Fotomatrix

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 7. juli 2021; checks kræver 9 redigeringer .

Fotomatrix , matrix eller lysfølsom matrix  - et specialiseret analogt eller digital-analogt integreret kredsløb , der består af lysfølsomme elementer - fotodioder .

Enheden af ​​én pixel matrix

Pixelarkitekturen varierer fra producent til producent. For eksempel er arkitekturen af ​​CCD -pixel givet her.

Et eksempel på en n-type lomme CCD-subpixel

Betegnelser på skemaet for subpixel af CCD-matricen  - matricer med en n-type lomme:
1  - fotoner af lys, der har passeret gennem kameralinsen ;
2  - subpixel mikrolinse ;
3  -R-subpixel rødt lys filter , Bayer filter fragment ;
4  - gennemsigtig elektrode lavet af polykrystallinsk silicium eller en legering af indium og tinoxid;
5  - siliciumoxid;
6  - n-type siliciumkanal: bærergenereringszone - intern fotoelektrisk effektzone ;
7  - potentialbrøndzone (n-type lomme), hvor elektroner opsamles fra ladningsbærergenereringszonen ;
8 -p - type  siliciumsubstrat .

Sub-pixel mikrolinse

Bufferforskydningsregistrene på CCD'en, såvel som indramningen af ​​CMOS-pixlen, på CMOS-matrixen "spiser" en væsentlig del af matrixområdet, som et resultat, får hver pixel kun 30% af det lysfølsomme område af dens samlede overflade. For en matrix med fuld-frame overførsel er dette areal 70 %. Derfor er der i de fleste moderne CCD-matricer installeret en mikrolinse over pixlen. En sådan simpel optisk enhed dækker det meste af arealet af CCD-elementet og opsamler hele brøkdelen af ​​fotoner , der falder ind på denne del til en koncentreret lysflux , som igen er rettet mod et ret kompakt lysfølsomt område af pixel .

Karakteristika for matricer

Lysfølsomhed (kort sagt følsomhed), signal-til-støj-forhold og fysisk pixelstørrelse er utvetydigt forbundet (for matricer oprettet ved hjælp af den samme teknologi). Jo større den fysiske pixelstørrelse er, jo større er det resulterende signal-til-støj-forhold for en given følsomhed, eller jo højere er følsomheden for et givet signal-til-støj-forhold. Den fysiske størrelse af matrixen og dens opløsning bestemmer entydigt størrelsen af ​​pixel. Pixelstørrelsen bestemmer direkte en så vigtig egenskab som fotografisk breddegrad .

Signal-til-støj-forhold

Enhver fysisk størrelse laver nogle udsving fra dens gennemsnitlige tilstand, i videnskaben kaldes dette fluktuationer. Derfor ændres enhver egenskab ved enhver krop også og svinger inden for visse grænser. Dette gælder også for en egenskab som lysfølsomheden af ​​en fotodetektor, uanset hvad denne fotodetektor er. Konsekvensen heraf er, at en bestemt værdi ikke kan have nogen særlig værdi, men varierer alt efter omstændighederne. Hvis vi for eksempel betragter en sådan fotodetektorparameter som "sortniveau", det vil sige værdien af ​​signalet, som fotodetektoren vil vise i fravær af lys, så vil denne parameter også svinge på en eller anden måde, herunder vil denne værdi skifte fra en fotodetektor til en anden, hvis de danner et array (matrix).

Som et eksempel kan vi betragte en almindelig fotografisk film, hvor fotosensorerne er sølvbromidkorn, og deres størrelse og "kvalitet" ændrer sig ukontrolleret fra punkt til punkt (producenten af ​​det fotografiske materiale kan kun oplyse gennemsnitsværdien af ​​parameteren og størrelsen af ​​dens afvigelse fra gennemsnitsværdien, men ikke de specifikke værdier i sig selv denne værdi i specifikke positioner). På grund af denne omstændighed vil film udviklet uden eksponering vise en meget lille, men ikke-nul sortfarvning, som kaldes "slør". Og fotomatrixen af ​​et digitalkamera har det samme fænomen. I videnskaben kaldes dette fænomen støj, da det forstyrrer den korrekte opfattelse og visning af information, og for at billedet skal formidle strukturen af ​​det originale signal godt, er det nødvendigt, at signalniveauet til en vis grad overstiger niveauet støj, der er karakteristisk for denne enhed. Dette kaldes signal-støj-forholdet. [en]

Følsomhed

Udtrykket svarende til "følsomhed" anvendes på matricer, fordi:

For digitale kameraer kan værdien af ​​den tilsvarende følsomhed variere i området 50-102400 ISO . Den maksimale følsomhed, der anvendes i massekameraer, svarer til et signal-støjforhold på 2-5.

Opløsning

Fotomatrixen digitaliserer (opdeler i stykker - "pixels") det billede, der dannes af kameralinsen. Men hvis objektivet på grund af utilstrækkelig høj opløsning transmitterer TO lysende prikker af objektet, adskilt af en tredje sort, som én lysende prik pr. TRE på hinanden følgende pixels, så er der ingen grund til at tale om den nøjagtige opløsning af billedet ved kameraet.

I fotografisk optik er der et omtrentligt forhold [2] : hvis opløsningen af ​​fotodetektoren udtrykkes i linjer pr. millimeter (eller i pixels pr. tomme), betegner vi det som , og udtrykker også objektivets opløsning (i dens brændpunkt ). plan), betegne det som , så kan den resulterende opløsning af linsen + fotodetektorsystemet, betegnet som , findes ved formlen:

eller .

Dette forhold er maksimalt ved , når opløsningen er lig med , så det er ønskeligt, at linsens opløsning svarer til fotodetektorens opløsning.[ afklare ]

For moderne digitale fotomatricer er opløsningen bestemt af pixelstørrelsen, som varierer for forskellige fotomatricer fra 0,0025 mm til 0,0080 mm, og for de fleste moderne fotomatricer er den 0,006 mm. Da to punkter vil adskille sig, hvis der er et tredje (ikke-eksponeret) punkt mellem dem, svarer opløsningen til en afstand på to pixels, dvs.

, hvor  er pixelstørrelsen.

Digitale fotomatricer har en opløsning på 200 linjer pr. millimeter (for storformat digitalkameraer) op til 70 linjer pr. millimeter (for webkameraer og mobiltelefoner).

Nogle udviklere af videokameraer, CCD'er og CMOS-sensorer anser systemets opløsning (i linjer) for at være lig med antallet af pixels, der læses fra sensoren divideret med 1,5. Da ved vurderingen af ​​linsens opløsning tages målingen i par af sorte og hvide Foucault- verdener pr. mm (som ikke bestemmer en enkelt top, men en rumlig frekvens), så er koefficienten for at konvertere opløsningen af ​​matrixen til par af linjer kræver en korrektionsfaktor på 3,0 [3] .

Den fysiske størrelse af matrixen

De fysiske dimensioner af fotosensorer bestemmes af størrelsen af ​​individuelle pixels i matrixen, som i moderne fotosensorer har en værdi på 0,005-0,006 mm. Jo større pixel, jo større er dens areal og mængden af ​​lys, den opsamler, derfor er dens lysfølsomhed og jo bedre signal-til-støj-forhold (i filmfotografering kaldes støj "kornethed" eller "granularitet"). Den krævede opløsning af fotografiske detaljer bestemmer det samlede antal pixels, som i moderne fotomatrix når titusinder af millioner pixels ( Megapixels ), og dermed indstiller fotomatrixens fysiske dimensioner.

Fysiske dimensioner af matricer
Ingen. Størrelse Diagonal i mm Størrelse i mm afgrødefaktor
en 13/8" ( filmtype 135 ) 43,27 36×24 en
2 APS-H Canon 33,75 28,1×18,7 1,28
3 APS-H Leica 32,45 27×18 1,33
fire 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
otte Foveon X3 24,88 20,7×13,8 1,74
9 1,5" 23.4 18,7×14,0 1,85
ti 4/3" 21,64 17,3×13,0 2
elleve en" 16 12,8×9,6 2.7
12 en" 15.9 13,2×8,8 2,73
13 1/1,33" 12 9,6×7,2 3,58
fjorten 2/3" 11,85 8,8×6,6 3,93
femten 1/1,63" ti 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
atten 1/2" 8,0 6,4×4,8 5,41
19 1/2,3" 7.7 6,16×4,62 5,62
tyve 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 ti
28 1/6" 2,96 2,4×1,8 femten
29 1/8" 2,25 1,8×1,35 tyve

De fysiske dimensioner af et videokameras matrix, afhængigt af billedformatet (4:3 eller 16:9) og en specifik producent med samme diagonal, er forskellige. Derfor giver for eksempel et kamera på en 1/3'' matrix med et billedformat på 4:3 en større lodret betragtningsvinkel og en mindre vandret end et kamera på en matrix med samme diagonal, men med en 16: 9 billedformat [4] .

Rammeformatforhold

Pixel billedformat

Matricer fås med tre forskellige pixelproportioner:

Typer af matricer i henhold til den anvendte teknologi

I lang tid var CCD-matricer praktisk talt den eneste massetype af fotosensorer. Implementeringen af ​​Active Pixel Sensors-teknologien omkring 1993 og den videre udvikling af teknologier førte til sidst til, at CMOS-matricer i 2008 praktisk talt blev et alternativ til CCD'er [6] .

CCD

CCD-matricen (CCD, "Charge Coupled Device") består af lysfølsomme fotodioder , er lavet på basis af silicium , bruger CCD -teknologi  - ladningskoblede enheder.

CMOS-sensor

CMOS-matrix (CMOS, "Complementary Metal Oxide Semiconductor") er baseret på CMOS-teknologi . Hver pixel er udstyret med en udlæsningsforstærker, og signalet fra en bestemt pixel samples tilfældigt, som i hukommelseschips.

SIMD WDR ( eng.  Wide dynamic range ) matrix, også lavet på basis af CMOS-teknologi, indrammet af hver pixel har også et automatisk system til indstilling af dens eksponeringstid, som giver dig mulighed for radikalt at øge enhedens fotografiske breddegrad [7] .

Live-MOS-matrix

Skabt og brugt af Panasonic. Den er lavet på basis af MOS-teknologi , men den indeholder færre forbindelser pr. pixel og drives af mindre spænding. På grund af dette og på grund af den forenklede transmission af registre og styresignaler er det muligt at opnå et "live" billede i fravær af overophedning og øgede støjniveauer, der er traditionelle for en sådan driftstilstand.

Super CCD

Fujifilm- kameraer bruger matricer kaldet "Super CCD", som indeholder grønne pixels i to forskellige størrelser: store, til lave lysniveauer, og små, der i størrelse falder sammen med blå og rød. Dette giver dig mulighed for at øge matrixens fotografiske breddegrad med op til 4 trin [8] .

Metoder til at opnå et farvebillede

Selve fotomatrixpixlen er "sort og hvid". For at matrixen kan give et farvebillede, bruges specielle teknikker.

Tre-matrix systemer

Lyset, der kommer ind i kameraet, falder på et par dikroiske prismer , er opdelt i tre primære farver: rød, grøn og blå. Hver af disse stråler er rettet til en separat matrix (oftest bruges CCD-matricer , derfor bruges betegnelsen 3CCD i navnet på det tilsvarende udstyr).

Tre-matrix-systemer bruges i mellemstore og avancerede videokameraer .

Fordele ved tre matricer sammenlignet med en-matrix
  • bedre transmission af farveovergange, fuldstændig fravær af farvemoiré ;
  • højere opløsning: intet sløringsfilter (lavpas) nødvendigt for at fjerne moiré;
  • højere lysfølsomhed og lavere støjniveau;
  • muligheden for at indføre farvekorrektion ved at placere yderligere filtre foran individuelle matricer, og ikke foran optageobjektivet, giver dig mulighed for at opnå en væsentlig bedre farvegengivelse med ikke-standard lyskilder.
Ulemper ved tre matricer sammenlignet med enkeltmatricer
  • fundamentalt større overordnede dimensioner;
  • tre-matrix-systemet kan ikke bruges med linser med kort arbejdsafstand ;
  • i et tre-matrix-skema er der et problem med farvekonvergens , da sådanne systemer kræver præcis justering, og jo større matricerne bruges og jo større deres fysiske opløsning, jo sværere er det at opnå den nødvendige nøjagtighedsklasse.

Mosaikfiltermatricer

I alle sådanne matricer er pixels placeret i samme plan, og hver pixel er dækket af et lysfilter af en bestemt farve. Manglende farveoplysninger gendannes ved interpolation ( mere... ).

Der er flere måder at arrangere filtre på. Disse metoder adskiller sig i følsomhed og farvegengivelse, mens jo højere lysfølsomhed, jo dårligere farvegengivelse:

  • RGGB - Bayer filter , historisk set det tidligste;
  • RGBW har en højere følsomhed og fotografisk breddegrad (typisk øget følsomhed med 1,5-2 gange og 1 trin i fotografisk breddegrad), et særligt tilfælde af RGBW-matricen er Kodak CFAK -matricen ;
  • RGEB (rød - grøn - smaragd - blå);
  • CGMY (turkis - grøn - lilla - gul).

Matricer med fuldfarvepixel

Der er to teknologier, der giver dig mulighed for at få alle tre farvekoordinater fra hver pixel. Den første bruges i masseproducerede Sigma -kameraer , den anden - fra midten af ​​2008, eksisterer kun i form af en prototype.

Flerlagsmatricer (Foveon X3)

Foveons X3 matrix fotodetektorer er arrangeret i tre lag - blå, grøn, rød. Navnet på sensoren "X3" betyder dens "trelags" og "tredimensionelle". Fordelene ved denne tilgang omfatter fraværet af geometriske forvrængninger i billedet (moiré). Ulemperne er sensorens høje krav til belysning.

X3-matricer bruges i Sigma digitalkameraer .

Nikon fuldfarve RGB-sensor

I Nikon fuldfarve-matricer ( Nikon - patent dateret 9. august 2007 [9] ) passerer RGB-strålerne af objektpunkter i hver pixel, der indeholder en mikrolinse og tre fotodioder, gennem en åben mikrolinse og falder på det første dikroiske spejl. I dette tilfælde sendes den blå komponent af det første dikroiske spejl til den blå detektor, og de grønne og røde komponenter reflekteres til det andet spejl. Det andet dikroiske spejl reflekterer den grønne komponent til den grønne detektor og transmitterer de røde og infrarøde komponenter. Det tredje dikroiske spejl reflekterer den røde komponent til detektoren og absorberer den infrarøde komponent [10] .

På trods af det faktum, at matrixprototypen allerede er blevet oprettet (2008), er det usandsynligt, at dette patent vil finde sin anvendelse i den nærmeste fremtid på grund af betydelige teknologiske vanskeligheder.

Sammenlignet med alle andre systemer undtagen tre-matrix , har denne teknologi en potentiel fordel i lysudgangseffektivitet sammenlignet med RGBW- eller Bayer-filterteknologier (den nøjagtige forstærkning afhænger af filtrenes transmissionskarakteristika).

I modsætning til 3CCD-systemer kræver denne type sensor ikke præcis justering af det optiske system [9] .

Se også

Noter

  1. ↑ Signal-til-støj, digitalt apparat og astrofotografi Arkiveret 13. maj 2009 på Wayback Machine Original på engelsk Arkiveret 9. september 2009 på Wayback Machine
  2. ↑ Om opløsning . Hentet 12. august 2009. Arkiveret fra originalen 31. marts 2014.
  3. ↑ Lonely G.A., Youth Scientific and Technical Bulletin # 12, december 2013, UDC: 621.397.7 . ainsnt.ru . Hentet 15. februar 2022. Arkiveret fra originalen 15. februar 2022.
  4. ↑ IP-kameraer, megapixelkameraer til videoovervågning over internettet. Netværkskameraer til videoovervågning i hjemmet - ip-kameraer
  5. ↑ omkring 16:9-format i canon-enheder (utilgængeligt link) . Hentet 10. juni 2008. Arkiveret fra originalen 13. juni 2008. 
  6. ↑ CCD vs CMOS: fakta og fiktioner Arkiveret 27. februar 2008 på Wayback Machine 
  7. ↑ Pelco CCC5000 Pixim WDR kamerabeskrivelse . Hentet 3. juni 2008. Arkiveret fra originalen 1. november 2011.
  8. ↑ Fujifilm S5 Pro kamerabeskrivelse Arkiveret 3. december 2007 på Wayback Machine 
  9. ↑ 12 USA _ Patent 7 138 663
  10. ↑ om Nikon-sensoren . Hentet 15. august 2007. Arkiveret fra originalen 19. august 2007.

Litteratur

  • Yu.R. Nosov, V.A. Shilin. Fundamentals af fysik af ladningskoblede enheder. - M. : Nauka, 1986. - 318 s.
  • om. fra engelsk. / Ed. M. Howes, D. Morgan. Oplad koblede enheder. — M. : Energoizdat, 1981. — 372 s.
  • Seken K., Thompset M. Enheder med ladningsoverførsel / Pr. fra engelsk. Ed. V.V. Pospelova, R.A. Suris. - M . : Mir, 1978. - 327 s.
  • udg. P. Jespers, F. Van de Wiele, M. White; om. fra engelsk. udg. R.A. Suris. Halvleder billedsignaldannere. - M . : Mir, 1979. - 573 s.