Photomatrix
Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. július 7-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 9 szerkesztést igényelnek .Fotomátrix , mátrix vagy fényérzékeny mátrix – speciális analóg vagy digitális-analóg integrált áramkör , amely fényérzékeny elemekből – fotodiódákból – áll .
- Úgy tervezték, hogy a rá vetített optikai képet analóg elektromos jellé vagy digitális adatfolyammá alakítsa (ha van ADC közvetlenül a mátrixban).
- Ez a fő eleme a digitális kameráknak , a modern video- és televíziókameráknak , a mobiltelefonokba épített kameráknak, a videó megfigyelőrendszerekhez használt kameráknak és sok más eszköznek.
- Számítógépes egerek optikai mozgásérzékelőiben , vonalkód-leolvasókban, síkágyas és vetítős szkennerekben , asztro- és szoláris navigációs rendszerekben használják.
Az egy pixeles mátrix eszköze
A pixel architektúra gyártónként eltérő. Például itt van megadva a CCD pixel architektúrája.
Példa egy n-típusú zseb CCD-alpixelre
Megnevezések a CCD mátrix alpixel sémáján - n-típusú zsebbel ellátott mátrixok:
1 - a kamera lencséjén áthaladó fényfotonok ; 2 szubpixeles mikrolencse ; 3 - R - alpixeles vörös fényszűrő , Bayer szűrőtöredék ; 4 - átlátszó elektróda polikristályos szilíciumból vagy indium és ón-oxid ötvözetéből; 5 - szilícium-oxid; 6 - n-típusú szilíciumcsatorna: vivőgenerációs zóna - belső fotoelektromos hatászóna ; 7 - potenciálfúró zóna (n-típusú zseb), ahol az elektronokat a töltéshordozó generáló zónából gyűjtik össze ; 8 - p típusú szilícium hordozó .
Sub-pixel mikrolencse
A puffereltolási regiszterek a CCD-n, valamint a CMOS pixel keretezése, a CMOS mátrixon a mátrix területének jelentős részét „felfalják”, ennek eredményeként egy-egy pixel csak a fényérzékeny terület 30%-át kapja meg. teljes felületéből. Teljes keretes átvitellel rendelkező mátrix esetén ez a terület 70%. Ezért van az, hogy a legtöbb modern CCD-mátrixban mikrolencsét szerelnek a pixel fölé. Egy ilyen egyszerű optikai eszköz lefedi a CCD elem területének nagy részét, és összegyűjti az erre a részre beeső fotonok teljes hányadát egy koncentrált fényáramba , amely viszont egy meglehetősen kompakt fényérzékeny területre irányul. pixel .
Mátrixok jellemzői
A fényérzékenység (röviden: érzékenység), a jel-zaj arány és a fizikai pixelméret egyértelműen összefügg egymással (azonos technológiával létrehozott mátrixok esetében). Minél nagyobb a fizikai pixelméret, annál nagyobb a kapott jel-zaj arány egy adott érzékenységnél, vagy annál nagyobb az érzékenység egy adott jel-zaj arány esetén. A mátrix fizikai mérete és felbontása egyértelműen meghatározza a pixel méretét. A pixelméret közvetlenül meghatároz egy olyan fontos jellemzőt, mint a fényképezési szélesség .
Jel-zaj arány
Bármely fizikai mennyiség ingadozik az átlagos állapotához képest, a tudományban ezt fluktuációnak nevezik. Ezért bármely test minden tulajdonsága is változik, bizonyos határok között ingadozik. Ez egy olyan tulajdonságra is igaz, mint a fotodetektor fényérzékenysége, függetlenül attól, hogy mi ez a fotodetektor. Ennek az a következménye, hogy egy bizonyos értéknek nem lehet különösebb értéke, hanem a körülményektől függően változik. Ha például egy ilyen fotodetektor paramétert „fekete szintnek” tekintünk, vagyis annak a jelnek az értékét, amelyet a fotodetektor fény hiányában mutat, akkor ez a paraméter is ingadozni fog valamilyen módon, beleértve ezt az értéket is. váltanak egyik fotodetektorról a másikra, ha valamilyen tömböt (mátrixot) alkotnak.
Példaként tekinthetünk egy közönséges fotófilmet, ahol a fényérzékelők ezüst-bromid szemcsék, és méretük, „minőségük” pontról pontra ellenőrizhetetlenül változik (a fotóanyag gyártója csak a paraméter átlagos értékét tudja megadni, ill. az átlagos értéktől való eltérésének mértéke, de nem maguk a konkrét értékek, ez az érték adott pozíciókban). Emiatt az exponálás nélkül előhívott filmen némi, nagyon kicsi, de nullától eltérő feketedés látható, amit "fátyolnak" neveznek. A digitális fényképezőgép fotomátrixa pedig ugyanezt a jelenséget mutatja. A tudományban ezt a jelenséget zajnak nevezik, mivel zavarja az információ helyes észlelését és megjelenítését, és ahhoz, hogy a kép jól közvetítse az eredeti jel szerkezetét, szükséges, hogy a jelszint valamelyest haladja meg a szintet. az eszközre jellemző zajszint. Ezt nevezzük jel-zaj viszonynak. [egy]
Érzékenység
Az "érzékenység" kifejezést a mátrixokra alkalmazzák, mert:
- a mátrix céljától függően a formális érzékenység értéke különféle szempontok szerint többféleképpen határozható meg;
- az analóg jelerősítés és a digitális utófeldolgozás széles tartományban módosíthatja a mátrix érzékenységének értékét.
Digitális fényképezőgépeknél az egyenértékű érzékenység értéke 50-102400 ISO tartományban változhat . A tömegkamerákban alkalmazott maximális érzékenység 2-5 jel/zaj aránynak felel meg.
Felbontás
A fotomátrix digitalizálja (darabokra - "pixelekre" osztja) a kamera lencséje által alkotott képet. De ha az objektív a nem kellően nagy felbontás miatt az objektum KÉT fényes pontját, egy harmadik feketével elválasztva, három egymást követő pixelenként egy világító pontként továbbítja, akkor a kép pontos felbontásáról nem kell beszélni. a kamera által.
A fényképészeti optikában közelítő összefüggés van [2] : ha a fotodetektor felbontását vonal per milliméterben (vagy pixel per hüvelykben) adjuk meg, akkor jelöljük , és kifejezzük az objektív felbontását is (fókuszában). sík), jelölje ezt , akkor a lencse + fotodetektor rendszer kapott felbontása, jelölése a következő képlettel:
vagy .
Ez az arány maximális , ha a felbontás egyenlő -vel , ezért kívánatos, hogy a lencse felbontása megfeleljen a fotodetektor felbontásának.[ pontosítás ]
A modern digitális fotomátrixoknál a felbontást a pixelméret határozza meg, amely a különböző fotomátrixoknál 0,0025 mm és 0,0080 mm között változik, a legtöbb modern fotómátrix esetében pedig 0,006 mm. Mivel két pont különbözik, ha van közöttük egy harmadik (nem exponált) pont, akkor a felbontás két pixel távolságnak felel meg, azaz:
, hol van a pixelméret.
A digitális fotómátrixok felbontása 200 sor/milliméter (nagy formátumú digitális fényképezőgépekhez) akár 70 sor/milliméter (webkamerák és mobiltelefonok esetén).
Egyes videokamerák, CCD és CMOS szenzorok fejlesztői úgy vélik, hogy a rendszer felbontása (sorokban) megegyezik az érzékelőből kiolvasott képpontok számának 1,5-tel osztva. Mivel a lencse felbontásának értékelésekor a mérést fekete-fehér Foucault- világ párokban végzik mm-enként (amelyek nem egyetlen csúcsot határoznak meg, hanem egy térbeli frekvenciát), akkor a mátrix felbontásának párokká alakításának együtthatója. sorokhoz 3,0 korrekciós tényező szükséges [3] .
A mátrix fizikai mérete
A fotoszenzorok fizikai méreteit a mátrix egyes pixeleinek mérete határozza meg, amelyek a modern fotoszenzorokban 0,005-0,006 mm értékűek. Minél nagyobb a pixel, annál nagyobb a területe és a begyűjtött fény mennyisége, ezért annál nagyobb a fényérzékenysége és annál jobb a jel-zaj arány ( filmes fotózásban a zajt „szemcsésségnek” vagy „szemcsésségnek” nevezik). A fényképészeti részletek szükséges felbontása határozza meg a pixelek teljes számát, amely a modern fotomátrixban eléri a több tízmillió pixelt ( Megapixel ), és ezzel meghatározza a fotomátrix fizikai méreteit.
- Az optika törvényei meghatározzák a mélységélesség függését a mátrix fizikai méretétől. Ha három különböző fizikai érzékelő méretű kamerával készítesz egy képet ugyanarról a jelenetről, azonos látószöggel és azonos rekesznyílás -értékkel az objektíveken, és az eredményt (fájl számítógépen, kinyomtatás nyomtatóról) ugyanazon a helyen tanulmányozod. akkor a legkisebb mátrixú kamerával készült képen a mélységélesség lesz a legnagyobb (a keretben több objektum jelenik meg élesen), a legnagyobb mátrixú kamera pedig a legkisebb mélységélességet (objektumok) az életlenség elmosódottabb lesz).
- A fényérzékelő méretét leggyakrabban "típusnak" nevezik töredékhüvelyk egységekben (pl. 1/1,8" vagy 2/3"), ami valójában nagyobb, mint az érzékelő átlójának tényleges fizikai mérete (lásd Vidicon hüvelyk ). Ezek az elnevezések az 1950-es évek szabványos TV-kamera-csőméret-megjelöléseiből származnak. Nem magának a mátrixnak az átlójának a méretét fejezik ki, hanem az adócső burájának külső méretét. A mérnökök gyorsan megállapították, hogy különböző okok miatt a használható képterület átlója a cső átmérőjének körülbelül kétharmada. Ez a meghatározás meghonosodott (bár már rég el kellett volna vetni). Nincs egyértelmű matematikai kapcsolat az érzékelő hüvelykben kifejezett "típusa" és a tényleges átlója között. Durva közelítéssel azonban feltételezhetjük, hogy az átló a méret kétharmada.
| Nem. | Méret | Átló mm-ben | Méret mm-ben | termésfaktor |
|---|---|---|---|---|
| egy | 13/8" ( 135-ös filmtípus ) | 43.27 | 36×24 | egy |
| 2 | APS-H Canon | 33,75 | 28,1×18,7 | 1.28 |
| 3 | APS-H Leica | 32.45 | 27×18 | 1.33 |
| négy | 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 |
| nyolc | Foveon X3 | 24.88 | 20,7×13,8 | 1.74 |
| 9 | 1,5" | 23.4 | 18,7×14,0 | 1.85 |
| tíz | 4/3" | 21.64 | 17,3×13,0 | 2 |
| tizenegy | egy" | 16 | 12,8×9,6 | 2.7 |
| 12 | egy" | 15.9 | 13,2×8,8 | 2.73 |
| 13 | 1/1,33" | 12 | 9,6×7,2 | 3.58 |
| tizennégy | 2/3" | 11.85 | 8,8×6,6 | 3.93 |
| tizenöt | 1/1,63" | tíz | 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 |
| tizennyolc | 1/2" | 8.0 | 6,4×4,8 | 5.41 |
| 19 | 1/2,3" | 7.7 | 6,16×4,62 | 5.62 |
| húsz | 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 | tíz |
| 28 | 1/6" | 2.96 | 2,4×1,8 | tizenöt |
| 29 | 1/8" | 2.25 | 1,8×1,35 | húsz |
A videokamera mátrixának fizikai méretei a képaránytól (4:3 vagy 16:9) és az azonos átlójú adott gyártótól függően eltérőek. Ezért például egy 1/3”-os mátrixon 4:3-as képarányú kamera nagyobb függőleges látószöget és kisebb vízszintes látószöget biztosít, mint egy ugyanolyan átlójú, de 16-os mátrixon lévő kamera: 9 képarány [4] .
Képkocka képaránya
- A 4:3 képkockaformátumot főként amatőr digitális fényképezőgépekben használják. Egyes cégek, például a Canon, lehetővé teszik ezeknek a kameráknak, hogy a képarányt 4:3 és 16:9 tartományba állítsák [5] .
- A 3:2 képkockaformátumot a SLR digitális fényképezőgépek használják, kivéve a 4/3 szabvány szerint készülteket .
- Kis számú 16:9-es kerettel rendelkező modell készül.
- Az Olympus digitális tükörreflexes fényképezőgépei 4:3 képarányú érzékelőt használnak (4/3 szabvány).
Pixel képarány
A mátrixok három különböző pixelarányban állnak rendelkezésre:
- Videóberendezésekhez 4:3 ( PAL ) pixelarányú érzékelők állnak rendelkezésre.
- vagy 3:4 ( NTSC );
- A fényképészeti, radiográfiai és csillagászati berendezések, valamint a jelenleg HDTV -hez fejlesztendő videoberendezések általában négyzetes pixelekkel rendelkeznek.
Mátrixok típusai az alkalmazott technológia szerint
- CCD -mátrix (CCD, "Charge Coupled Device");
- CMOS -mátrix (CMOS, "Complementary Metal Oxide Semiconductor");
- SIMD WDR ( eng. Wide dynamic range ) - egyfajta CMOS mátrix eltérő pixelkerettel;
- Live-MOS-mátrix - MOS - mátrix, egyszerűbb pixelszerkezettel, mint a CMOS;
- Super CCD -mátrix - egyfajta CCD-mátrix különböző méretű elemekkel;
- QuantumFilm - kvantumpontokon alapuló mátrix, tömeges berendezésekben még nem implementálva;
Sokáig a CCD-mátrixok voltak gyakorlatilag az egyetlen tömegtípusú fotoszenzorok. Az Active Pixel Sensors technológia 1993 körüli bevezetése és a technológiák továbbfejlesztése végül oda vezetett, hogy 2008 -ra a CMOS mátrixok gyakorlatilag a CCD-k alternatíváivá váltak [6] .
CCD
A CCD mátrix (CCD, "Charge Coupled Device") fényérzékeny fotodiódákból áll , szilícium alapú, CCD technológiát használ - töltéscsatolt eszközök.
CMOS érzékelő
A CMOS mátrix (CMOS, "Complementary Metal Oxide Semiconductor") a CMOS technológián alapul . Minden pixel fel van szerelve egy kiolvasó erősítővel, és az adott pixelből származó jelet véletlenszerűen mintavételezi, mint a memóriachipeknél.
A szintén CMOS technológia alapján készült SIMD WDR ( eng. Wide dynamic range ) mátrix, minden pixel keretezve szintén rendelkezik egy automatikus rendszerrel az expozíciós idejének beállítására, amivel radikálisan meg lehet növelni az eszköz fényképezési szélességét [7] .
Live-MOS-mátrix
A Panasonic készítette és használta. MOS technológia alapján készült , azonban pixelenként kevesebb csatlakozást tartalmaz, és kevesebb feszültségről táplálja. Ennek, valamint a regiszterek és vezérlőjelek egyszerűsített átvitelének köszönhetően az ilyen üzemmódra hagyományosan túlmelegedés és megnövekedett zajszint hiányában is "élő" kép készíthető.
Super CCD
A Fujifilm kamerák "Super CCD" nevű mátrixokat használnak, amelyek két különböző méretű zöld pixeleket tartalmaznak: nagy, gyenge fényviszonyokhoz és kicsik, amelyek mérete egybeesik a kékkel és a pirossal. Ez lehetővé teszi a mátrix fényképezési szélességének akár 4 lépéssel [8] történő növelését .
Módszerek színes kép előállítására
Maga a fotomátrix pixel „fekete-fehér”. Annak érdekében, hogy a mátrix színes képet adjon, speciális technikákat alkalmaznak.
Hárommátrixos rendszerek
A kamerába belépő fény, amely egy pár dikroikus prizmára esik , három alapszínre oszlik: pirosra, zöldre és kékre. Ezen nyalábok mindegyike külön mátrixra irányul (leggyakrabban CCD-mátrixokat használnak , ezért a megfelelő berendezés nevében a 3CCD elnevezést használják).
A hárommátrixos rendszereket közepes és csúcskategóriás videokamerákban használják.
A három mátrix előnyei az egymátrixhoz képest- a színátmenetek jobb átvitele, a színes moaré teljes hiánya ;
- nagyobb felbontás: nincs szükség elmosódó (aluláteresztő) szűrőre a moaré kiküszöböléséhez;
- nagyobb fényérzékenység és alacsonyabb zajszint;
- a színkorrekció bevezetésének lehetősége azáltal, hogy további szűrőket helyez az egyes mátrixok elé, és nem a fotózási objektív elé, lehetővé teszi, hogy lényegesen jobb színvisszaadást érjen el nem szabványos fényforrásokkal.
- alapvetően nagyobb átfogó méretek;
- a hárommátrixos rendszer nem használható kis munkatávolságú objektívekkel ;
- hárommátrixos sémában a színkonvergencia problémája van , mivel az ilyen rendszerek precíz igazítást igényelnek, és minél nagyobb mátrixokat használnak, és minél nagyobb a fizikai felbontásuk, annál nehezebb elérni a kívánt pontossági osztályt.
Mozaik szűrőmátrixok
Minden ilyen mátrixban a pixelek ugyanabban a síkban helyezkednek el, és minden képpontot egy bizonyos színű fényszűrő borít. A hiányzó színinformációkat interpoláció állítja vissza ( tovább… ).
A szűrők elrendezésének többféle módja van. Ezek a módszerek különböznek az érzékenységben és a színvisszaadásban, míg minél nagyobb a fényérzékenység, annál rosszabb a színvisszaadás:
- RGGB - Bayer szűrő , történelmileg a legkorábbi;
- Az RGBW-k érzékenysége és fényképezési szélessége magasabb (általában 1,5-2-szeres érzékenység és 1 lépés a fényképezési szélességben), az RGBW mátrix speciális esete a Kodak CFAK mátrix ;
- RGEB (piros - zöld - smaragd - kék);
- CGMY (türkiz - zöld - lila - sárga).
Mátrixok színes pixelekkel
Két olyan technológia létezik, amely lehetővé teszi, hogy minden képpontból megkapja mindhárom színkoordinátát. Az elsőt a sorozatgyártású Sigma kamerákban használják , a második - 2008 közepétől - csak prototípus formájában létezik.
Többrétegű mátrixok (Foveon X3)A Foveon X3 mátrix fotodetektorai három rétegben vannak elrendezve - kék, zöld, piros. Az "X3" érzékelő neve azt jelenti, hogy "háromrétegű" és "háromdimenziós". Ennek a megközelítésnek az előnyei közé tartozik a geometriai torzulások hiánya a képen (moaré). A hátránya az érzékelő magas világítási igénye.
A Sigma digitális fényképezőgépekben X3 mátrixokat használnak .
Nikon színes RGB érzékelőA Nikon teljes színű mátrixaiban ( 2007. augusztus 9-i Nikon szabadalom [9] ) az egy mikrolencsét és három fotodiódát tartalmazó minden egyes pixel tárgypontjainak RGB sugarai egy nyitott mikrolencsén haladnak át, és az első dikroikus tükörre esnek. Ebben az esetben a kék komponenst az első dikroikus tükör továbbítja a kék detektornak, a zöld és piros komponens pedig visszaverődik a második tükörhöz. A második dikroikus tükör visszaveri a zöld komponenst a zöld detektor felé, és továbbítja a vörös és infravörös komponenseket. A harmadik dikroikus tükör a vörös komponenst visszaveri a detektorra és elnyeli az infravörös komponenst [10] .
Annak ellenére, hogy a mátrix prototípust már elkészítették (2008), ez a szabadalom a közeljövőben valószínűleg nem talál majd alkalmazást jelentős technológiai nehézségek miatt.
A hárommátrix kivételével az összes többi rendszerhez képest ez a technológia potenciális előnyt jelent a fénykibocsátás hatékonyságában az RGBW vagy Bayer szűrőtechnológiákhoz képest (a pontos nyereség a szűrők átviteli jellemzőitől függ).
A 3CCD rendszerekkel ellentétben az ilyen típusú érzékelők nem igénylik az optikai rendszer pontos beállítását [9] .
Lásd még
- Digitális fényképezőgép eszköz
- Felbontás (számítógépes grafika)
- Advanced Photo System Type-C (APS-C)
- 35 mm -es DOF adapter
- Expozíció (fotó)
Jegyzetek
- ↑ Jel-zaj, digitális készülékek és asztrofotózás Archivált 2009. május 13-án a Wayback Machine -nél Eredeti angol nyelven Archivált 2009. szeptember 9-én a Wayback Machine -nél
- ↑ A felbontásról . Letöltve: 2009. augusztus 12. Az eredetiből archiválva : 2014. március 31..
- ↑ Lonely G.A., Youth Scientific and Technical Bulletin # 12, 2013. december, UDC: 621.397.7 . ainsnt.ru . Letöltve: 2022. február 15. Az eredetiből archiválva : 2022. február 15.
- ↑ IP kamerák, megapixeles kamerák az interneten keresztüli videó megfigyeléshez. Hálózati kamerák otthoni videó megfigyeléshez - ip kamerák
- ↑ kb 16:9 formátum canon eszközökön (elérhetetlen link) . Letöltve: 2008. június 10. Az eredetiből archiválva : 2008. június 13..
- ↑ CCD vs CMOS: tények és fikciók Archiválva : 2008. február 27. a Wayback Machine -nél
- ↑ Pelco CCC5000 Pixim WDR kamera leírása . Letöltve: 2008. június 3. Az eredetiből archiválva : 2011. november 1..
- ↑ Fujifilm S5 Pro kamera leírása Archivált 2007. december 3. a Wayback Machine -nél
- ↑ 12 U.S. _ 7 138 663 számú szabadalom
- ↑ a Nikon érzékelőről . Letöltve: 2007. augusztus 15. Az eredetiből archiválva : 2007. augusztus 19..
Irodalom
- Yu.R. Nosov, V.A. Shilin. A töltéscsatolt eszközök fizikának alapjai. - M. : Nauka, 1986. - 318 p.
- per. angolról. / Szerk. M. Howes, D. Morgan. Csatlakoztatott eszközök töltése. — M. : Energoizdat, 1981. — 372 p.
- Seken K., Thompset M. Készülékek töltésátvitellel / Per. angolról. Szerk. V.V. Pospelova, R.A. Suris. - M . : Mir, 1978. - 327 p.
- szerk. P. Jespers, F. Van de Wiele, M. White; per. angolról. szerk. R. A. Suris. Félvezető képjelképzők. - M . : Mir, 1979. - 573 p.