Fotomatris

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 7 juli 2021; kontroller kräver 9 redigeringar .

Fotomatris , matris eller fotokänslig matris  - en specialiserad analog eller digital-analog integrerad krets , bestående av ljuskänsliga element - fotodioder .

Enheten för en pixelmatris

Pixelarkitekturen varierar från tillverkare till tillverkare. Till exempel ges arkitekturen för CCD- pixeln här.

Ett exempel på en n-typ fick-CCD-subpixel

Beteckningar på schemat för subpixeln i CCD-matrisen  - matriser med en ficka av n-typ:
1  - fotoner av ljus som har passerat genom kameralinsen ;
2  - subpixel mikrolins ;
3  - R - subpixel rött ljusfilter , Bayer filterfragment ;
4  - transparent elektrod gjord av polykristallint kisel eller en legering av indium och tennoxid;
5  - kiseloxid;
6  - n-typ kiselkanal: bärvågsgenereringszon - intern fotoelektrisk effektzon ;
7  - potentialbrunnszon (ficka av n-typ), där elektroner samlas upp från laddningsbärargenereringszonen ;
8 -p- typ  silikonsubstrat .

Sub-pixel mikrolins

Buffertförskjutningsregistren på CCD, såväl som inramningen av CMOS-pixeln, på CMOS-matrisen "äter upp" en betydande del av matrisområdet, som ett resultat får varje pixel endast 30 % av det ljuskänsliga området av dess totala yta. För en matris med fullbildsöverföring är denna yta 70 %. Det är därför i de flesta moderna CCD-matriser en mikrolins installeras ovanför pixeln. En sådan enkel optisk anordning täcker större delen av CCD-elementets yta och samlar in hela fraktionen av fotoner som infaller på denna del till ett koncentrerat ljusflöde , som i sin tur riktas till ett ganska kompakt ljuskänsligt område av pixel .

Karakteristika för matriser

Ljuskänslighet (kort sagt känslighet), signal-brusförhållande och fysisk pixelstorlek är otvetydigt sammankopplade (för matriser skapade med samma teknik). Ju större den fysiska pixelstorleken är, desto större blir det resulterande signal-brusförhållandet för en given känslighet, eller desto högre är känsligheten för ett givet signal-brusförhållande. Den fysiska storleken på matrisen och dess upplösning bestämmer unikt storleken på pixeln. Pixelstorleken avgör direkt en så viktig egenskap som fotografisk latitud .

Signal-brusförhållande

Varje fysisk storhet gör vissa fluktuationer från sitt genomsnittliga tillstånd, inom vetenskapen kallas detta fluktuationer. Därför förändras också varje egenskap hos någon kropp, fluktuerande inom vissa gränser. Detta gäller även för en sådan egenskap som fotokänsligheten hos en fotodetektor, oavsett vad denna fotodetektor är. Konsekvensen av detta är att ett visst värde inte kan ha något särskilt värde, utan varierar beroende på omständigheterna. Om vi ​​till exempel betraktar en sådan fotodetektorparameter som "svartnivå", det vill säga värdet på signalen som fotodetektorn kommer att visa i frånvaro av ljus, kommer denna parameter också att fluktuera på något sätt, inklusive detta värde kommer att byta från en fotodetektor till en annan om de bildar någon array (matris).

Som ett exempel kan vi överväga en vanlig fotografisk film, där fotosensorerna är silverbromidkorn, och deras storlek och "kvalitet" förändras okontrollerat från punkt till punkt (tillverkaren av det fotografiska materialet kan bara ge det genomsnittliga värdet av parametern och mängden av dess avvikelse från medelvärdet, men inte de specifika värdena själva detta värde i specifika positioner). På grund av denna omständighet kommer film som framkallats utan exponering att visa en viss, mycket liten, men icke-noll svärtning, vilket kallas "slöja". Och fotomatrisen för en digitalkamera har samma fenomen. Inom vetenskapen kallas detta fenomen brus, eftersom det stör den korrekta uppfattningen och visningen av information, och för att bilden ska kunna förmedla strukturen hos den ursprungliga signalen väl, är det nödvändigt att signalnivån till viss del överstiger nivån av buller som är karakteristiska för denna enhet. Detta kallas signal-brusförhållandet. [ett]

Känslighet

Termen som motsvarar "känslighet" tillämpas på matriser eftersom:

För digitalkameror kan värdet på motsvarande känslighet variera i intervallet 50-102400 ISO . Den maximala känsligheten som används i masskameror motsvarar ett signal-brusförhållande på 2-5.

Upplösning

Fotomatrisen digitaliserar (delar i bitar - "pixlar") bilden som bildas av kameralinsen. Men om linsen, på grund av otillräckligt hög upplösning, sänder TVÅ lysande punkter av objektet, åtskilda av en tredje svart, som en lysande prick per TRE på varandra följande pixlar, så finns det ingen anledning att prata om bildens exakta upplösning vid kameran.

Inom fotografisk optik finns det ett ungefärligt samband [2] : om fotodetektorns upplösning uttrycks i linjer per millimeter (eller i pixlar per tum) betecknar vi det som , och uttrycker även linsens upplösning (i dess fokal ) plan), beteckna det som , då kan den resulterande upplösningen för linsen + fotodetektorsystemet, betecknad som , hittas med formeln:

eller .

Detta förhållande är maximalt vid , när upplösningen är lika med , så det är önskvärt att linsens upplösning motsvarar fotodetektorns upplösning.[ förtydliga ]

För moderna digitala fotomatriser bestäms upplösningen av pixelstorleken, som varierar för olika fotomatriser från 0,0025 mm till 0,0080 mm, och för de flesta moderna fotomatriser är den 0,006 mm. Eftersom två punkter kommer att skilja sig åt om det finns en tredje (icke-exponerad) punkt mellan dem, så motsvarar upplösningen ett avstånd på två pixlar, det vill säga:

, var  är pixelstorleken.

Digitala fotomatriser har en upplösning på 200 rader per millimeter (för digitalkameror med storformat) upp till 70 rader per millimeter (för webbkameror och mobiltelefoner).

Vissa utvecklare av videokameror, CCD:er och CMOS-sensorer anser att systemets upplösning (i rader) är lika med antalet pixlar som läses från sensorn dividerat med 1,5. Eftersom när man bedömer linsens upplösning, mätningen tas i par av svarta och vita Foucault- världar per mm (som inte bestämmer en enda topp, utan en rumslig frekvens), då koefficienten för att omvandla upplösningen av matrisen till par av linjer kräver en korrektionsfaktor på 3,0 [3] .

Den fysiska storleken på matrisen

De fysiska dimensionerna för fotosensorer bestäms av storleken på individuella pixlar i matrisen, som i moderna fotosensorer har ett värde på 0,005-0,006 mm. Ju större pixel, desto större yta och mängd ljus den samlar in, desto högre är ljuskänsligheten och desto bättre signal-brusförhållande (vid filmfotografering kallas brus för "kornighet" eller "granularitet"). Den erforderliga upplösningen av fotografiska detaljer bestämmer det totala antalet pixlar, som i modern fotomatris når tiotals miljoner pixlar ( megapixlar ), och ställer alltså in fotomatrisens fysiska dimensioner.

Fysiska dimensioner av matriser
Nej. Storlek Diagonal i mm Storlek i mm skördefaktor
ett 13/8" ( filmtyp 135 ) 43,27 36×24 ett
2 APS-H Canon 33,75 28,1×18,7 1,28
3 APS-H Leica 32.45 27×18 1,33
fyra APS-C 28,5 23,7×15,6 1,52
5 APS-C 28.4 23,5×15,7 1,52
6 APS-C 28.4 23,6×15,8 1,52
7 APS-C Canon 26,82 22,3×14,9 1,61
åtta Foveon X3 24,88 20,7×13,8 1,74
9 1,5" 23.4 18,7×14,0 1,85
tio 4/3" 21,64 17,3×13,0 2
elva ett" 16 12,8×9,6 2.7
12 ett" 15.9 13,2×8,8 2,73
13 1/1,33" 12 9,6×7,2 3,58
fjorton 2/3" 11,85 8,8×6,6 3,93
femton 1/1,63" tio 8,0×6,0 4,33
16 1/1,7" 9.5 7,6×5,7 4,55
17 1/1,8" 8,94 7,2×5,3 4,84
arton 1/2" 8,0 6,4×4,8 5,41
19 1/2,3" 7.7 6,16×4,62 5,62
tjugo 1/2,33" 7,63 6,08×4,56 5,92
21 1/2,5" 6,77 5,8×4,3 6.2
22 1/2,7" 6,58 5,4×4,0 6.7
23 1/2,8" 6,35 5,1×3,8 7.05
24 1/3" 5,64 4,8×3,6 7.5
25 1/3,2" 5,56 4,54×3,42 7,92
26 1/3,6" 4,93 4×3 9
27 1/4" 4,45 3,6×2,7 tio
28 1/6" 2,96 2,4×1,8 femton
29 1/8" 2,25 1,8×1,35 tjugo

De fysiska måtten på matrisen för en videokamera, beroende på bildförhållandet (4:3 eller 16:9) och en specifik tillverkare med samma diagonal, är olika. Därför ger till exempel en kamera på en 1/3"-matris med ett bildförhållande på 4:3 en större vertikal betraktningsvinkel och en mindre horisontell än en kamera på en matris med samma diagonal, men med en 16: 9 bildförhållande [4] .

Bildförhållande för bildruta

Pixelbildförhållande

Matriser finns tillgängliga med tre olika pixelproportioner:

Typer av matriser enligt den tillämpade tekniken

Under lång tid var CCD-matriser praktiskt taget den enda massatypen av fotosensorer. Implementeringen av Active Pixel Sensors-teknologin runt 1993 och vidareutvecklingen av teknologier ledde så småningom till det faktum att CMOS-matriser 2008 praktiskt taget blev ett alternativ till CCD:er [6] .

CCD

CCD-matrisen (CCD, "Charge Coupled Device") består av ljuskänsliga fotodioder , är gjord på basis av kisel , använder CCD -teknik  - laddningskopplade enheter.

CMOS-sensor

CMOS-matris (CMOS, "Complementary Metal Oxide Semiconductor") är baserad på CMOS-teknik . Varje pixel är utrustad med en avläsningsförstärkare, och signalen från en viss pixel samplas slumpmässigt, som i minneschips.

SIMD WDR ( eng.  Wide dynamic range ) matris, också gjord på basis av CMOS-teknik, inramad av varje pixel har också ett automatiskt system för att ställa in exponeringstid, vilket gör att du kan radikalt öka enhetens fotografiska latitud [7] .

Live-MOS-matris

Skapad och använd av Panasonic. Tillverkad på basis av MOS-teknik innehåller den dock färre anslutningar per pixel och drivs av mindre spänning. På grund av detta och på grund av den förenklade överföringen av register och styrsignaler är det möjligt att erhålla en "live" bild i frånvaro av överhettning och ökade brusnivåer traditionella för ett sådant driftläge.

Super CCD

Fujifilmkameror använder matriser som kallas "Super CCD", som innehåller gröna pixlar i två olika storlekar: stor, för låga ljusnivåer, och liten, som i storlek sammanfaller med blått och rött. Detta gör att du kan öka matrisens fotografiska latitud med upp till 4 steg [8] .

Metoder för att erhålla en färgbild

Själva fotomatrispixeln är "svartvit". För att matrisen ska ge en färgbild används speciella tekniker.

Tre-matrissystem

Ljuset som kommer in i kameran, som faller på ett par dikroiska prismor , är uppdelat i tre primärfärger: röd, grön och blå. Var och en av dessa strålar riktas till en separat matris (oftast används CCD-matriser , därför används beteckningen 3CCD i namnet på motsvarande utrustning).

Trematrissystem används i medelstora och avancerade videokameror .

Fördelar med tre matriser jämfört med enmatris
  • bättre överföring av färgövergångar, fullständig frånvaro av färgmoiré ;
  • högre upplösning: inget suddiga (lågpass) filter behövs för att eliminera moiré;
  • högre ljuskänslighet och lägre ljudnivå;
  • möjligheten att införa färgkorrigering genom att placera ytterligare filter framför enskilda matriser, och inte framför fotograferingsobjektivet, gör att du kan uppnå betydligt bättre färgåtergivning med icke-standardiserade ljuskällor.
Nackdelar med tre matriser jämfört med enstaka matriser
  • fundamentalt större övergripande dimensioner;
  • trematrissystemet kan inte användas med linser med kort arbetsavstånd ;
  • i ett trematrisschema finns det ett problem med färgkonvergens , eftersom sådana system kräver exakt inriktning, och ju större matriserna används och ju större deras fysiska upplösning, desto svårare är det att uppnå den erforderliga noggrannhetsklassen.

Mosaikfiltermatriser

I alla sådana matriser är pixlarna placerade i samma plan och varje pixel är täckt med ett ljusfilter av en viss färg. Saknade färginformation återställs genom interpolation ( mer... ).

Det finns flera sätt att ordna filter. Dessa metoder skiljer sig i känslighet och färgåtergivning, medan ju högre ljuskänslighet desto sämre färgåtergivning:

  • RGGB - Bayer-filter , historiskt sett det tidigaste;
  • RGBW har en högre känslighet och fotografisk latitud (typisk ökning i känslighet med 1,5-2 gånger och 1 steg i fotografisk latitud), ett specialfall av RGBW-matrisen är Kodak CFAK -matrisen ;
  • RGEB (röd - grön - smaragd - blå);
  • CGMY (turkos - grön - lila - gul).

Matriser med fullfärgspixlar

Det finns två tekniker som gör att du kan få alla tre färgkoordinaterna från varje pixel. Den första används i massproducerade Sigma -kameror , den andra - från mitten av 2008, existerar endast i form av en prototyp.

Flerskiktsmatriser (Foveon X3)

Foveons X3-matrisfotodetektorer är arrangerade i tre lager - blå, grön, röd. Namnet på sensorn "X3" betyder dess "trelager" och "tredimensionell". Fördelarna med detta tillvägagångssätt inkluderar frånvaron av geometriska förvrängningar i bilden (moiré). Nackdelarna är sensorns höga krav på belysning.

X3-matriser används i Sigma digitalkameror .

Nikon fullfärgs RGB-sensor

I Nikon fullfärgsmatriser ( Nikon - patent daterat 9 augusti 2007 [9] ) passerar RGB-strålarna från objektpunkter i varje pixel som innehåller en mikrolins och tre fotodioder genom en öppen mikrolins och faller på den första dikroiska spegeln. I detta fall förs den blå komponenten av den första dikroiska spegeln till den blå detektorn, och de gröna och röda komponenterna reflekteras till den andra spegeln. Den andra dikroiska spegeln reflekterar den gröna komponenten till den gröna detektorn och sänder de röda och infraröda komponenterna. Den tredje dikroiska spegeln reflekterar den röda komponenten till detektorn och absorberar den infraröda komponenten [10] .

Trots det faktum att matrisprototypen redan har skapats (2008) är det osannolikt att detta patent kommer att finna sin tillämpning inom en snar framtid på grund av betydande tekniska svårigheter.

Jämfört med alla andra system utom trematris , har denna teknik en potentiell fördel i ljuseffektseffektivitet jämfört med RGBW- eller Bayers filterteknologier (den exakta förstärkningen beror på filtrens transmissionsegenskaper).

Till skillnad från 3CCD-system kräver denna typ av sensor inte exakt inriktning av det optiska systemet [9] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Signal-till-brus, digital apparatur och astrofotografi Arkiverad 13 maj 2009 på Wayback Machine Original på engelska Arkiverad 9 september 2009 på Wayback Machine
  2. ↑ Om upplösning . Hämtad 12 augusti 2009. Arkiverad från originalet 31 mars 2014.
  3. ↑ Lonely G.A., Youth Scientific and Technical Bulletin # 12, december 2013, UDC: 621.397.7 . ainsnt.ru . Hämtad 15 februari 2022. Arkiverad från originalet 15 februari 2022.
  4. ↑ IP-kameror, megapixelkameror för videoövervakning över Internet. Nätverkskameror för videoövervakning i hemmet - ip-kameror
  5. ↑ ungefär 16:9-format i canon-enheter (otillgänglig länk) . Hämtad 10 juni 2008. Arkiverad från originalet 13 juni 2008. 
  6. ↑ CCD vs CMOS: fakta och fiktion Arkiverad 27 februari 2008 på Wayback Machine 
  7. ↑ Pelco CCC5000 Pixim WDR kamerabeskrivning . Hämtad 3 juni 2008. Arkiverad från originalet 1 november 2011.
  8. ↑ Fujifilm S5 Pro kamerabeskrivning Arkiverad 3 december 2007 på Wayback Machine 
  9. ↑ 12 USA _ Patent 7 138 663
  10. ↑ om Nikon-sensorn . Hämtad 15 augusti 2007. Arkiverad från originalet 19 augusti 2007.

Litteratur

  • Yu.R. Nosov, V.A. Shilin. Grunderna i fysiken för laddningskopplade enheter. - M. : Nauka, 1986. - 318 sid.
  • per. från engelska. / Ed. M. Howes, D. Morgan. Ladda kopplade enheter. — M. : Energoizdat, 1981. — 372 sid.
  • Seken K., Thompset M. Enheter med laddningsöverföring / Per. från engelska. Ed. V.V. Pospelova, R.A. Suris. - M . : Mir, 1978. - 327 sid.
  • ed. P. Jespers, F. Van de Wiele, M. White; per. från engelska. ed. R.A. Suris. Halvledarbildsignalbildare. - M . : Mir, 1979. - 573 sid.