Матрица (фото)
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
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.
[править] Устройство одного пикселя матрицы
Архитектура пикселей у производителей разная. Здесь приводится архитектура ПЗС пикселя для примера.
[править] Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа
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.
[править] 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 Olympus — использование в качестве объективов так называемых «телецентричных» оптических систем, формирующих световой поток в виде лучей с углом падения, незначительно отличающимся от 90°. Однако это приводит к увеличению габаритов системы в целом и требует, фактически, расчёта новых схем объективов.[1]
- В дальномерных цифровых аппаратах фирмы Leica заявлено использование матрицы большого размера, в которой оси микролинз к краям кадра наклонены для компенсации косого падения лучей на матрицу. Этот метод, при кажущейся простоте (технологически это требует лишь изменения формы штампа, формирующего массив микролинз), не позволяет в полной мере воспользоваться преимуществами светосильной оптики и некоторых широкоугольных объективов.
[править] 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.
[править] Отношение сигнал/шум
 |
Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его. |
[править] 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 ISO 50-25600. Максимальная используемая в массовых фотоаппаратах чувствительность соответствует отношению сигнал/шум 2-5.
[править] Разрешение
|
|
Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его. |
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;
[править] Физический размер матрицы
- 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).
[править] 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).
[править] Пропорции пиксела
Выпускаются матрицы с тремя различными пропорциями пиксела
- Для видеоаппаратуры выпускаются сенсоры с пропорцией пиксела 4:3 (PAL)
- или 3:4 (NTSC)
- Фотографическое, рентгенографическое и астрономическое оборудование, а также развивающееся сейчас HDTV видеооборудование обычно имеет квадратный пиксел.
[править] 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]
[править] ПЗС-матрица
Состоит из светочувствительных фотодиодов, выполнена на основе кремния, использует технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.
[править] 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]
[править] 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.
[править] Матрицы с пикселами различного размера
В фотоаппаратах фирмы Fujifilm применяются матрицы, получившие название «Super CCD», в которых присутствуют зелёные пикселы двух различных размеров. Большие — для малых уровней освещённости. И малые, совпадающие по размеру с синими и красными. Это позволяет увеличить фотографическую широту матрицы на величину до 4-х ступеней.[5]
|
|
Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его. |
[править] Методы получения цветного изображения
Сам по себе пиксель фотоматрицы является «чёрно-белым». Для того, чтобы матрица давала цветное изображение, применяются специальные технические приёмы.
[править] 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.
[править] 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;
[править] 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;
[править] 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);
[править] 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.
[править] Многослойные матрицы (Foveon X3)
Фотодетекторы матрицы X3 компании Foveon расположены в три слоя — синий, зелёный, красный. Название сенсора «Х3» означает его «трёхслойность» и «трёхмерность».
Матрицы X3 применяются в цифровых фотоаппаратах Sigma.
[править] 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.
[править] 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.
[править] См. также
[править] Примечания
 |
Это незавершённая статья о фотографии. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. |
