asyan.org
добавить свой файл
  1 2 3

^ 1.2 Принцип кольоровості ПЗЗ

Набір сенсорів ПЗЗ-матриці відображає рівень яскравості різних діля­нок зображення і на виході формується чорно-біле зображення.

Для формування кольорового зображення на сенсор накладається світ­лофільтр. Розподіл таких світлофільтрів по поверхні матриці утворює ма­сив кольорових фільтрів. Принцип дії кольорового фільтру дуже простий: він пропускає світло тільки певного кольору (інакше кажучи, тільки світло з певною довжиною хвилі). Будь-який колірний відтінок можна отримати змішуванням в певних пропорціях декількох основних (базових) кольорів. У найбільш популярній адитивній моделі RGB (Red, Green, Blue) таких ко­льори три: червоний, зелений і синій. Колірна модель RGB не єдина, але в переважній більшості цифрових Web-камер використовують саме її.

Найбільш популярними є масиви кольорових фільтрів моделі Байера, створеної науковим робітником компанії KODAK Брюсом Байером (Bryce Bayer) в 1976 році, за що він був нагороджений Королівським Фотогра­фічним Товариством (Royal Photographic Society) в 2009 році. Компанія Eastman Kodak представила принципово нову світлочутливу цифрову мат­рицю з кольоровими фільтрами моделі Truesense. Вона будується на прин­ципі стандартних фільтрів моделі Байера, але з додаванням додаткового панхроматичного пікселя або, як називають його у компанії, «clear» - про­зорий або безбарвний. Він ефективно сприймає світло відразу в усьому видимому діапазоні, тому вся матриця збирає набагато більшу долю світ­ла, що потрапляє на неї. Нова матриця має приблизно в 2-4 рази більшу чутливість в порівнянні з існуючими зараз моделями і без погіршення яко­сті зображення.

Варіацією фільтра Байера є RGBE-фільтр від компанії Sony. Тоб­то до RGB-світлофільтра доданий Emerald - смарагдовий. Теоретично, чет­вертий компонент для визначення кольору вже зайвий. Проте на практиці він трохи наближає колірну гамму зображення до натуральної (для людсь­кого ока), покращуючи передачу синьо-зелених і червоних відтінків.

Вище були розглянуті мозаїки в основу яких покладена модель ади­тивного колірного синтезу (RGB), проте випускаються сенсори з мозаїками (CYM=Cyan Yellow Magenta). Компанія Sony випускає матриці з CYMG- фільтром. Основні компоненти в якому - CYM (блакитний, жовтий, пурпу­рний) і один, додатковий, адитивний - G (зелений). Типова проблема сен­сорів з такою мозаїкою - це погана реєстрація світла в синьому та черво­ному діапазонах довжин хвиль.

Іншим способом отримання кольорового зображення є використання матриць Foveon X3. В основу покладена ідея поглинання фотонів різ­них довжин хвиль на різних глибинах у напівпровіднику. Це дає можли­вість для кожного пікселя сенсора отримувати свої власні RGB- компоненти, в одному пікселі поєднані детектори усіх трьох колірних компонент. Дуже витончена ідея: вмить позбавляє від колірної інтерполя­ції, згладжування і різниці фаз між RGB-компонентами.

Метод отримання кольору з використанням 3ПЗЗ матриць - це тех­нологія отримання кольорового зображення, заснована на застосуванні трьох приймачів світла і дихроїдних призм, що ділять світло по спектру на три пучки : червоний, зелений і синій. Кожен з цих пучків прямує на окре­му матрицю. Незважаючи на те, що в якості фотоприймачів можуть бути використані матриці виготовлені за різними технологіями, єдиним широко поширеним методом стало застосування саме трьох ПЗЗ-матриць. Завдя­ки цій технології вдається помітно підвищити якість зображення, переду­сім відтворення кольорів, збільшити роздільну здатність, уникнути кольо­рових ореолів на краях об'єктів на зображенні.

Практично в кожній напів- і професіональній відеокамерах викорис­товується технологія 3ПЗЗ. Вона являється стандартом професіональної зйомки. Такі відеокамери використовуються в операторській справі і при­датні для зйомок тележурналістики, репортажів, подій, документальних, корпоративних фільмів, телевізійної продукції тощо. Недоліками камер є складність конструкції і висока вартість.

Сигнал з матриці, яка використовує колірний фільтр, поступає в спе­ціальний процесор для його дешифрування (перетворення його на RGB складові). Сигнали основних кольорів E'R , E'G , ЕЛВ сумуються в певному відношені для отримання сигналу яскравості EY. При наявності цього сиг­налу, який необхідний для реалізації умови сумісності з чорно-білою сис­темою, не потрібно додаткова передача по каналу зв'язку трьох сигналів Er , E'g, ЕЛВ. Достатньо передавати будь-які два з них, а інформацію про третій отримати в декодуючому пристрої відніманням від EY два інших. Оскільки сигнал яскравості несе повну інформацію про співвідношення яскравості елементів зображення, то ця інформація може бути виключена з двох інших сигналів. Тому передають тільки три сигнали - яскравості EY і два різницеві сигнали, а саме E'R-Y та E'B-Y ,так як вони мають найкраще співвідношення сигнал/шум. Після цього з цих сигналів формується пов­ний кольоровий телевізійний сигнал.

^ 1.3 Основні параметри ПЗЗ матриць

Кількість пікселів матриці (Array Format). Цей параметр характери­зує роздільну здатність датчика. Чим більше пікселів, тим більш деталізо­ваним буде зображення. Роздільна здатність визначається двома способа­ми. По-перше, можна підрахувати загальне число піскелей (наприклад, якщо воно становить 1,5 мільйона, говорять про 1,5-мегапіксельну каме­ру). По-друге, можна вказати кількість стовпців і рядків ПЗЗ-матриці, що беруть участь у формуванні зображення (скажімо, 1360х1020) - це макси­мальний розмір кадру у пікселях, тобто число активних пікселів, які вико­ристовуються для одержання зображення. Різниця між цими двома показ­никами зазвичай не перевищує 5%. Існує кілька причин такої розбіжнос­ті. По-перше, в процесі сенсора створюються «темні», дефектні пікселі (створення повністю справного сенсора практично неможливо при існую­чих технологіях). По-друге, деякі пікселі використовуються для інших ці­лей, наприклад, для калібрування сигналів сенсора. По-третє, на частину пікселів по краях світло не потрапляє. Ці пікселі допомагають визначити фоновий шум, який потім буде відніматися з сигналів активних пікселів.

^ Оптичний формат (Optical format). Оптичний формат - це розмір ді­агоналі активної області матриці фотоелементів в дюймах і приймає зна­чення: 1'', 2/3'',1/2", 1/3", 1/4". Матриці великого формату 1", 2/3'' практич­но перестали випускатися, оскільки камери на їх основі виходять дуже громіздкими і дорогими. Останні моделі ПЗС - матриць фірми "Sony" ма­ють формат 1/4''. На основі таких матриць деякі фірми випускають надмі- ніатюрні камери. Але чим менший розмір матриці, тим менша чутливість (через малу площу пікселів) і при цьому ж вноситься більший рівень шу­мів, погіршуючи якість зображення. Розмір матриці важливий при визна­ченні кута огляду камери. З однаковими об'єктивами камера на основі мат­риці 1/2" має більший кут огляду, ніж камера з матрицею 1/3".

Чутливість (Sensitivity). Під чутливістю розуміється відношення ве­личини електричного сигналу, що формується датчиком, до рівня його освітленості в даний момент. Величина електричного сигналу часто пред­ставляється у вольтах, а освітленість в лк/сек. Для кольорових датчиків зо­браження значення чутливості вказується окремо для різних довжин хвиль (монохроматична чутливість до потоку випромінювання шириною 1 нм). При обчисленні чутливості кожен виробник використовує свою власну ме­тодику, тому порівняння за цим параметром продукції різних вендорів час­то є некоректним.

^ Квантова ефективність (Quantum Efficiency). Це відношення числа зареєстрованих фотонів до їх загального числа, що потрапило на світлочу­тливу область матриці. Цей параметр має дуже високе значення для ПЗЗ- датчиків у кращих зразків він досягає 95%. Для порівняння, квантова ефективність людського ока складає близько 1%, а високоякісних фотое­мульсій не більше 3%.

^ Динамічний діапазон (Dynamic Range). Динамічний діапазон - це від­ношення максимального вихідного сигналу датчика до його власного рівня шуму. Цей параметр вказується, як правило, в дБ. Людське око має дуже великий динамічний діапазон - близько 200 дБ. Жоден штучний прилад не має такого високого значення цього параметра.

^ Відношення сигнал/шум (S/N ratio). Під відношенням сигнал/шум ро­зуміється величина, рівна відношенню корисного відеосигналу до рівня шуму, виражена в дБ. Прийнятним відношенням сигнал/шум вважається величина не менше 50 дБ.

Розділ 2. КМОН-матриці

Довгий час ПЗЗ-матриці були практично єдиним масовим ви­дом цифрових фотоперетворювачів. Реалізація технології Active Pixel Sensors в 1993 році і подальший розвиток технологій привели в результаті до того, що в 1998 році бу­ли розроблені матричні фоточутливі прилади на основі комплементарної структури ти­пу метал-оксид-напівпровідник (КМОН-матриці) і стали практично альтернативою ПЗЗ-матриць.

Як і в матричних ПЗЗ, світлочутливим пікселем в КМОН-сенсорі може бути збі­днена область МОН-ємності, що виникає при подачі на фазний електрод збіднювальної напруги, або ж збіднена область зворотньозміщеного фотодіода. Світлочутливий еле­мент другого типу переважає, хоча б з тієї точки зору, що фотодіодна структура має суттєво вищий коефіцієнт збору світлового потоку через відсутність шарів полікрем- нію, поглинаючого світловий потік.

На відміну від технології ПЗЗ, КМОН технологія дозволяє достатньо простими засобами організувати фотоприймач, що містить дуже велике число пікселів - десятки мільйонів, і має дуже велику площу кристала. Це пояснюється тим, що при збільшенні розміру кристала ПЗЗ-перетворювача ймовірність захопити фатальний дефект швидко зростає. В КМОН сенсорі такий дефект викличе пошкодження лише єдиного пікселя, коли в матричних ПЗЗ такий дефект дуже часто приводить до непрацездатності всього перетворювача в цілому.

Наявність великого числа транзисторів в кожному пікселі приводить до знижен­ня коефіцієнта використання світлового потоку в КМОН сенсорах, проте застосування добре відпрацьованої в матричних ПЗЗ з стрічковою адресацією технології мікролінз, розташованих над фотодіодом дозволяє добитися дуже високих значень коефіцієнта збору, що наближаються в перспективі до 100%. У вже існуючих КМОН сенсорах з ак­тивним пікселем коефіцієнт перетворення заряду в напругу може складати сотні мкВ на електрон в порівнянні з десятками мкВ на електрон в кращих фотоприймачах на ПЗЗ, що забезпечує зменшення смуги обробки частот сигналу, а отже і зниження власного шуму. Проте, неможливість створення мегапіксельного масиву малошумних транзис­торів призводить до того, що шуми КМОН фотоприймачів поки перевищують шуми ПЗЗ перетворювачів і тому при рівності часу накопичення і розмірів світлочутливих елементів чутливість КМОН-матриць поступається чутливості матричних ПЗЗ. Харак­теристики спектральної чутливості в цілому є ідентичними з характеристиками матри­чних ПЗЗ і визначаються типом і особливостями застосованого кремнієвого світлочут­ливого елемента - МОН-ємності або фотодіода.

^ 2.1 Принцип дії КМОН-матриці

КМОН-сенсори являють собою матрицю, що складається з набору фотоприймачів - пікселів, здатних перетворювати світлову енергію в заряд, який згодом передається, і з його допомогою формується кінцеве зображення, отримане сенсором. Зупинимося на принципі роботи сенсора, а також розглянемо питання якості отримуваної картинки. Прилад із зарядовим зв'язком - напівпровідниковий прилад, що представляє собою матрицю або лінійку ізольованих від підкладки затворів (МДП-структур), під якими може відбуватися перенесення до стоку інформаційних пакетів неосновних носіїв заряду, або інжектованих з витоку, або виникли в підкладці через поглинання оптичного випромінювання.

Розглянемо принцип дії КМОН-матриць. На рис. 4 наведена архітектура сенсора. Неважко помітити, що сенсор містить крім самої оптичної матриці додаткові блоки, наприклад АЦП (аналогово-цифровий перетворювач), логічні пристрої, інтерфейс і ін.

Ділянка, безпосередньо сприймає оптичне випромінення (піксель) показаний на рис. 5. Наявність у кожного пікселя свого власного посилювача явля дуже суттєву різницю від ПЗЗ-датчика, які не мають такої можливості інтеграції. Крім цього за допомогою простої ХУ-адресації можна зчитувати інформацію не зі всієї структури, а з конкретної її частини, або взагалі ідеальної області.

Напівпровідникова КМОН-матриця забезпечина системою мікролінз, кожна з яких розташована безпосередньо над пікселем і фокусує падаюче світло на фотодетектор. З метою запобігання потрапляння цього випромінювання на підкладку, що може згенерувати додаткові заряди і привести до небажаних наведенням, підкладка захищена спеціальним непрозорим металевим шаром.

Резюмуючи опис КМОН-датчиків, можна виділити такі їх основні переваги перед ПЗЗ-датчиками:

• мінімальне споживання енергії;

• високий ступінь інтеграції та розміщення на базі чіпа додаткових блоків для обробки зображення;

• невелика вартість;

• можливість вибіркового читання.

Не варто забувати також, що при всіх перерахованих перевагах КМОН-сенсорів ПЗЗ-датчики таки мають менший рівень шумів і більш широкий динамічний діапазон, що обмежує застосування у високотехнологічних областях недорогих КМОН-сенсорів.



<< предыдущая страница   следующая страница >>