Фотосенсор | это... Что такое Фотосенсор? (original) (raw)

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

Предназначена для преобразования спроецированного 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.

Содержание

1 Устройство одного пикселя матрицы
- 1.1 Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа
- 1.2 Микролинза субпикселя
2 Характеристики матриц
3 Типы матриц по применяемой технологии
4 Матрицы с пикселами различного размера
5 Методы получения цветного изображения
6 См. также
7 Примечания

Устройство одного пикселя матрицы

Архитектура пикселей у производителей разная. Здесь приводится архитектура ПЗС пикселя для примера.

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 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
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.

Поскольку с помощью микролинз удаётся гораздо полнее регистрировать падающий на сенсор световой поток, по мере совершенствования технологии ими стали снабжать не только системы с буферизацией столбцов, но и матрицы с полнокадровым переносом. Между тем, микролинзы нельзя назвать «решением без недостатков».

Микролинзы уменьшают эффективную угловую апертуру матрицы как воспринимающей оптической системы. Косо падающие лучи света оказываются подвержены частичному отражению от передней поверхности микролинз и полному внутреннему отражению в короткофокусной оптической системе, каковой является микролинза. Это приводит к виньетированию изображения. Было предложено два основных решения этой проблемы:
- От фирмы [1]
- В дальномерных цифровых аппаратах фирмы

Характеристики матриц

Светочувствительность, 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 сотношении сигнал-шум. Физический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют размер пикселя.

Отношение сигнал/шум

Чувствительность

К матрицам применяется термин эквивалентная «чувствительность», 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

Разрешение

Обычно, говоря о разрешении цифровой матрицы, следуют сложившемуся штампу, то есть просто приводят количество пикселей. При этом забывают упомянуть, что матрица может разрешить только то изображение, которое уже сформировано объективом. И 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 разрешении фотоаппарата в целом на основе данных о матрице будет опрометчиво.

Разрешение матриц цифровых фотокамер в мегапикселях (2008 г.), (миллионах пикселей):

Разрешение матриц компактных цифровых фотокамер 6-12 Мпикс;
Камеры мобильных телефонов имеют разрешение матриц 0,1-8 Мпикс;
фотокамера Nikon D3X имеет разрешение матрицы 24 Мпикс;
цифровые задники для среднеформатных фотоаппаратов «Hasselblad» имеют разрешение матриц более 16 Мпикс;

Физический размер матрицы

Сравнение размеров фотосенсоров цифровых фотокамер и 35-мм плёнки.

Размер матрицы измеряется по диагонали, в долях дюйма (4/3", 2/3", 1/1,8", 1/2,2"). Данная традиция измерения происходит от диаметра передающих телевизионных трубок и часто называется «дюймы видикона».
Чем больше физический размер матрицы, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном сотношении сигнал-шум.
Законы геометрической оптики задают зависимость ГРИП от физического размера матрицы. Сфотографируем 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. После чего станем рассматривать результат (файл на компьютере, распечатку с принтера) в одинаковых условиях. 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).

Отношение сторон кадра

Стандарт кадра 4:3 в основном применяется в любительских цифровых фотоаппаратах. Некоторые фирмы, например, Canon, выпускают в этих фотоаппаратах настройку соотношения сторон в диапазонах 4:3 и 16:9.[2]
Стандарт кадра 3:2 применяется в зеркальных цифровых фотоаппаратах
Выпускается незначительное число моделей с кадром 16:9
В цифровых зеркальных фотоаппаратах Olympus используется матрица с соотношением сторон 4:3 (стандарт Four Thirds System).

Пропорции пиксела

Выпускаются матрицы с тремя различными пропорциями пиксела

Для видеоаппаратуры выпускаются сенсоры с пропорцией пиксела 4:3 (NTSC)
Фотографическое, рентгенографическое и астрономическое оборудование, а также развивающееся сейчас HDTV видеооборудование обычно имеет квадратный пиксел.

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.[3]

ПЗС-матрица

Состоит из светочувствительных фотодиодов, выполнена на основе кремния, использует технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

КМОП-матрица

Выполнена на основе КМОП-технологии. Каждый пиксел снабжён усилителем считывания, а выборка сигнала с конкретного пискела происходит, как в микросхемах памяти, произвольно.

SIMD WDR 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.[4]

Live-MOS-матрица

Выполнена на основе МОП технологии, однако содержит меньшее число соединений для одного пиксела 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.

Матрицы с пикселами различного размера

В фотоаппаратах фирмы фотографическую широту матрицы на величину до 4-х ступеней.[5]

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

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 используется 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 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. 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 (см. Фильтр Байера#Дебайеризация).

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. Такие сенсоры 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

Матрицы X3 применяются в цифровых фотоаппаратах Sigma.

#### Матричные фотоприемники компании SensorIS

Российский аналог Foveon X3, отличается принципом разделения фототока в глубине светочувствительной ячейки.

На 2008 год не существует в виде готовой продукции.

#### Полноцветная RGB-матрица Nikon

В полноцветных матрицах Nikon (Патент Nikon от 9 августа 2007) лучи RGB предметных точек в каждом пикселе проходят в сжатом виде через линзу и при помощи цветоделительных зеркал в порядке «синий», «зелёный», «красный» попадают на подпиксельные детекторы[6].

Пока аппаратуры с этим типом матрицы не производится, создан только прототип.

## См. также

*** Устройство цифрового фотоаппарата** *** **

## Примечания

1. ↑ подробное описание телецентричности 2. ↑ о формате 16:9 в аппаратах canon 3. ↑ CCD vs CMOS: facts and fictions (англ.) 4. ↑ описание WDR камеры Pelco CCC5000 Pixim 5. ↑ Описание камеры Fujifilm S5 Pro (англ.) 6. ↑ о матрице Nikon

Wikimedia Foundation.2010.