گیرنده تصویر

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از سنسور)
پرش به ناوبری پرش به جستجو
فارسیрусский
یک گیرنده تصویر سی سی دی بر روی صفحه مدار قابل انعطاف

گیرنده تصویر یا سنسور تصویر یا به‌طور دقیق‎تر، حسگر تصویربرداری، وسیله‌ای است که تصاویر دیداری را به سیگنال‎های الکتریکی تبدیل می‌کند. این وسیله بیشتر در دوربینهای دیجیتالی و سایر وسایل تصویر‎برداری بکار می‌رود. از مرسوم‎ترین حسگرهای تصویربرداری می‎توان به حسگرهای  سی‌سی‌دی و حسگرهای سیماس اشاره نمود.

مقایسه سیماس و  سی‌سی‌دی

امروزه در بیشتر دوربین‎های عکس‎برداری دیجیتالی از حسگرهای  سی‌سی‌دی یا سیماس استفاده می‌شود. هر دو نوع حسگر، در دریافت و تبدیل نور به سیگنالهای الکتریکی به گونه یکسان عمل می‌کنند. وقتی که نور با تراشه نیمه‎هادی برخورد می‌کند بارهای الکتریکی در سنسور تصویر بوجود آمده و نگهداری می‎شوند. هم‌زمان با خواندن تصاویر توسط تراشه، این بارها به گره مشخصی رفته و ولتاژی متناسب با تعداد بارها ایجاد می‎شود. مدارهای جانبی دوربین، این ولتاژ را به داده‌های دیجیتالی تبدیل می‌کنند.

در حسگر سیماس فرایند تبدیل سیگنال نوری به ولتاژ در داخل پیکسل رخ می‎دهد. این تکنولوژی هم مزیت آشکاری در کیفیت عکس ندارد. حسگر سیماس توانایی این را دارد که با قطعات کوچکتر مورد استفاده قرار گیرد، نیروی کمتری مصرف کند و بازخونی اطلاعات را سریعتر از سنسورهای  سی‌سی‌دی انجام دهد. در مقابل  سی‌سی‌دی فناوری بالغ‎تری است و در اکثر جوانب با سیماس برابری می‌کند.

منبع[ویرایش]

Ма́трица или светочувстви́тельная ма́трица — специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — фотодиодов.

  • Предназначена для преобразования проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).
  • Является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств.
  • Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации.

Устройство одного пикселя матрицы

Архитектура пикселей у производителей разная. Для примера здесь приводится архитектура ПЗС-пикселя.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС-матрицы — матрицы с карманом n-типа:
1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 — микролинза субпикселя;
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 — 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 заряда;
8 — кремниевая подложка p-типа.

Микролинза субпикселя

Буферные регистры сдвига на ПЗС-матрице, равно как и обрамление КМОП-пиксела на КМОП-матрице «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате, каждому пикселю достаётся лишь 30 % светочувствительной области от его общей поверхности. У матрицы с полнокадровым переносом эта область составляет 70 %. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС-матриц над пикселем устанавливается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает бо́льшую 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.

Характеристики матриц

Светочувствительность (более коротко — чувствительность), отношение сигнал-шум и физический размер пикселя однозначно взаимосвязаны (для матриц, созданных по одной и той же технологии). Чем больше физический размер пикселя, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном соотношении сигнал-шум. Физический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют размер пикселя. Размер пикселя напрямую определяет такую важную характеристику, как фотографическая широта.

Отношение сигнал/шум

Всякая физическая величина совершает некоторые колебания от своего среднего состояния, в науке это называется флуктуациями. Поэтому и каждое свойство всякого тела тоже изменяется, колеблясь в некоторых пределах. Это справедливо и для такого свойства, как светочувствительность фотоприёмника, независимо от того, что собой представляет этот фотоприёмник. Следствием этого является то, что некоторая величина не может иметь какого-то конкретного значения, а изменяется в зависимости от обстоятельств. Если, например, рассмотреть такой параметр фотоприёмника, как «уровень чёрного», то есть то значение сигнала, которое будет показывать фотодатчик при отсутствии света, то и этот параметр будет некоторым образом флуктуировать, в том числе эта величина будет меняться от одного фотодатчика к другому, если они образуют некоторый массив (матрицу).

В качестве примера можно рассмотреть обычную фотоплёнку, где фотодатчики — зерна бромистого серебра, и их размер и «качество» неконтролируемо меняются от точки к точке (изготовитель фотоматериала может обеспечить только среднее значение параметра и величину его отклонения от среднего значения, но не сами конкретные значения этой величины в конкретных позициях). В силу этого обстоятельства плёнка, проявленная без экспозиции, покажет некоторое, очень маленькое, но отличное от нуля почернение, которое называется «вуаль». И у фотоматрицы цифрового фотоаппарата наблюдается то же самое явление. В науке такое явление называется шумом, так как оно мешает правильному восприятию и отображению информации, и для того, чтобы изображение хорошо передавало структуру исходного сигнала, необходимо, чтобы уровень сигнала в некоторой степени превосходил уровень шумов, характерных для данного устройства. Это называется отношением сигнал/шум.[1]

Чувствительность

К матрицам применяется термин эквивалентный «чувствительности», потому что:

  • в зависимости от назначения матрицы формальное значение чувствительности может определяться различными способами по различным критериям;
  • аналоговым усилением сигнала и цифровой постобработкой можно менять значение чувствительности матрицы в широком диапазоне.

У цифровых фотоаппаратов значение эквивалентной чувствительности может меняться в диапазоне 50—102400 ISO. Максимальная используемая в массовых фотоаппаратах чувствительность соответствует отношению сигнал/шум 2-5.

Разрешение

Фотоматрица оцифровывает (разделяет на кусочки — «пиксели») то изображение, которое формируется объективом фотоаппарата. Но, если объектив в силу недостаточно высокой разрешающей способности передаёт ДВЕ светящиеся точки объекта, разделённые третьей чёрной, как одну светящуюся точку на ТРИ подряд расположенных пиксела, то говорить о точном разрешении изображения фотоаппаратом не приходится.

В фотографической оптике существует приблизительное соотношение[2]: если разрешающую способность фотоприёмника выразить в линиях на миллиметр (или же в пикселях на дюйм), обозначим её как , и так же выразить разрешающую способность объектива (в его фокальной плоскости), обозначим её как , то результирующее разрешение системы объектив+фотоприёмник, обозначим его как , можно найти по формуле:

или .

Это соотношение максимально при , когда разрешение равно , поэтому желательно, чтобы разрешающая способность объектива соответствовала разрешающей способности фотоприёмника.[уточнить]

У современных цифровых фотоматриц разрешающая способность определяется размером пикселя, который варьируется у разных фотоматриц в пределах от 0,0025 мм до 0,0080 мм, а у большинства современных фотоматриц он равен 0,006 мм. Поскольку две точки будут различаться, если между ними находится третья (незасвеченная) точка, то разрешающая способность соответствует расстоянию в два пикселя, то есть:

, где  — размер пикселя.

У цифровых фотоматриц разрешающая способность составляет от 200[источник не указан 2777 дней] линий на миллиметр (у крупноформатных цифровых фотокамер) до 70[источник не указан 2777 дней] линий на миллиметр(у web-камер и мобильных телефонов).

Некоторые разработчики видеокамер, ПЗС и КМОП-матриц, считают разрешение системы (в линиях) равным количеству считываемых с матрицы пикселей, разделённому на 1,5. Поскольку при оценке разрешающей способности объектива принято измерение в парах чёрной и белой линий миры Фуко на мм (определяющих не одиночный пик, а пространственную частоту), то коэффициент пересчёта разрешения матрицы в пары линий требует поправочного коэффициента 3,0[3].

Физический размер матрицы

Сравнительные размеры матриц

Физические размеры фотосенсоров определяются размером отдельных пикселей матрицы, которые в современных фотосенсорах имеют величину 0,005-0,006 мм. Чем крупнее пиксель, тем больше его площадь и количество собираемого им света, поэтому тем выше его светочувствительность и лучше отношение сигнал/шум (в плёночной фотографии шумы называются «зернистостью» или «гранулярностью»). Необходимое разрешение деталей фотографии определяет общее количество пикселей, которое в современных фотоматрицах достигает десятков миллионов пикселей (Мегапикселей), и тем задаёт физические размеры фотоматрицы.

  • Законы оптики определяют зависимость ГРИП от физического размера матрицы. Если сфотографировать тремя фотоаппаратами с разным физическим размером матрицы одну и ту же сцену с одним и тем же углом зрения и одним и тем же значением диафрагмы на объективах, и изучить результат (файл на компьютере, распечатку с принтера) в одинаковых условиях, то ГРИП на снимке, сделанном фотоаппаратом с наименьшей матрицей, будет наибольшей (больше предметов в кадре будет показано резко), а фотоаппарат с наибольшей матрицей покажет наименьшую ГРИП (предметы не в зоне резкости будут сильнее размыты).
  • Размеры фотосенсоров чаще всего обозначают как «тип» в виде дробных частей дюйма (например, 1/1.8" или 2/3"), что фактически больше реального физического размера диагонали сенсора. Эти обозначения происходят от стандартных обозначений размеров трубок телекамер в 1950-х годах. Они выражают не размер диагонали самой матрицы, а внешний размер колбы передающей трубки. Инженеры быстро установили, что по различным причинам диагональ полезной площади изображения составляет около двух третей диаметра трубки. Это определение стало устоявшимся (хотя и должно было быть давно отброшено). Не существует чёткой математической взаимосвязи между «типом» сенсора, выраженном в дюймах, и его фактической диагональю. Однако, в грубом приближении, можно считать, что диагональ составляет две трети типоразмера.
Физические размеры матриц
× Диагональ в видиконовых дюймах Диагональ в мм Размер в мм Кроп-фактор
1 13/8" (плёнка типа 135) 43,27 36 × 24 1
2 APS-H Canon 33,75 28,1 × 18,7 1,28
3 APS-H Leica 32,45 27 × 18 1,33
4 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
8 Foveon X3 24,88 20,7 × 13,8 1,74
9 1,5" 23,4 18,7 × 14,0 1,85
10 4/3" 21,64 17,3 × 13,0 2
11 1" 16 12,8 × 9,6 2,7
12 1" 15,9 13,2 × 8,8 2,73
13 2/3" 11,85 8,8 × 6,6 3,93
14 1/1,63" 10 8,0 × 6,0 4,33
15 1/1,7" 9,5 7,6 × 5,7 4,55
16 1/1,8" 8,94 7,2 × 5,3 4,84
17 1/2" 8,0 6,4 × 4,8 5,41
18 1/2,3" 7,7 6,16 × 4,62 5,62
19 1/2,33" 7,63 6,08 × 4,56
20 1/2,5" 6,77 5,8 × 4,3 6,2
21 1/2,7" 6,58 5,4 × 4,0 6,7
22 1/2,8" 6,35
23 1/3" 5,64 4,8 × 3,6 7,5
24 1/3,2" 5,56 4,54 × 3,42
25 1/3,6" 4,93 4 × 3
26 1/4" 4,45 3,6 × 2,7
27 1/6" 2,96 2,4 × 1,8

Диагонали матрицы 1’’, 1/2’’ и т. д. принято измерять в видиконовых дюймах. Размер видиконового дюйма равен 16 мм (унаследовано от видикона диаметром 1", рабочая диагональ там была именно 16 мм). Как видно из таблицы по кроп-фактору матрицы 1’’ с диагональю 16 мм, размер полной матрицы 24×36 мм имеет диагональ 43,27 мм или 2,7 видиконовых дюйма, 2.7’’. Физические размеры матрицы видеокамеры в зависимости от соотношения сторон (4:3 или 16:9) и конкретного производителя с одной и той же диагональю различны. Поэтому, например, камера на матрице 1/3’’ с соотношением сторон 4:3 даёт больший угол обзора по вертикали и меньший по горизонтали, чем камера на матрице с такой же диагональю, но соотношением 16:9[4].

Отношение сторон кадра

  • Формат кадра 4:3 в основном применяется в любительских цифровых фотоаппаратах. Некоторые фирмы, например, Canon, допускают в этих фотоаппаратах настройку соотношения сторон в диапазонах 4:3 и 16:9[5].
  • Формат кадра 3:2 применяется в зеркальных цифровых фотоаппаратах, кроме выполненных по стандарту 4:3.
  • Выпускается незначительное число моделей с кадром 16:9.
  • В цифровых зеркальных фотоаппаратах Olympus используется матрица с соотношением сторон 4:3 (стандарт 4:3).

Пропорции пикселя

Выпускаются матрицы с тремя различными пропорциями пикселя:

  • Для видеоаппаратуры выпускаются сенсоры с пропорцией пикселя 4:3 (PAL)
  • или 3:4 (NTSC);
  • Фотографическое, рентгенографическое и астрономическое оборудование, а также развивающееся сейчас HDTV видеооборудование обычно имеет квадратный пиксель.

Типы матриц по применяемой технологии

Долгое время ПЗС-матрицы были практически единственным массовым видом фотосенсоров. Реализация технологии Active Pixel Sensors около 1993 года и дальнейшее развитие технологий привели в итоге к тому, что к 2008 году КМОП-матрицы стали практически альтернативой ПЗС[6].

ПЗС-матрица

ПЗС-матрица (CCD, «Charge Coupled Device») состоит из светочувствительных фотодиодов, выполнена на основе кремния, использует технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

КМОП-матрица

КМОП-матрица (CMOS, «Contact Metal Oxide Semiconductor») выполнена на основе КМОП-технологии. Каждый пиксел снабжён усилителем считывания, а выборка сигнала с конкретного пиксела происходит, как в микросхемах памяти, произвольно.

SIMD WRD (Wide dynamic range) матрица, также выполненная на основе КМОП-технологии, имеет в обрамлении каждого пиксела ещё и автоматическую систему настройки времени его экспонирования, что позволяет радикально увеличить фотографическую широту устройства[7].

Live-MOS-матрица

Создана и применяется компанией Panasonic. Выполнена на основе МОП-технологии, однако содержит меньшее число соединений для одного пикселя и питается меньшим напряжением. За счёт этого и за счёт упрощённой передачи регистров и управляющих сигналов имеется возможность получать «живое» изображение при отсутствии традиционного для такого режима работы перегрева и повышения уровня шумов.

Super CCD-матрица

В фотоаппаратах фирмы Fujifilm применяются матрицы, получившие название «Super CCD», в которых присутствуют зелёные пиксели двух различных размеров: большие, для малых уровней освещённости, и малые, совпадающие по размеру с синими и красными. Это позволяет увеличить фотографическую широту матрицы на величину до 4-х ступеней[8].

QuantumFilm

Матрица на основе квантовых точек. Перспективная технология, в отличие от традиционных кремниевых чипов датчиков изображения, использование квантовых точек является более эффективным при захвате света (захват 90-95% света попадающего на сенсор), обеспечивая высокую чувствительность в условиях низкой освещённости, а также более высокий динамический диапазон. В то время как большинство традиционных датчиков изображения подвержены rolling shutter эффекту, что критично для съёмки видео[9].

Методы получения цветного изображения

Сам по себе пиксель фотоматрицы является «чёрно-белым». Для того, чтобы матрица давала цветное изображение, применяются специальные технические приёмы.

Трёхматричные системы

Пример работы дихроической призмы

Поступающий в камеру свет, попадая на пару дихроидных призм, делится на три основных цвета: красный, зелёный и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу (чаще всего используются CCD матрицы, поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD).

Трёхматричные системы применяются в видеокамерах среднего и высокого класса.

Достоинства трёх матриц по сравнению с одноматричными

  • лучше передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного муара;
  • выше разрешение: отсутствует необходимый для устранения муара размывающий (low-pass) фильтр;
  • выше светочувствительность и меньший уровень шумов;
  • возможность введения цветокоррекции постановкой дополнительных фильтров перед отдельными матрицами, а не перед съёмочным объективом, позволяет добиться существенно лучшей цветопередачи при нестандартных источниках света.

Недостатки трёх матриц по сравнению с одноматричными

  • принципиально бо́льшие габаритные размеры;
  • трёхматричная система не может использоваться с объективами с малым рабочим отрезком;
  • в трёхматричной схеме есть проблема сведе́ния цветов, так как такие системы требуют точной юстировки, причём, чем большего размера матрицы применяются и чем больше их физическое разрешение, тем сложнее добиться необходимого класса точности.

Матрицы с мозаичными фильтрами

Во всех таких матрицах пиксели расположены в одной плоскости, и каждый пиксель накрыт светофильтром некоего цвета. Недостающая цветовая информация восстанавливается путём интерполяции (подробнее…).

Существует несколько способов расположения светофильтров. Эти способы различаются чувствительностью и цветопередачей, при этом чем выше светочувствительность, тем хуже цветопередача:

  • RGGB — фильтр Байера, исторически самый ранний;
  • RGBW имеют более высокую чувствительность и фотографическую широту (типично выигрыш чувствительности в 1,5—2 раза и 1 ступень по фотографической широте), частный случай RGBW-матрицы — CFAK-матрица компании Kodak;
  • RGEB (красный — зелёный — изумрудный — синий);
  • CGMY (голубой — зелёный — лиловый — жёлтый).

Матрицы с полноцветными пикселами

Существуют две технологии, позволяющие получать с каждого пикселя все три цветовые координаты. Первая применяется в серийно выпускаемых камерах фирмы Sigma, вторая — на середину 2008 года существует только в виде прототипа.

Многослойные матрицы (Foveon X3)

Фотодетекторы матрицы X3 компании Foveon расположены в три слоя — синий, зелёный, красный. Название сенсора «Х3» означает его «трёхслойность» и «трёхмерность».

Матрицы X3 применяются в цифровых фотоаппаратах Sigma.

Полноцветная RGB-матрица Nikon

В полноцветных матрицах Nikon (патент Nikon от 9 августа 2007[10]) лучи RGB предметных точек в каждом пикселе, содержащем одну микролинзу и три фотодиода, проходят через открытую микролинзу и падают на первое дихроичное зеркало. При этом синяя составляющая пропускается первым дихроичным зеркалом на детектор синего, а зелёная и красная составляющие отражаются на второе зеркало. Второе дихроичное зеркало отражает зелёную составляющую на детектор зелёного, и пропускает красную и инфракрасную составляющие. Третье дихроичное зеркало отражает красную составляющую на детектор и поглощает инфракрасную составляющую[11].

Несмотря на то, что прототип матрицы уже создан (2008 год), этот патент вряд ли найдёт своё применение в ближайшее время из-за существенных сложностей в технологии.

По сравнению со всеми прочими системами, кроме трёхматричных, данная технология имеет потенциальное преимущество в эффективности использования светового потока по сравнению с технологиями RGBW или фильтром Байера. (Точный выигрыш зависит от характеристик пропускания фильтров).

По сравнению с Foveon X3, данная технология выигрывает в качестве цветопередачи.

По сравнению с 3CCD системами, данный тип матрицы выигрывает в возможности использования в зеркальных аппаратах и в отсутствии необходимости точной юстировки оптической системы[10].

См. также

Примечания

Литература

  • Ю.Р. Носов, В.А. Шилин. Основы физики приборов с зарядовой связью. — М.: Наука, 1986. — 318 с.
  • пер. с англ. / Под ред. М. Хоувза, Д. Моргана. Приборы с зарядовой связью. — М.: Энергоиздат, 1981. — 372 с.
  • Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда/ Пер. с англ. Под ред. В.В. Поспелова, Р.А. Суриса.. — М.: Мир, 1978. — 327 с.
  • под ред. П. Йесперса, Ф. Ван де Виле, М. Уайта ; пер. с англ. под ред. Р. А. Суриса. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения. — М.: Мир, 1979. — 573 с.