Photomatrix

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 7.7.2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 9 muokkausta .

Valomatriisi , matriisi tai valoherkkä matriisi  - erikoistunut analoginen tai digitaalinen analoginen integroitu piiri , joka koostuu valoherkistä elementeistä - valodiodeista .

Yhden pikselimatriisin laite

Pikseliarkkitehtuuri vaihtelee valmistajittain. Esimerkiksi CCD - pikselin arkkitehtuuri on annettu tässä.

Esimerkki n-tyypin tasku-CCD-alipikselistä

CCD-matriisin alipikselikaavion merkinnät  - matriisit, joissa on n-tyyppinen tasku:
1  - valon fotonit , jotka ovat kulkeneet kameran linssin läpi ;
2  - subpikselin mikrolinssi ;
3  - R - alapikselin punaisen valon suodatin , Bayer - suodatinfragmentti ;
4  - läpinäkyvä elektrodi , joka on valmistettu monikiteisestä piistä tai indiumin ja tinaoksidin seoksesta;
5  - piioksidi;
6  - n-tyypin piikanava: kantoaallon generointivyöhyke - sisäinen valosähköinen vaikutusalue ;
7  - potentiaalikuoppavyöhyke (n-tyypin tasku), jossa elektronit kerätään varauksenkuljettajan generointivyöhykkeeltä ;
8 - p - tyyppinen  piisubstraatti .

Subpikselin mikrolinssi

CCD:n puskurinsiirtorekisterit, samoin kuin CMOS-pikselin kehystys, CMOS-matriisissa "syövät" merkittävän osan matriisialueesta, minkä seurauksena jokainen pikseli saa vain 30 % valoherkästä alueesta. sen kokonaispinnasta. Matriisissa, jossa on täyskuvan siirto, tämä alue on 70 %. Siksi useimmissa nykyaikaisissa CCD-matriiseissa mikrolinssi on asennettu pikselin yläpuolelle. Tällainen yksinkertainen optinen laite kattaa suurimman osan CCD-elementin pinta-alasta ja kerää koko osan tähän osaan osuvista fotoneista tiivistetyksi valovirraksi , joka puolestaan ​​on suunnattu melko kompaktille valoherkälle alueelle. pikseli .

Matriisien ominaisuudet

Valoherkkyys (lyhyesti sanottuna herkkyys), signaali-kohinasuhde ja fyysinen pikselikoko ovat yksiselitteisesti yhteydessä toisiinsa (samaa tekniikkaa käyttämällä luoduille matriiseille). Mitä suurempi fyysinen pikselikoko on, sitä suurempi signaali-kohinasuhde on tietyllä herkkyydellä tai sitä suurempi on tietyn signaali-kohinasuhteen herkkyys. Matriisin fyysinen koko ja sen resoluutio määräävät yksiselitteisesti pikselin koon. Pikselikoko määrittää suoraan sellaisen tärkeän ominaisuuden kuin valokuvausleveysaste .

Signaali-kohinasuhde

Mikä tahansa fyysinen määrä tekee jonkin verran vaihteluita keskimääräisestä tilastaan, tieteessä tätä kutsutaan fluktuaatioiksi. Siksi minkä tahansa kehon jokainen ominaisuus muuttuu myös tietyissä rajoissa. Tämä pätee myös sellaiseen ominaisuuteen kuin valontunnistimen valoherkkyys, riippumatta siitä, mikä tämä valoilmaisin on. Tästä seuraa, että tietyllä arvolla ei voi olla mitään erityistä arvoa, vaan se vaihtelee olosuhteiden mukaan. Jos esimerkiksi pidämme tällaista valoilmaisimen parametria "mustana tasona", eli sen signaalin arvona, jonka valoilmaisin näyttää valon puuttuessa, tämä parametri myös vaihtelee jollakin tavalla, mukaan lukien tämä arvo vaihtaa valoilmaisimesta toiseen, jos ne muodostavat jonkin taulukon (matriisin).

Esimerkkinä voidaan ottaa tavallinen valokuvafilmi, jossa valoanturit ovat hopeabromidirakeita ja niiden koko ja "laatu" muuttuvat hallitsemattomasti pisteestä toiseen (valokuvamateriaalin valmistaja voi toimittaa vain parametrin keskiarvon ja sen poikkeama keskiarvosta, mutta ei itse arvot, tämä arvo tietyissä paikoissa). Tästä syystä ilman valotusta kehitetyssä elokuvassa näkyy jonkin verran, hyvin pientä, mutta ei-nolla-musttumista, jota kutsutaan "verhoksi". Ja digitaalikameran fotomatriisissa on sama ilmiö. Tieteessä tätä ilmiötä kutsutaan kohinaksi, koska se häiritsee tiedon oikeaa havaitsemista ja näyttämistä, ja jotta kuva välittää alkuperäisen signaalin rakenteen hyvin, signaalin taso on jossain määrin ylitettävä tason. tälle laitteelle ominaista melua. Tätä kutsutaan signaali-kohinasuhteeksi. [yksi]

Herkkyys

Termiä "herkkyys" vastaavaa termiä käytetään matriiseihin, koska:

Digikameroiden vastaavan herkkyyden arvo voi vaihdella välillä 50-102400 ISO . Massakameroissa käytetty maksimiherkkyys vastaa signaali-kohinasuhdetta 2-5.

Resoluutio

Fotomatriisi digitoi (jakaa osiin - "pikseleiksi") kameran linssin muodostaman kuvan. Mutta jos objektiivi välittää riittämättömän korkean resoluution vuoksi kohteen KAKSI valopistettä erotettuna kolmannella mustalla yhtenä valopisteenä kolmea peräkkäistä pikseliä kohden, kuvan tarkkuudesta ei tarvitse puhua. kameran toimesta.

Valokuvausoptiikassa on likimääräinen suhde [2] : jos valoilmaisimen resoluutio ilmaistaan ​​viivoina millimetriä kohti (tai pikseleinä tuumaa kohti), merkitsemme sitä ja ilmaisemme myös objektiivin resoluution (sen polttopisteessä) taso), merkitse se muodossa , jolloin tuloksena oleva linssi + valoilmaisinjärjestelmän resoluutio, joka on merkitty nimellä , löytyy kaavasta:

tai .

Tämä suhde on suurin kohdassa , kun resoluutio on yhtä suuri kuin , joten on toivottavaa, että linssin resoluutio vastaa valoilmaisimen resoluutiota.[ selventää ]

Nykyaikaisissa digitaalisissa fotomatriiseissa resoluutio määräytyy pikselikoon mukaan, joka vaihtelee eri fotomatriiseilla välillä 0,0025 mm - 0,0080 mm, ja useimmissa nykyaikaisissa fotomatriiseissa se on 0,006 mm. Koska kaksi pistettä eroavat toisistaan, jos niiden välillä on kolmas (valottamaton) piste, resoluutio vastaa kahden pikselin etäisyyttä, eli:

, missä  on pikselikoko.

Digitaalisten fotomatriisien resoluutio on 200 riviä millimetriä kohden (suurkokoisille digitaalikameroille) jopa 70 riviä millimetriä kohti (verkkokameroita ja matkapuhelimia varten).

Jotkut videokameroiden, CCD:n ja CMOS-antureiden kehittäjät pitävät järjestelmän resoluutiota (riveinä) yhtä suurena kuin anturista luettujen pikselien lukumäärä jaettuna 1,5:llä. Koska linssin resoluutiota arvioitaessa mittaus tehdään mustavalkoisten Foucault- maailmojen pareina per mm (jotka eivät määritä yhtä huippua, vaan spatiaalista taajuutta), niin kerroin matriisin resoluution muuntamiseksi pareiksi rivit vaatii korjauskertoimen 3,0 [3] .

Matriisin fyysinen koko

Valosensorien fyysiset mitat määräytyvät matriisin yksittäisten pikselien koon mukaan, joiden arvo nykyaikaisissa valoantureissa on 0,005-0,006 mm. Mitä suurempi pikseli on, sitä suurempi on sen pinta-ala ja sen keräämän valon määrä, joten sitä suurempi on sen valoherkkyys ja sitä parempi signaali-kohinasuhde ( filmikuvauksessa kohinaa kutsutaan rakeisuudeksi tai rakeisuudeksi). Valokuvien yksityiskohtien vaadittava resoluutio määrittää pikselien kokonaismäärän, joka nykyaikaisessa fotomatriisissa saavuttaa kymmeniä miljoonia pikseleitä ( Megapikseliä ), ja siten määrittää fotomatriisin fyysiset mitat.

Matriisien fyysiset mitat
Ei. Koko Diagonaali mm Koko mm satokerroin
yksi 13/8" ( kalvotyyppi 135 ) 43.27 36×24 yksi
2 APS-H Canon 33,75 28,1 × 18,7 1.28
3 APS-H Leica 32.45 27×18 1.33
neljä 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
kahdeksan Foveon X3 24.88 20,7 × 13,8 1.74
9 1,5" 23.4 18,7 × 14,0 1.85
kymmenen 4/3" 21.64 17,3 × 13,0 2
yksitoista yksi" 16 12,8 × 9,6 2.7
12 yksi" 15.9 13,2 × 8,8 2.73
13 1/1,33" 12 9,6 × 7,2 3.58
neljätoista 2/3" 11.85 8,8 × 6,6 3.93
viisitoista 1/1,63" kymmenen 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
kahdeksantoista 1/2" 8.0 6,4 × 4,8 5.41
19 1/2,3" 7.7 6,16 × 4,62 5.62
kaksikymmentä 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 kymmenen
28 1/6" 2.96 2,4 × 1,8 viisitoista
29 1/8" 2.25 1,8 × 1,35 kaksikymmentä

Videokameran matriisin fyysiset mitat kuvasuhteesta (4:3 tai 16:9) ja tietystä valmistajasta, jolla on sama diagonaali, ovat erilaisia. Siksi esimerkiksi kamera 1/3 tuuman matriisissa, jonka kuvasuhde on 4:3, tarjoaa suuremman pystysuuntaisen katselukulman ja pienemmän vaakasuoran katselukulman kuin kamera matriisissa, jolla on sama diagonaali, mutta jonka kuvasuhde on 16: 9 kuvasuhde [4] .

Kehyksen kuvasuhde

Pikselin kuvasuhde

Matriiseja on saatavana kolmella eri pikselisuhteella:

Matriisityypit sovelletun tekniikan mukaan

CCD-matriisit olivat pitkään käytännöllisesti katsoen ainoa massatyyppinen valoanturi. Active Pixel Sensors -teknologian käyttöönotto vuoden 1993 tienoilla ja teknologioiden jatkokehitys johtivat lopulta siihen, että vuoteen 2008 mennessä CMOS-matriiseista tuli käytännössä vaihtoehto CCD:ille [6] .

CCD

CCD-matriisi (CCD, "Charge Coupled Device") koostuu valoherkistä valodiodeista , on valmistettu piin pohjalta , käyttää CCD -tekniikkaa  - latauskytkettyjä laitteita.

CMOS-kenno

CMOS-matriisi (CMOS, "Complementary Metal Oxide Semiconductor") perustuu CMOS-tekniikkaan . Jokainen pikseli on varustettu lukuvahvistimella, ja tietystä pikselistä tuleva signaali näytteistetään satunnaisesti, kuten muistisiruissa.

SIMD WDR ( eng.  Wide dynamic range ) matriisi, joka on myös valmistettu CMOS-tekniikalla ja joka kehystetty jokaisella pikselillä, sisältää myös automaattisen valotusajan asettamisjärjestelmän, jonka avulla voit suurentaa laitteen valokuvausleveyttä radikaalisti [ 7 ] .

Live-MOS-matriisi

Panasonicin luoma ja käyttämä. Se on valmistettu MOS-tekniikalla , mutta se sisältää vähemmän yhteyksiä pikseliä kohden ja saa virtansa pienemmällä jännitteellä. Tästä johtuen sekä rekisterien ja ohjaussignaalien yksinkertaistetusta lähetyksestä johtuen on mahdollista saada "elävä" kuva ilman sellaiselle toimintatavalle perinteisesti ylikuumenemista ja kohonneita kohinatasoja.

Super CCD

Fujifilm - kameroissa käytetään "Super CCD" -nimiä matriiseja, jotka sisältävät kahden erikokoisen vihreitä pikseleitä: suuria, heikossa valaistuksessa, ja pieniä, joiden koko on sama kuin sininen ja punainen. Tämän avulla voit lisätä matriisin valokuvausleveysastetta jopa 4 askelta [8] .

Menetelmät värikuvan saamiseksi

Itse fotomatriisipikseli on "mustavalkoinen". Jotta matriisi antaisi värillisen kuvan, käytetään erityisiä tekniikoita.

Kolmimatriisijärjestelmät

Kameraan tuleva valo, joka putoaa dikroisen prisman parille , on jaettu kolmeen pääväriin: punainen, vihreä ja sininen. Jokainen näistä säteistä on suunnattu erilliseen matriisiin (useimmiten käytetään CCD-matriiseja , joten vastaavan laitteen nimessä käytetään nimitystä 3CCD).

Kolmimatriisijärjestelmiä käytetään keski- ja huippuluokan videokameroissa .

Kolmen matriisin edut yhden matriisin kanssa
  • värisiirtymien parempi välitys, värimoireen täydellinen puuttuminen ;
  • korkeampi resoluutio: ei tarvita sumentavaa (alipäästö-) suodatinta moiren poistamiseen;
  • korkeampi valoherkkyys ja matalampi melutaso;
  • mahdollisuus ottaa käyttöön värinkorjaus asettamalla lisäsuodattimia yksittäisten matriisien eteen, ei kuvausobjektiivin eteen, mahdollistaa huomattavasti paremman värintoiston epästandardeilla valonlähteillä.
Kolmen matriisin haitat yksittäisiin matriisiin verrattuna
  • olennaisesti suuremmat kokonaismitat;
  • kolmen matriisijärjestelmää ei voi käyttää objektiivien kanssa, joiden työskentelyetäisyys on lyhyt ;
  • kolmen matriisin mallissa on värien konvergenssiongelma , koska tällaiset järjestelmät vaativat tarkan kohdistuksen, ja mitä suurempia matriiseja käytetään ja mitä suurempi niiden fyysinen resoluutio on, sitä vaikeampaa on saavuttaa vaadittu tarkkuusluokka.

Mosaiikkisuodatinmatriisit

Kaikissa tällaisissa matriiseissa pikselit sijaitsevat samassa tasossa ja jokainen pikseli on peitetty tietynvärisellä valosuodattimella . Puuttuvat väritiedot palautetaan interpoloimalla ( lisää… ).

Suodattimien järjestämiseen on useita tapoja. Nämä menetelmät eroavat herkkyydestä ja värintoistosta, kun taas mitä suurempi valoherkkyys, sitä huonompi värintoisto:

  • RGGB - Bayer-suodatin , historiallisesti aikaisin;
  • RGBW :llä on suurempi herkkyys ja valokuvausleveysaste (yli herkkyys 1,5-2 kertaa ja 1 askel valokuvausleveysasteella), RGBW-matriisin erikoistapaus on Kodak CFAK -matriisi ;
  • RGEB (punainen - vihreä - smaragdi - sininen);
  • CGMY (turkoosi - vihreä - lila - keltainen).

Matriisit täysillä väripikseleillä

On olemassa kaksi tekniikkaa, joiden avulla voit saada kaikki kolme värikoordinaattia kustakin pikselistä. Ensimmäistä käytetään massatuotetuissa Sigma -kameroissa , toista - vuoden 2008 puolivälistä lähtien - on olemassa vain prototyypin muodossa.

Monikerroksiset matriisit (Foveon X3)

Foveonin X3 matriisivalodetektorit on järjestetty kolmeen kerrokseen - sininen, vihreä, punainen. Anturin nimi "X3" tarkoittaa sen "kolmikerroksista" ja "kolmiulotteista". Tämän lähestymistavan etuja ovat geometristen vääristymien puuttuminen kuvasta (moiré). Haittoja ovat anturin korkeat vaatimukset valaistukselle.

Sigma -digitaalikameroissa käytetään X3-matriiseja .

Nikonin täysvärinen RGB-kenno

Nikonin täysvärimatriiseissa ( Nikonin patentti, päivätty 9. elokuuta 2007 [9] ) kunkin yhden mikrolinssin ja kolme fotodiodia sisältävän pikselin kohdepisteiden RGB-säteet kulkevat avoimen mikrolinssin läpi ja putoavat ensimmäiseen dikroiseen peiliin. Tässä tapauksessa ensimmäinen dikroinen peili välittää sinisen komponentin siniselle ilmaisimelle ja vihreä ja punainen komponentti heijastuu toiseen peiliin. Toinen dikroinen peili heijastaa vihreän komponentin vihreään ilmaisimeen ja lähettää punaisen ja infrapunakomponentin. Kolmas dikroinen peili heijastaa punaisen komponentin ilmaisimeen ja absorboi infrapunakomponentin [10] .

Huolimatta siitä, että matriisiprototyyppi on jo luotu (2008), tämä patentti ei todennäköisesti löydä sovellusta lähitulevaisuudessa merkittävien teknisten vaikeuksien vuoksi.

Verrattuna kaikkiin muihin järjestelmiin paitsi kolmimatriisiin , tällä tekniikalla on mahdollinen etu valotehokkuuden suhteen verrattuna RGBW- tai Bayer-suodatinteknologioihin (tarkka vahvistus riippuu suodattimien siirto-ominaisuuksista).

Toisin kuin 3CCD-järjestelmät, tämän tyyppiset anturit eivät vaadi optisen järjestelmän tarkkaa kohdistusta [9] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Signaali-kohina, digitaaliset laitteet ja astrovalokuvaus Arkistoitu 13. toukokuuta 2009 Wayback Machinessa Original in English Arkistoitu 9. syyskuuta 2009 Wayback Machinessa
  2. ↑ Tietoja resoluutiosta . Haettu 12. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 31. maaliskuuta 2014.
  3. ↑ Lonely G.A., Youth Scientific and Technical Bulletin # 12, joulukuu 2013, UDC: 621.397.7 . ainsnt.ru . Haettu 15. helmikuuta 2022. Arkistoitu alkuperäisestä 15. helmikuuta 2022.
  4. ↑ IP-kamerat, megapikselikamerat videovalvontaan Internetissä. Verkkokamerat videovalvontaan kotona - ip-kamerat
  5. ↑ noin 16:9-muodossa canon-laitteissa (linkki ei saavutettavissa) . Haettu 10. kesäkuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 13. kesäkuuta 2008. 
  6. ↑ CCD vs CMOS: faktoja ja fiktiota Arkistoitu 27. helmikuuta 2008 Wayback Machinessa 
  7. ↑ Pelco CCC5000 Pixim WDR - kameran kuvaus . Haettu 3. kesäkuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 1. marraskuuta 2011.
  8. ↑ Fujifilm S5 Pro -kameran kuvaus Arkistoitu 3. joulukuuta 2007 Wayback Machinessa 
  9. ↑ 12 U.S. _ Patentti 7 138 663
  10. ↑ Nikon-kennosta . Haettu 15. elokuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 19. elokuuta 2007.

Kirjallisuus

  • Yu.R. Nosov, V.A. Shilin. Varauskytkentäisten laitteiden fysiikan perusteet. - M .: Nauka, 1986. - 318 s.
  • per. englannista. /Toim. M. Howes, D. Morgan. Lataa kytkettyjä laitteita. — M .: Energoizdat, 1981. — 372 s.
  • Seken K., Thompset M. Varauksensiirrolla varustetut laitteet / Per. englannista. Ed. V.V. Pospelova, R.A. Suris. - M . : Mir, 1978. - 327 s.
  • toim. P. Jespers, F. Van de Wiele, M. White; per. englannista. toim. R. A. Suris. Puolijohdekuvasignaalinmuodostajat. - M .: Mir, 1979. - 573 s.