Fotomatrice

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 7 iulie 2021; verificările necesită 9 modificări .

Fotomatrice , matrice sau matrice fotosensibilă - un circuit integrat  analog analog sau digital-analogic , format din elemente sensibile la lumină - fotodiode .

Dispozitivul unei matrice de pixeli

Arhitectura pixelilor variază de la producător la producător. De exemplu, aici este dată arhitectura pixelului CCD .

Un exemplu de sub-pixel CCD de buzunar de tip n

Desemnări pe schema subpixelului matricei CCD  - matrice cu un buzunar de tip n:
1  - fotoni de lumină care au trecut prin lentila camerei ; microlensă cu
2 subpixeli  ;
3  -R-subpixel filtru de lumină roșie, fragment de filtru Bayer ;
4 - electrod  transparent din siliciu policristalin sau un aliaj de oxid de indiu și staniu;
5  - oxid de siliciu;
6  - canal de siliciu de tip n: zonă de generare a purtătorului - zonă de efect fotoelectric intern ;
7  - zona puțului de potențial (buzunar de tip n), unde electronii sunt colectați din zona de generare a purtătorului de sarcină ;
8 - substrat de  siliciu de tip p .

Microlens sub-pixel

Registrele de deplasare a tamponului de pe CCD, precum și încadrarea pixelului CMOS, pe matricea CMOS „mânca” o parte semnificativă a zonei matricei, ca urmare, fiecare pixel primește doar 30% din zona sensibilă la lumină din suprafața sa totală. Pentru o matrice cu transfer full-frame, această zonă este de 70%. De aceea, în majoritatea matricelor CCD moderne, deasupra pixelului este instalată un microlens. Un astfel de dispozitiv optic simplu acoperă cea mai mare parte a zonei elementului CCD și colectează întreaga fracțiune de fotoni incidenti pe această parte într-un flux de lumină concentrat , care, la rândul său, este direcționat către o zonă fotosensibilă destul de compactă a pixel .

Caracteristicile matricelor

Sensibilitatea la lumină (pe scurt, sensibilitatea), raportul semnal-zgomot și dimensiunea pixelilor fizici sunt interconectate fără ambiguitate (pentru matricele create folosind aceeași tehnologie). Cu cât dimensiunea pixelului fizic este mai mare, cu atât raportul semnal-zgomot rezultat este mai mare pentru o anumită sensibilitate sau cu atât este mai mare sensibilitatea pentru un raport semnal-zgomot dat. Dimensiunea fizică a matricei și rezoluția acesteia determină în mod unic dimensiunea pixelului. Dimensiunea pixelilor determină în mod direct o caracteristică atât de importantă precum latitudinea fotografică .

Raportul semnal-zgomot

Orice mărime fizică face unele fluctuații față de starea sa medie, în știință aceasta se numește fluctuații. Prin urmare, fiecare proprietate a oricărui corp se schimbă și ea, fluctuând în anumite limite. Acest lucru este valabil și pentru o astfel de proprietate precum fotosensibilitatea unui fotodetector, indiferent de ce este acest fotodetector. Consecința acestui fapt este că o anumită valoare nu poate avea nicio valoare anume, ci variază în funcție de circumstanțe. Dacă, de exemplu, considerăm un astfel de parametru al fotodetectorului drept „nivel de negru”, adică valoarea semnalului pe care fotodetectorul îl va afișa în absența luminii, atunci și acest parametru va fluctua într-un fel, inclusiv această valoare va trece de la un fotodetector la altul dacă formează o matrice (matrice).

Ca exemplu, putem lua în considerare o peliculă fotografică obișnuită, în care fotosenzorii sunt granule de bromură de argint, iar dimensiunea și „calitatea” acestora se modifică necontrolat de la un punct la altul (producătorul materialului fotografic poate furniza doar valoarea medie a parametrului și valoarea abaterii sale de la valoarea medie, dar nu și valorile specifice în sine această valoare în poziții specifice). Din cauza acestei circumstanțe, filmul dezvoltat fără expunere va prezenta o înnegrire foarte mică, dar diferită de zero, care se numește „voal”. Și fotomatricea unei camere digitale are același fenomen. În știință, acest fenomen se numește zgomot, deoarece interferează cu percepția și afișarea corectă a informațiilor și, pentru ca imaginea să transmită bine structura semnalului original, este necesar ca nivelul semnalului să depășească într-o oarecare măsură nivelul. de zgomot caracteristic acestui dispozitiv. Acesta se numește raportul semnal-zgomot. [unu]

Sensibilitate

Termenul echivalent cu „sensibilitate” este aplicat matricilor deoarece:

Pentru camerele digitale, valoarea sensibilității echivalente poate varia în intervalul 50-102400 ISO . Sensibilitatea maximă utilizată în camerele de masă corespunde unui raport semnal-zgomot de 2-5.

Rezoluție

Fotomatricea digitalizează (împarte în bucăți - „pixeli”) imaginea care este formată de obiectivul camerei. Însă, dacă obiectivul, din cauza rezoluției insuficient de înalte, transmite DOUA puncte luminoase ale obiectului, separate de un al treilea negru, ca un punct luminos la TREI pixeli consecutivi, atunci nu este nevoie să vorbim despre rezoluția exactă a imaginii. de camera.

În optica fotografică, există o relație aproximativă [2] : dacă rezoluția fotodetectorului este exprimată în linii pe milimetru (sau în pixeli pe inch), o notăm cu , și exprimăm, de asemenea, rezoluția lentilei (în focala sa plan), notați-l ca , apoi rezoluția rezultată a sistemului lentilă + fotodetector, notată cu , poate fi găsită prin formula:

sau .

Acest raport este maxim la , când rezoluția este egală cu , deci este de dorit ca rezoluția lentilei să corespundă rezoluției fotodetectorului.[ clarifica ]

Pentru fotomatricele digitale moderne, rezoluția este determinată de dimensiunea pixelilor, care variază pentru diferite fotomatrici de la 0,0025 mm la 0,0080 mm, iar pentru majoritatea fotomatricilor moderne este de 0,006 mm. Deoarece două puncte vor diferi dacă există un al treilea punct (neexpus) între ele, atunci rezoluția corespunde unei distanțe de doi pixeli, adică:

, unde  este dimensiunea pixelilor.

Fotomatricele digitale au o rezoluție de 200 linii pe milimetru (pentru camere digitale de format mare) până la 70 linii pe milimetru (pentru camere web și telefoane mobile).

Unii dezvoltatori de camere video, CCD-uri și senzori CMOS consideră că rezoluția sistemului (în linii) este egală cu numărul de pixeli citiți de la senzor împărțit la 1,5. Deoarece la evaluarea rezoluției lentilei, măsurarea se face în perechi de lumi Foucault alb-negru per mm (care determină nu un singur vârf, ci o frecvență spațială), atunci coeficientul de transformare a rezoluției matricei în perechi de liniile necesită un factor de corecție de 3,0 [3] .

Dimensiunea fizică a matricei

Dimensiunile fizice ale fotosenzorilor sunt determinate de dimensiunea pixelilor individuali ai matricei, care la fotosenzorii moderni au o valoare de 0,005-0,006 mm. Cu cât pixelul este mai mare, cu atât aria sa și cantitatea de lumină pe care o colectează este mai mare, prin urmare, cu atât sensibilitatea sa la lumină este mai mare și raportul semnal-zgomot este mai bun (în fotografia de film, zgomotul se numește „granulare” sau „granularitate”). Rezoluția necesară a detaliilor fotografice determină numărul total de pixeli, care în fotomatricea modernă atinge zeci de milioane de pixeli ( Megapixeli ), și astfel stabilește dimensiunile fizice ale fotomatricei.

Dimensiunile fizice ale matricilor
Nu. mărimea Diagonala in mm Dimensiune in mm factor de recoltă
unu 13/8" ( tip film 135 ) 43,27 36×24 unu
2 APS-H Canon 33,75 28,1×18,7 1.28
3 APS-H Leica 32.45 27×18 1.33
patru 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
opt Foveon X3 24.88 20,7×13,8 1,74
9 1,5" 23.4 18,7×14,0 1,85
zece 4/3" 21.64 17,3×13,0 2
unsprezece unu" 16 12,8×9,6 2.7
12 unu" 15.9 13,2×8,8 2,73
13 1/1,33" 12 9,6×7,2 3,58
paisprezece 2/3" 11.85 8,8×6,6 3,93
cincisprezece 1/1,63" zece 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
optsprezece 1/2" 8.0 6,4×4,8 5.41
19 1/2,3" 7.7 6,16×4,62 5,62
douăzeci 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 zece
28 1/6" 2,96 2,4×1,8 cincisprezece
29 1/8" 2.25 1,8×1,35 douăzeci

Dimensiunile fizice ale matricei unei camere video, în funcție de raportul de aspect (4:3 sau 16:9) și de un anumit producător cu aceeași diagonală, sunt diferite. Prin urmare, de exemplu, o cameră pe o matrice de 1/3'' cu un raport de aspect de 4:3 oferă un unghi de vizualizare vertical mai mare și unul orizontal mai mic decât o cameră pe o matrice cu aceeași diagonală, dar cu 16: 9 raport de aspect [4] .

Raportul aspectului cadrului

Raport de aspect al pixelilor

Matricele sunt disponibile cu trei proporții diferite de pixeli:

Tipuri de matrice în funcție de tehnologia aplicată

Multă vreme, matricele CCD au fost practic singurul tip de fotosenzori de masă. Implementarea tehnologiei Active Pixel Sensors în jurul anului 1993 și dezvoltarea ulterioară a tehnologiilor au condus în cele din urmă la faptul că până în 2008 matricele CMOS au devenit practic o alternativă la CCD-uri [6] .

CCD

Matricea CCD (CCD, „Charge Coupled Device”) constă din fotodiode sensibile la lumină , este realizată pe bază de siliciu , utilizează tehnologia CCD  - dispozitive cuplate la încărcare.

Senzor CMOS

Matricea CMOS (CMOS, „Complementary Metal Oxide Semiconductor”) se bazează pe tehnologia CMOS . Fiecare pixel este echipat cu un amplificator de citire, iar semnalul de la un anumit pixel este eșantionat aleatoriu, ca în cipurile de memorie.

Matricea SIMD WDR ( ing.  Wide dynamic range ), realizată tot pe baza tehnologiei CMOS, încadrată de fiecare pixel are și un sistem automat de setare a timpului de expunere, care vă permite să creșteți radical latitudinea fotografică a dispozitivului [7] .

Live-MOS-matrix

Creat și folosit de Panasonic. Realizat pe baza tehnologiei MOS , totuși, conține mai puține conexiuni per pixel și este alimentat de mai puțină tensiune. Datorită acestui fapt și datorită transmiterii simplificate a registrelor și a semnalelor de control, este posibilă obținerea unei imagini „live” în absența supraîncălzirii și a nivelurilor crescute de zgomot tradiționale pentru un astfel de mod de funcționare.

Super CCD

Camerele Fujifilm folosesc matrice numite „Super CCD”, care conțin pixeli verzi de două dimensiuni diferite: mari, pentru niveluri de lumină scăzute, și mici, care coincid ca mărime cu albastru și roșu. Acest lucru vă permite să măriți latitudinea fotografică a matricei cu până la 4 pași [8] .

Metode de obținere a unei imagini color

Pixelul fotomatricei în sine este „alb-negru”. Pentru ca matricea să dea o imagine colorată, se folosesc tehnici speciale.

Sisteme cu trei matrice

Lumina care intră în cameră, căzând pe o pereche de prisme dicroice , este împărțită în trei culori primare: roșu, verde și albastru. Fiecare dintre aceste fascicule este direcționată către o matrice separată (cel mai adesea sunt utilizate matrici CCD , prin urmare denumirea 3CCD este utilizată în numele echipamentului corespunzător).

Sistemele cu trei matrice sunt utilizate în camerele video de gamă medie și înaltă .

Avantajele a trei matrice în comparație cu o matrice
  • transmitere mai bună a tranzițiilor de culoare, absența completă a moiréului de culoare ;
  • rezoluție mai mare: nu este nevoie de filtru de estompare (pass-jos) pentru a elimina moiré;
  • sensibilitate mai mare la lumină și nivel mai scăzut de zgomot;
  • posibilitatea de a introduce corecția culorii prin plasarea de filtre suplimentare în fața matricelor individuale, și nu în fața obiectivului de fotografiere, vă permite să obțineți o reproducere semnificativ mai bună a culorilor cu surse de lumină non-standard.
Dezavantajele celor trei matrici în comparație cu matricele simple
  • dimensiuni de gabarit fundamental mai mari;
  • sistemul cu trei matrice nu poate fi utilizat cu lentile cu o distanță scurtă de lucru ;
  • într-o schemă cu trei matrice, există o problemă de convergență a culorilor , deoarece astfel de sisteme necesită o aliniere precisă și cu cât matricele sunt utilizate mai mari și cu cât rezoluția lor fizică este mai mare, cu atât este mai dificil să se atingă clasa de precizie necesară.

Matrice de filtru mozaic

În toate astfel de matrice, pixelii sunt localizați în același plan și fiecare pixel este acoperit cu un filtru de lumină de o anumită culoare. Informațiile de culoare lipsă sunt restaurate prin interpolare ( mai mult... ).

Există mai multe moduri de a aranja filtrele. Aceste metode diferă în ceea ce privește sensibilitatea și reproducerea culorilor, în timp ce cu cât fotosensibilitatea este mai mare, cu atât este mai proastă reproducerea culorii:

  • RGGB - filtru Bayer , cel mai vechi din punct de vedere istoric;
  • RGBW au o sensibilitate și o latitudine fotografică mai mari (de obicei câștig de sensibilitate de 1,5-2 ori și 1 pas în latitudinea fotografică), un caz special al matricei RGBW este matricea Kodak CFAK ;
  • RGEB (rosu - verde - smarald - albastru);
  • CGMY (turcoaz - verde - liliac - galben).

Matrici cu pixeli plini de culoare

Există două tehnologii care vă permit să obțineți toate cele trei coordonate de culoare de la fiecare pixel. Primul este folosit în camerele Sigma produse în serie , al doilea - de la mijlocul anului 2008, există doar sub forma unui prototip.

Matrici multistrat (Foveon X3)

Fotodetectoarele cu matrice Foveon X3 sunt aranjate în trei straturi - albastru, verde, roșu. Numele senzorului „X3” înseamnă „trei straturi” și „tridimensional”. Avantajele acestei abordări includ absența distorsiunilor geometrice în imagine (moiré). Dezavantajele sunt cerințele ridicate ale senzorului la iluminare.

Matricele X3 sunt utilizate în camerele digitale Sigma .

Senzor RGB full color Nikon

În matricele pline de culoare Nikon ( brevetul Nikon din 9 august 2007 [9] ), razele RGB ale punctelor obiect din fiecare pixel care conține un microlens și trei fotodiode trec printr-un microlens deschis și cad pe prima oglindă dicroică. În acest caz, componenta albastră este transmisă de prima oglindă dicroică la detectorul albastru, iar componentele verzi și roșii sunt reflectate către a doua oglindă. A doua oglindă dicroică reflectă componenta verde către detectorul verde și transmite componentele roșii și infraroșii. A treia oglindă dicroică reflectă componenta roșie către detector și absoarbe componenta infraroșie [10] .

În ciuda faptului că prototipul matricei a fost deja creat (2008), este puțin probabil ca acest brevet să-și găsească aplicarea în viitorul apropiat din cauza dificultăților tehnologice semnificative.

În comparație cu toate celelalte sisteme, cu excepția celor trei matrice , această tehnologie are un potențial avantaj în eficiența ieșirii luminii în comparație cu tehnologiile de filtrare RGBW sau Bayer (câștigul exact depinde de caracteristicile de transmisie ale filtrelor).

Spre deosebire de sistemele 3CCD, acest tip de senzor nu necesită alinierea precisă a sistemului optic [9] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Semnal-zgomot, aparat digital și astrofotografie Arhivat 13 mai 2009 la Wayback Machine Original în engleză Arhivat 9 septembrie 2009 la Wayback Machine
  2. ↑ Despre rezoluție . Consultat la 12 august 2009. Arhivat din original la 31 martie 2014.
  3. ↑ Lonely G.A., Buletinul științific și tehnic pentru tineret # 12, decembrie 2013, UDC: 621.397.7 . ainsnt.ru . Consultat la 15 februarie 2022. Arhivat din original la 15 februarie 2022.
  4. ↑ Camere IP, camere megapixeli pentru supraveghere video prin Internet. Camere de retea pentru supraveghere video la domiciliu - camere ip
  5. ↑ aproximativ format 16:9 în dispozitivele Canon (link inaccesibil) . Consultat la 10 iunie 2008. Arhivat din original pe 13 iunie 2008. 
  6. ↑ CCD vs CMOS: fapte și ficțiuni Arhivat 27 februarie 2008 la Wayback Machine 
  7. ↑ Descrierea camerei Pelco CCC5000 Pixim WDR . Preluat la 3 iunie 2008. Arhivat din original la 1 noiembrie 2011.
  8. ↑ Descrierea camerei Fujifilm S5 Pro Arhivat la 3 decembrie 2007 la Wayback Machine 
  9. ↑ 12 S.U.A. _ Brevet 7 138 663
  10. ↑ despre senzorul Nikon . Preluat la 15 august 2007. Arhivat din original la 19 august 2007.

Literatură

  • Yu.R. Nosov, V.A. Shilin. Fundamentele fizicii dispozitivelor cuplate la sarcină. - M. : Nauka, 1986. - 318 p.
  • pe. din engleza. / Ed. M. Howes, D. Morgan. Încărcați dispozitivele cuplate. — M. : Energoizdat, 1981. — 372 p.
  • Seken K., Thompson M. Dispozitive cu transfer de taxă / Per. din engleza. Ed. V.V. Pospelova, R.A. Suris. - M . : Mir, 1978. - 327 p.
  • ed. P. Jespers, F. Van de Wiele, M. White; pe. din engleza. ed. R. A. Suris. Formatori de semnal de imagine semiconductoare. - M . : Mir, 1979. - 573 p.