История создания цифровой фотографии

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАФИИ

1908 Шотландец Алан Арчибальд Кэмпбел Свинтон (Alan Archibald Campbell Swinton) печатает в журнале Nature статью, в которой описывает электронное устройство для регистрации изображения на электронно-лучевой трубке. В дальнейшем эта технология легла в основу телевидения. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), кинескоп — электровакуумный прибор, преобразующий электрические сигналы в световые. В строгом смысле, электронно-лучевыми трубками называют ряд электронно-лучевых приборов, одним из которых является кинескоп.

Принципиальное устройство:

электронная пушка, предназначена для формирования электронного луча, в цветных кинескопах и многолучевых осциллографических трубках объединяются в электронно-оптический прожектор; экран, покрытый люминофором — веществом, светящимся при попадании на него пучка электронов; отклоняющая система, управляет лучом таким образом, что он формирует требуемое изображение.

1969 Исследователи из Bell Laboratories - Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображений. Данный тип приборов в настоящее время имеет очень широкий круг применений в самых различных оптоэлектронных устройствах для регистрации изображения. В быту это цифровые фотоаппараты, видеокамеры, сканер для компьютера, телефакс, устройства для чтения штрих-кодов на товарах. ПЗС приемники широко используются в научных исследованиях, замненяя глаз наблюдателя и фотопластинки. В астрономии это средство регистрации изображений в телескопах, в оптике - пучков света, спектров излучения и т. д. ПЗС-приемник отличается от обычного полупроводникового фотодиода, имеющего светочувствительную площадку и два злектрических контакта для съема электрического следующим:

- во-первых, таких светочувствительных  площадок (часто их называют пикселами  - элементами, принимающими свет и преобразующими его в электрические заряды) в ПЗС-приемнике очень много, от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч и даже нескольких миллионов. Размеры отдельных пикселов одинаковы и могут быть от единиц до десятков микрон. Пикселы могут быть выстроены в один ряд - тогда приемник называется ПЗС-линейкой, или ровными рядами заполнять участок поверхности - тогда приемник называют ПЗС-матрицей. Раcположение светоприемных элементов (прямоугольники синего цвета) в ПЗС-линейке и ПЗС-матрице.

- во-вторых, в ПЗС-приёмнике, внешне похожем на обычную микросхему, нет огромного числа электрических контактов для вывода электрических сигналов, которые, казалось бы, должны идти от каждого светоприемного элемента. Зато к ПЗС-приемнику подключается электронная схема, которая позволяет извлекать с каждого светочувствительного элемента электрический сигнал, пропорциональный его засветке.

1970 Ученые из Bell Labs создали прототип электронной видеокамеры на основе ПЗС. Первый ПЗС содержал всего семь МОП-элементов.

1972 Компания Texas Instruments запатентовала устройство под названием «Полностью электронное устройство для записи и последующего воспроизведения неподвижных изображений». В качестве чувствительного элемента в нем использовалась ПЗС-матрица, изображения хранились на магнитной ленте, а воспроизведение происходило через телевизор. Данный патент практически полностью описывал структуру цифровой камеры, несмотря на то, что сама камера фактически была аналоговой.  
CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») или ПЗС-ма́трица — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния[3], и на базе ПЗС — приборов с зарядовой связью.

Название ПЗС  — прибор с зарядовой связью —  отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от фотодетектора к фотодетектору.

ПЗС-матрица  состоит из поликремния, отделённого  от силиконовой подложки, в которой  при подаче напряжения через поликремневые  затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Положительное напряжение на электродах создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из валентной зоны, сгенерированные фотонами. В этой потенциальной яме заряд хранится до момента считывания. Чем интенсивнее световой поток в течение экспозиции, тем больше скапливается электронов в потенциальной яме и тем выше итоговый заряд данного пикселя. 

Считывание итогового  заряда ПЗС состоит в том, чтобы  заставить поликремневые затворы, помимо функции электродов, выполнить ещё и роль сдвиговых регистров, таким образом, чтобы они образовали конвейерную цепочку вдоль одной оси. При этом если учесть, что обычно один пиксель формируется несколькими, например, четырьмя электродами, то попеременная подача на них высокого либо низкого напряжения по принципу n+1 (1-2, 2-3, 3-4 и т. д.) позволит накопленному заряду как бы перетекать по выбранной оси, не теряя своей величины. Это становится возможным благодаря тому, что, изменяя конфигурацию потенциального барьера, мы как бы сдвигаем потенциальную яму с накопленными в ней зарядами. Причём описанный цикл повторяется до тех пор, пока все содержимое выбранных осей не «перетечёт» к управляющей логике, преобразующей поступивший заряд в определённый уровень напряжения. Собственно, такой способ передачи заряда и дал название ПЗС — приборы с зарядовой связью ПЗС-сенсор.

Пример субпикселя ПЗС — матрицы с карманом n-типа 
Архитектура пикселей у производителей разная. 
Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа 
Обозначения на схеме субпикселя ПЗС — матрицы с карманом n-типа 
1 — Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата. 
2 — Микролинза субпикселя (фотодиода). 
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера. 
4 — Прозрачный электрод — полисиликоновый (поликристаллический кремний) или сплав индия и оксида олова. 
5 — Изолятор кварцевый (оксид кремния). 
6 — Кремниевый канал n-типа. Зона генерации носителей (зона внутреннего фотоэффекта). 
7 — Зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей 
8 — Кремниевая подложка p-типа. 
 Микролинза субпикселя (фотодиода)

Рисунок Микролинз 
Буферные регистры сдвига «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю достаётся лишь 30% светочувствительной области от его общей поверхности, в то время как у пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС_матриц поверх каждого пиксела располагается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела. Поскольку с помощью микролинз удаётся гораздо эффективнее регистрировать падающий на сенсор световой поток, со временем этими устройствами стали снабжать не только системы с буферизацией столбцов, но и полнокадровые матрицы. Впрочем, микролинзы тоже нельзя назвать «решением без недостатков».

Являясь оптическим устройством, микролинзы в той или иной мере искажают регистрируемое изображение чаще всего это выражается в потере чёткости у мельчайших деталей кадра— их края становятся слегка размытыми. С другой стороны, такое нерезкое изображение отнюдь не всегда нежелательно — в ряде случаев изображение, формируемое объективом, содержит линии, размер и частота размещения которых близки к габаритам ПЗС-элемента и межпиксельному расстоянию матрицы. В этом случае в кадре зачастую наблюдается ступенчатость (aliasing)— назначение пикселу определённого цвета, вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. В итоге линии объекта на снимке получаются рваными, с зубчатыми краями. Для решения этой проблемы в камерах с матрицами без микролинз используется дорогостоящий фильтр защиты от наложения спектров (anti -aliasing filter), а сенсор с микролинзами в таком фильтре не нуждается. Впрочем, в любом случае за это приходится расплачиваться некоторым снижением разрешающей способности сенсора.

1973 Компания Fairchild (одна из легенд полупроводниковой индустрии) начала промышленный выпуск ПЗС-матриц. Они были чёрно-белыми и имели разрешение всего 100х100 пикселей. В 1974 при помощи такой ПЗС-матрицы и телескопа была получена первая астрономическая электронная фотография. В том же году Гил Амелио (Gil Amelio), также работавший в Bell Labs, разработал техпроцесс производства ПЗС-матриц на стандартном полупроводниковом оборудовании. После этого их распространение пошло намного быстрее.  
Участок поверхности Марса размером 100x100 км(фотография получена с борта AMС «Марс-5»).

1975 Инженер Стив Сассон (Steve J. Sasson) работавший в компании Kodak сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100x100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды).

1976 Fairchild выпускает первую коммерческую электронную камеру MV-101, которая была использована на конвейере Procter&Gamble для контроля качества продукции. Это уже была первая, полностью цифровая камера, передававшая изображение в миникомпьютер DEC PDP-8/E по специальному параллельному интерфейсу.

1980 Sony представила на рынок первую цветную видеокамеру на основе ПЗС-матрицы (до этого все камеры были чёрно-белыми).  
1981 Sony выпускает камеру Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera), с которой и принято отсчитывать историю современной цифровой фотографии. Mavica была полноценной зеркальной камерой со сменными объективами и имела разрешение 570×490 пикселей (0,28 Мп) Она записывала отдельные кадры в формате NTSC и поэтому официально она называлась «статической видеокамерой» (Still video camera). Технически, Mavica была продолжением линейки телевизионных камер Sony на основе ПЗС-матриц. Во многом, появление Mavica было переворотом, аналогичным изобретению химического фотопроцесса в начале 19-го века. На смену громоздким телекамерам с электронно-лучевыми трубками пришло компактное устройство на основе твердотельного ПЗС-сенсора. Полученные на ПЗС-матрице изображения сохранялись на специальном гибком магнитном диске в аналоговом видеоформате NTSC. Диск был похож на современную дискету, но имел размер 2 дюйма. На него можно было записать до 50 кадров, а также звуковые комментарии. Диск был перезаписываемый и назывался Video Floppy и Mavipak.

Примерно в  то же время в канадском университете Калгари была разработана первая полностью цифровая камера под названием All-Sky camera (камера с полем зрения, охватывающим полусферу). Она предназначалась  для научной фотосъемки, была сделана на основе ПЗС-матрицы Fairchild и выдавала данные в цифровом формате.  
1984-1986 По примеру Sony, компании Canon, Nikon, Asahi также начали выпуск электронных видео- и фотокамер. Камеры были аналоговыми, стоили очень дорого и имели разрешение 0,3–0,5 мегапикселей. Картинки в формате видеосигнала писались на магнитные носители (как правило, дискеты). В этом же году Kodak ввёл в обиход термин «мегапиксель», создав промышленный образец CCD-сенсора с разрешением 1,4 Мп.

До сих пор  в подавляющем большинстве цифровиков используется сенсор на основе CCD (Charged Coupled Device), он же ПЗС (прибор с зарядовой связью) — той же технологии, что использовалась в самых первых телевизионных чёрно-белых камерах. Собственно, первые бытовые цифровики представляли из себя по конструкции видеокамеру, изображение в которой ставилось «на паузу» и в аналоговом виде записывалось на дискету или мини-диск, а затем воспроизводилось на экране телевизора. Первый такой прибор производства фирмы Sony появился в 1981 году и назывался Sony Mavica (Magnetic Video Camera, видеокамера с магнитной записью). Mavica была полноценной зеркалкой со сменными объективами и имела разрешение 570×490 пикселей (0,28 Мп), запись велась на специальные 2-дюймовые дискеты (привычные для нас, хотя и уходящие потихоньку в историю 3,5-дюймовые дискеты были выведены на рынок все той же Sony несколько позже). Особого распространения Mavica не получила до 1986 года, когда аналогичные продукты были выпущены фирмами Canon и Nikon. Впрочем, цифровые изображения как класс появились много раньше: первые чисто цифровые снимки были получены при картографировании американскими астронавтами лунной поверхности и переданы на Землю ещё в середине 60-х. Также цифровыми были изображения, передаваемые с американских спутников-шпионов в 70-е годы прошлого столетия.

1988 Компания Fuji, которой и принадлежит право первенства в производстве полноценной цифровой видео-фотокамеры, совместно с Toshiba выпустила камеру Fuji DS-1P, основанную на ПЗС-матрице с разрешением в 0,4 Мп. DS-1P также стала первой камерой, записывавшей изображение в формате NTSC не на магнитный диск, а на сменную карту памяти статического ОЗУ (Static RAM) со встроенной для поддержания целостности данных батарейкой. Модель DS-1P умела сохранять изображение в файле, что было революционным достижением для того времени. Она имела 16 Мб внутренней памяти, на которую и записывались файлы. Эта память даже не была энергонезависимой. Для элементарного хранения изображений ей требовалось расходовать заряд батарей. Таким образом, DS-1P проигрывала простейшим плёночным камерам не только по качеству съёмки, но и по удобству использования. Некое устройство, способное стать «цифровой плёнкой», было востребовано уже тогда, но флэш-карт ещё не было.

Цифровая камера Fuji DS-1P

В том же году Apple совместно с Kodak выпускает первую программу для обработки фотоизображений  на компьютере — PhotoMac.

1990 Появилась уже полностью цифровая, коммерческая камера – Dycam Model 1, более известная под как Logitech FotoMan FM-1. Камера была чёрно-белая (256 градаций серого), имела разрешение 376x240 пикселов и 1 мегабайт встроенной оперативной памяти для хранения 32 снимков, встроенную вспышку и возможность подключить камеру к компьютеру.

1991 Kodak, совместно с Nikon, выпускает профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC100 на основе камеры Nikon F3. Запись происходила на жесткий диск, находящийся в отдельном блоке, весившем около 5 кг.

1994 Apple совершает настоящий маркетинговый прорыв, выпустив Apple QuickTake 100. Фотокамера была выпущена в корпусе, напоминавшем бинокль (популярная в те годы форма для видео-фотокамер) и позволяла хранить во внутренней Flash-памяти восемь снимков размером 640×480 (0,3 Мп) или тридцать два снимка с половинным разрешением 320×200. Подключалась камера к компьютеру с помощью последовательного порта, питалась от трёх батареек формата AA и стоила меньше восьмисот долларов.

Apple оставила след в  истории фотографии, причем эта  компания была одним из пионеров  цифрового фото. Выпущенная в  1993 году фотокамера Apple Quicktake 100 снимала в разрешении 640х480 и могла сохранить до 8 фотографий в интегрированной памяти. Аппарат был оснащен служебным ЖК-дисплеем, примитивным видоискателем с резиновым наглазником, напоминающим вантуз, и довольно мощной вспышкой. Соединение с компьютером осуществлялось по интерфейсному кабелю, слоты для карт памяти отсутствовали. Устройство работало от трех пальчиковых батареек, а в случае необходимости его можно было подключить к блоку питания.

1994 На рынке появились первые Flash-карты форматов Compact Flash и SmartMedia, объёмом от 2 до 24 Мбайт.  
Они представляют собой быстрые, легкие, съемные устройства памяти большой емкости, которые используют технологию флэш-памяти долговременного хранения данных даже в отсутствие источника питания. По размеру карточка CompactFlash сопоставима с коробком от иностранных спичек: ее размеры составляют 43 мм х 36 мм х 3,3 мм.  
Карты CompactFlash могут использоваться в самых разнообразных устройствах, включая цифровые камеры и карманные компьютеры. Фактически, CompactFlash поддерживается большинством платформ и операционных систем, имеющих поддержку стандарта PCMCIA ATA.