного руководства Ver. 1.4, 2011 г), работающих в форматах DV/DVCAM и HDV (высокой четкости). КМОП датчики изображения (микросхемы) типа IMX025ALQ-13 (для зеленого канала) и IMX025ALQ-23 (для красного и синего каналов) входят в состав плат CM-104 (зеленый канал) и СМ-097 (красный и синий каналы), конструктивно установленных в узле призмы. Сами датчики и платы на сервисные центры отдельно не поставляются, при выходе их из строя требуется замена узла призмы целиком. Внешний вид узла призмы показан на рис. 5.
Рис. 5. Внешний вид узла призмы
Особенности и отличия ПЗС и КМОП датчиков изображения
Фирма SONY уже долгие годы является мировым лидером в разработке и производстве ПЗС-датчиков изображения. Первая видеокамера с ПЗС-сенсором с числом элементов 250000 была выпущена SONY еще в 1980 году в рамках "Проекта команды 80", задачей которого было внедрение формата Video 8. На раннем этапе большим недостатком ПЗС-датчиков был значительный уровень фиксированного структурного шума (FPN - Fixed Pattern Noise), однако разработка технологии HAD устранила эту проблему (см. [1]). С началом внедрения форматов высокой четкости потребовались ПЗС-датчики, способные обрабатывать больше информации (более чем в 6 раз), при этом требуемое число пикселов достигло двух миллионов. Обратной стороной медали ПЗС-датчиков высокой четкости стало значительное увеличение энергопотребления, что, в свою очередь, потребовало применения эффективных теплоотводов.
Вопрос, что лучше - ПЗС или КМОП датчики изображения не имеет однозначного ответа. Вплоть до начала текущего века ПЗС-сенсоры обеспечивали безусловно лучшее качество изображения. Интерес к КМОП сенсорам значительно усилился ожиданиями существенно меньшего энергопотребления при их применении в мобильных телефонах, фото- и видеокамерах и других приложениях, работающих на аккумуляторах, а также возможности реализации БИС типа "камера на чипе". Однако по чувствительности КМОП сенсоры приблизились к показателям ПЗС- сенсоров только в последние годы. В результате к настоящему времени оба типа сенсоров с успехом применяются как в профессиональных, так и в недорогих бытовых устройствах.
В развитии популярности КМОП датчиков изображения существенную роль сыграла эволюция мобильных телефонов, в которых видеокамеры с ПЗС-сенсорами разрешением 640 х 480 играли вспомогательную роль - они не могли конкурировать с фото и видеокамерами высокой четкости. Однако успехи в полупроводниковых технологиях сделали возможным массовое производство КМОП датчиков изображения высокой четкости интересным и прибыльным для производителей мобильных устройств и потребительской электроники. Качество изображения, получаемое с помощью КМОП сенсоров, стало быстро улучшаться и в настоящее время они с успехом применяются в профессиональных аппаратах высокого класса. Примером может служить выпуск в 2008 году видеокамер Ariflex D21-HD на КМОП сенсорах для цифрового кинематографа ведущим мировым производителем кинокамер ARRI (Германия). Разрешения этих датчиков 2880 х 2160 (формат 4:3) или 2880 х 1620 (16:9).
Рис. 6. Упрощенная структурная схема ПЗС
Рис. 7. Упрощенная структурная схема КМОП
В ПЗС и КМОП датчиках изображения в качестве преобразователей света в электрический сигнал используются фотодиоды, однако устройство самих датчиков существенно различается. Рассмотрим принципы их работы, ориентируясь на упрощенные структурные схемы, приведенные на рис. 6 (ПЗС) и рис. 7 (КМОП). В ПЗС регистрируемый фотодиодами свет преобразуется в электрические заряды (Charge), которые с помощью управляющего напряжения, подаваемого на затвор (Gate), передаются на регистры вертикального переноса (Vertical transfer channel). Заряды с вертикальных регистров проходят на горизонтальный регистр считывания (Horizontal transfer channel), выход которого соединен с усилителем, преобразующим заряды в электрический сигнал. Принципиальным недостатком такой структуры является появление на изображении тянущихся продолжений или вертикального смаза (Smear), выглядящих как яркие вертикальные "столбы". Такие искажения возникают, когда очень яркий свет за счет утечки формирует избыточный заряд, попадающий непосредственно на вертикальные регистры. Для открывания и закрывания всех затворов в схеме, приведенной на рис. 6, необходимы управляющие напряжения значительной величины. Мощность потребления особенно велика в датчиках высокой четкости, содержащих миллионы пикселов.
В КМОП датчиках каждый пиксел имеет собственный усилитель, сразу преобразующий заряд в электрический сигнал, передаваемый затем в вертикальные и горизонтальные сигнальные линии (рис. 7). Вместо затворов в КМОП сенсорах используются коммутаторы, управляющие последовательностью выходных сигналов. Это позволяет значительно снизить энергопотребление сенсора в целом. КМОП, как и ПЗС-датчики изображения, могут быть одноматричными и трехматричными, в состав которых входят три черно-белых датчика, свет на которые поступает со светоделительных призм. Вертикальный смаз в КМОП датчиках в принципе не возникает, так как падающий свет не оказывает воздействия на электрический сигнал. На рис. 8 показаны изображения с датчиков ПЗС и КМОП.
Рис. 8. Изображения с датчиков ПЗС и КМОП
КМОП датчики изображения ClearVid CMOS
Впервые SONY представила видеокамеру с КМОП датчиком изображения ClearVid CMOS на выставке "Consumer Electronics Show 2006" в Лас-Вегасе. Это была модель DCR-DVD505 с одноматричным КМОП датчиком типа IMX013AHF-13 с диагональю 1/3 дюйма и общим числом пикселов 2100000. Ряд экспертов заметили некоторое сходство новых датчиков SONY с ПЗС-сенсорами Super CCD фирмы FUJIFILM в части ориентации элементарных ячеек матриц, а именно их расположение под углом 45°. На рис. 9 показано расположение ячеек КМОП матриц ClearVid и традиционных КМОП матриц с одинаковыми размерами ячеек. Такое решение обеспечивает меньшее расстояние между соседними пикселями - размер (а) меньше размера (а') в 1,4 раза, что позволяет разместить на матрице одинакового размера большее число пикселов. Однако по заявлению представителей SONY разрешение 2 Мп матрицы ClearVid примерно соответствует разрешению традиционной 4 Мп матрицы. Кроме того, расположение ячеек под углом 45° позволило увеличить светочувствительную площадь самих ячеек так, как показано на рис. 10. Площадь (s) ячеек ClearVid в два раза больше площади (s') ячеек традиционных матриц.
Рис. 9. Расположение ячеек КМОП матриц ClearVid и традиционных КМОП матриц с одинаковыми размерами ячеек
Рис. 10. Расположение ячеек под углом 45°
Площадь пикселов существенно влияет на общую светочувствительность сенсоров, однако чем больше их разрешающая способность, тем больше требуется пикселов, и при одинаковых размерах матриц чувствительность HD приборов меньше, чем у приборов стандартной четкости. На рис. 11 схематично показано расположение пикселов в HD и SD-матрицах; как видно из рисунка, общее количество пикселов в HD матрице (1920 х 1080) в 5/6 раз больше чем в SD (720 х 576/PAL, 720 х 480/NTSC) при одинаковых площадях самих матриц. Кроме фоточувствительных яче-ек площадь матриц занимают вспомогательные элементы, необходимые для передачи электрических сигналов. В ПЗС-сенсорах требуется размещение сравнительно широких элементов каналов передачи сигналов, расположенных вблизи фотодиодов, для чего необходимо размещение пикселов в виде прямоугольной решетки. В КМОП сенсорах используются более тонкие элементы каналов передачи сигналов, расположение которых можно выбирать более гибко, поэтому структуры КМОП сенсоров не обязательно выполнять в виде прямоугольной решетки. Эта возможность и реализована компанией в датчиках изображения ClearVid CMOS - использовано диагональное расположение пикселов под углом 45°. Такой поворот фактически увеличивает площадь пикселов. Так, например, при диагонали 1/3 дюйма (8,47 мм) матрица ClearVid с разрешением 960 х 1080 обеспечивает чувствительность, соответствующую чувствительности стандартной КМОП матрицы с разрешением 1920 х 1080 с диагональю 1/1,89 дюйма (13,4 мм). Минимальная освещенность (1,5 лк) у рассматриваемых видеокамер с КМОП сенсорами IMX025ALQ с числом пикселов 1200000 примерно равна минимальной освещенности (1...2 лк) видеокамер DCR-VX2000/VX2100 с ПЗС-сенсорами ICX247AL-13 с числом пикселов 450000.
Рис. 11. Расположение пикселов в HD и SD-матрицах
Кроме увеличения площади пикселов в матрицах ClearVid для увеличения чувствительности применены особо эффективные собирающие линзы, расположенные над каждым из пикселов матрицы, и направляющие свет преимущественно на светочувствительную поверхность фотодиодов так, как показано на рис. 12.
Рис. 12. Расположение собирающих линз
Кроме рассматриваемых видеокамер трехматричная система ClearVid 3 CMOS также применена в европейских исполнениях видеокамер высокой четкости HVR-Z5/Z7E, HVR-S270E, HVR-V1EH, HXR-NX5E. Строки каждой матрицы ClearVid для каналов красного, зеленого и синего цветов с разрешением 960 (по горизонтали) х 1080 (по вертикали) расположены зигзагообразно, как это показано на рис. 13. Для получения полноцветного изображения сигналы с датчиков каналов RGB определенным образом суммируются.
Рис. 13. Строки каждой матрицы ClearVid для каналов красного, зеленого и синего цветов с разрешением 960 (по горизонтали) х 1080 (по вертикали) расположены зигзагообразно
В традиционных трехматричных системах сенсоры монтировались на цветоделительной призме таким образом, что матрицы красного и синего каналов получают пространственный сдвиг на половину ширины пиксела относительно матрицы зеленого канала. Каждый пиксел участвует в формировании двух сигналов - пиксел G используется для формирования сигналов G+R1+B1 и G+R2+B2. Такая операция теоретически удваивает горизонтальное разрешение матрицы до 1920 отсчетов. На практике заметное улучшение четкости достигается только в тех областях, где имеются все три цветовых сигнала, а при съемке монохроматических объектов, таких как зеленый газон или красные цветы, разрешение существенно не увеличивается.
Из сказанного можно заметить, что установка таких чипов в призму осуществляется с очень высокой точностью, что в сервисных центрах вряд ли осуществимо без специального оборудования. Это объясняет отсутствие в сервисных руководствах трехматричных видеокамер описаний таких процедур и отсутствие в перечнях элементов самих сенсоров и плат, на которых они установлены.
В матрицах ClearVid применен другой метод смешения сигналов, позволяющий достигать максимального разрешения независимо от относительного уровня цветовых составляющих. Горизонтальное разрешение увеличивается до Full-HD (1920 отсчетов) путем интерполяции с созданием виртуального пиксела в каждой точке решетки. Виртуальный пиксел формируется на основе информации от четырех соседних пикселов. Интерполяция осуществляется независимо в каждой матрице, а ее эффективность не связана со смешением цветов. Такой метод эффективен как для разноцветных объектов, так и монохроматичных (одноцветных). Видеокамеры с трехматричной системой ClearVid 3 CMOS обеспечивают высокое разрешение для всех цветовых комбинаций. На рис. 14 показаны изображения, полученные с видеокамеры SONY с датчиками ClearVid 3 CMOS и аналогичными по классу видеокамерами компаний "Р" (предположительно Panasonic) и "С".
Рис. 14. Изображения, полученные с видеокамеры SONY с датчиками ClearVid 3 CMOS и аналогичными по классу видеокамерами компаний Р (предположительно Panasonic) и С
Вся описанная обработка производится в цифровом виде в сигнальном процессоре Enhanced Imaging Processor™ типа CXD9891GG (Part No 6-710-308-01, внешний вид на рис. 15), обеспечивающем создание сигнала формата Full-HD 1920 х 1080 с высоким качеством цветопередачи при использовании системы ClearVid 3 CMOS с разрешением каждого сенсора 960 х 1080 пикселов. Следует отметить, что возможности такой системы в приложении к рассматриваемым видеокамерам используются не полностью и ограничиваются требованиями стандартов DV/DVCAM (стандартной четкости). Полностью возможности ClearVid 3 CMOS/Enhanced Imaging Processor реализованы в видеокамерах HVR-Z5/Z7, HVR-S270 и некоторых других, работающих в форматах DV/DVCAM/HDV.
Рис. 15. Сигнальный процессор Enhanced Imaging Processor™ типа CXD9891GG
Технология шумоподавления ExmorTM
Для видеосъемки при низкой освещенности используются два метода:
- улучшение параметров датчиков изображения путем увеличения светочувствительной площади сенсоров, использования фокусирующих линз над фоточув-ствительными элементами и улучшения некоторых других параметров датчиков;
- использование электронного усиления яркости, с помощью этого метода возможно увеличить чувствительность видеокамер, однако это неизбежно приводит к увеличению уровня шума (зернистость изображения). Резервом увеличения чувствительности может стать эффективный алгоритм подавления шумов.
Для видеокамер характерны два источников шума - фиксированный структурный шум (FPN) и аналоговый шум. В КМОП сенсорах интегрированы отдельные усилители для каждого пиксела матрицы. В исполнениях высокой четкости матрицы содержат более миллиона таких усилителей. Естественно, они не могут быть одинаковыми, так как в процессе производства неизбежен разброс параметров. Неодинаковость усилителей, а также фотодиодов матриц приводит к возникновению характерной помехи FPN. Такую помеху можно устранить за счет специальной коррекции CDS (Correlated Double Sampling) - двойная коррелированная дискретизация. Аналоговый шум возникает в процессе преобразования заряда в электрический сигнал, и этот шум возрастает пропорционально числу ступеней (каскадов) передачи и расстоянию элементов матриц до АЦП.
Специально для КМОП датчиков изображения SONY разработала технологию шумопонижения Exmor™. Основная идея этой технологии заключается в переносе АЦП как можно ближе к фотодиодам ячеек матрицы. В традиционных КМОП сенсорах вблизи каждого столбца матрицы устанавливаются аналоговые корректоры фиксированного структурного шума, выходы которых через коммутаторы соединены с общим АЦП. В технологии Exmor™ возле каждого столбца дополнительно устанавливаются и АЦП, выходы которых сконфигурированы для подачи цифрового сигнала на внешние устройства. В результате расстояние от пикселов до АЦП значительно меньше, чем в системах с одним АЦП, что и приводит к общему снижению шума. В системе предусмотрена также сложная система CDS, измеряющая уровень шума до преобразования, а затем после него. Эта система является значительно более точной, чем обычные аналоговые системы CDS и обеспечивает лучшее подавление шумов.
Видеокамеры с использованием технологии Exmor™ имеют пониженный уровень шумов по сравнению с обычными КМОП сенсорами высокой четкости. Различия особенно заметны в условиях низкой освещенности. Стоит отметить, что изначально трехматричные датчики изображения ClearVid 3 CMOS и технология Exmor™ были предназначены для применения в профессиональных HD камкордерах высокого класса PMW-EX1 формата XDCAM (запись на карты памяти). Более подробно устройство и функционирование датчиков изображения SONY представлено в информационно-технических материалах компа нии [2, 3].
Структурная схема части камерного канала рассматриваемых моделей приведена на вкладке, в состав этой части камерного канала входят платы датчиков изображения СМ-097 BOARD красного и синего каналов и CM-104 BOARD зеленого канала, конструктивно установленные на узле призмы (позиция 205 на рис. 4). Электрическая принципиальная схема платы СМ-097 приведена на вкладке, плата СМ-104 отличается только типом датчика изображения (IMX025ALQ-13). Цифровые сигналы в параллельном 12-разрядном коде с плат датчиков изображения двумя потоками (D0A0-D0A11, D0B0-D0B11) поступают на цифровой сигнальный процессор IC1401 CXD9891GG (Enhanced Imaging Processor™), установленный на главной плате видеокамер VC-597 BOARD. Электрическая принципиальная схема части главной платы с процессором IC1401 приведена на вкладке. Тактовые импульсы на вывод Y8 процессора подаются с внешнего кварцевого генератора Х1401 (Part No 1-813908-21 QUARTZ CRYSTAL OSCILLATOR) на частоту 83,16 МГц. На главной плате установлен и основной процессор камерного канала IC1801 S4DF006X2-Y071-K12K4C (Part No 6-710-743-01).
В заключение приведем назначение основных связей камерного канала, отмеченных на схеме цифрами в кружках.
Литература и интернет-источники
1. Юрий Петропавловский. Цифровые видеокамеры "Sony DCR-VX2000/VX2100" и "Sony DSR-PD150/170/190". Устройство и ремонт сигнальной части камерных каналов. Ремонт & Сервис, 2013, № 5.
2. http://www.sony-asia.com/ microsite/professional/hdv/pdf/ CMOS_Tech_Guide.pdf
3. http://www.vodtech.eng.br/Baixar/ Catalogos%20Diversos%20part% 201/part%201/CCD_CMOS_WhitePaper.pdf
Автор: Юрий Петропавловский (г. Таганрог)
Источник: Ремонт и сервис