Fotomatriz
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 7 de julio de 2021; las comprobaciones requieren 9 ediciones .Fotomatriz , matriz o matriz fotosensible : un circuito integrado analógico o digital-analógico especializado , que consta de elementos sensibles a la luz: fotodiodos .
- Diseñado para convertir una imagen óptica proyectada en una señal eléctrica analógica o en un flujo de datos digital (si hay un ADC directamente en la matriz).
- Es el elemento principal de las cámaras digitales , modernas cámaras de vídeo y televisión , cámaras integradas en teléfonos móviles , cámaras para sistemas de videovigilancia y muchos otros dispositivos.
- Se utiliza en detectores ópticos de movimiento de ratones de computadora , escáneres de códigos de barras, escáneres planos y de proyección , sistemas de navegación astronómica y solar.
El dispositivo de matriz de un píxel
La arquitectura de píxeles varía de un fabricante a otro. Por ejemplo, aquí se proporciona la arquitectura del píxel CCD .
Un ejemplo de un subpíxel CCD de bolsillo de tipo n
Designaciones en el esquema del subpíxel de la matriz CCD - matrices con un bolsillo de tipo n:
1 - fotones de luz que han pasado a través de la lente de la cámara ; microlente
de 2 subpíxeles ; filtro de luz roja de
3 subpíxeles R , fragmento de filtro Bayer ; 4 - electrodo transparente hecho de silicio policristalino o una aleación de óxido de indio y estaño; 5 - óxido de silicio; 6 - canal de silicio tipo n: zona de generación de portadores - zona de efecto fotoeléctrico interno ; 7 - zona de pozo de potencial (bolsillo tipo n), donde se recogen los electrones de la zona de generación de portadores de carga ; 8 - Sustrato de silicio tipo p .
Microlente subpíxel
Los registros de desplazamiento de búfer en el CCD, así como el encuadre del píxel CMOS, en la matriz CMOS "comen" una parte significativa del área de la matriz, como resultado, cada píxel obtiene solo el 30% del área sensible a la luz de su superficie total. Para una matriz con transferencia de cuadro completo, esta área es del 70%. Es por eso que en la mayoría de las matrices CCD modernas se instala una microlente sobre el píxel. Un dispositivo óptico tan simple cubre la mayor parte del área del elemento CCD y recoge toda la fracción de fotones que inciden en esta parte en un flujo de luz concentrado que, a su vez, se dirige a un área fotosensible bastante compacta del píxel _
Características de las matrices
La sensibilidad a la luz (en resumen, la sensibilidad), la relación señal-ruido y el tamaño de píxel físico están interconectados sin ambigüedades (para matrices creadas con la misma tecnología). Cuanto mayor sea el tamaño de píxel físico, mayor será la relación señal/ruido resultante para una sensibilidad determinada, o mayor será la sensibilidad para una relación señal/ruido determinada. El tamaño físico de la matriz y su resolución determinan de forma única el tamaño del píxel. El tamaño del píxel determina directamente una característica tan importante como la latitud fotográfica .
Relación señal/ruido
Cualquier cantidad física hace algunas fluctuaciones desde su estado promedio, en ciencia esto se llama fluctuaciones. Por lo tanto, cada propiedad de cualquier cuerpo también cambia, fluctuando dentro de ciertos límites. Esto también es cierto para una propiedad como la fotosensibilidad de un fotodetector, independientemente de cuál sea este fotodetector. La consecuencia de esto es que un determinado valor no puede tener ningún valor particular, sino que varía según las circunstancias. Si, por ejemplo, consideramos un parámetro de fotodetector como "nivel de negro", es decir, el valor de la señal que mostrará el fotodetector en ausencia de luz, entonces este parámetro también fluctuará de alguna manera, incluido este valor. cambiar de un fotodetector a otro si forman algún arreglo (matriz).
Como ejemplo, podemos considerar una película fotográfica ordinaria, donde los fotosensores son granos de bromuro de plata, y su tamaño y “calidad” cambian sin control de un punto a otro (el fabricante del material fotográfico solo puede proporcionar el valor promedio del parámetro y la cantidad de su desviación del valor promedio, pero no los valores específicos en sí mismos este valor en posiciones específicas). Debido a esta circunstancia, la película revelada sin exposición mostrará un ennegrecimiento muy pequeño, pero distinto de cero, que se denomina "velo". Y la fotomatriz de una cámara digital tiene el mismo fenómeno. En la ciencia, este fenómeno se denomina ruido, ya que interfiere con la correcta percepción y visualización de la información, y para que la imagen transmita bien la estructura de la señal original, es necesario que el nivel de la señal supere en cierta medida el nivel. de ruido característico de este dispositivo. A esto se le llama relación señal/ruido. [una]
Sensibilidad
El término equivalente a "sensibilidad" se aplica a las matrices porque:
- dependiendo del propósito de la matriz, el valor de la sensibilidad formal se puede determinar de varias maneras según varios criterios;
- la amplificación de la señal analógica y el posprocesamiento digital pueden cambiar el valor de la sensibilidad de la matriz en un amplio rango.
Para cámaras digitales, el valor de la sensibilidad equivalente puede variar en el rango de 50-102400 ISO . La máxima sensibilidad utilizada en las cámaras de masas corresponde a una relación señal/ruido de 2-5.
Resolución
La fotomatriz digitaliza (divide en partes - "píxeles") la imagen que se forma por la lente de la cámara. Pero, si la lente, debido a una resolución insuficientemente alta, transmite DOS puntos luminosos del objeto, separados por un tercero negro, como un punto luminoso por TRES píxeles consecutivos, entonces no hay necesidad de hablar sobre la resolución exacta de la imagen. por la cámara
En óptica fotográfica, existe una relación aproximada [2] : si la resolución del fotodetector se expresa en líneas por milímetro (o en píxeles por pulgada), lo denotamos como , y también expresamos la resolución de la lente (en su focal plano), denotarlo como , entonces la resolución resultante del sistema de lente + fotodetector, denotado como , se puede encontrar mediante la fórmula:
o .
Esta relación es máxima en , cuando la resolución es igual a , por lo que es deseable que la resolución de la lente corresponda a la resolución del fotodetector.[ aclarar ]
Para las fotomatrices digitales modernas, la resolución está determinada por el tamaño del píxel, que varía para diferentes fotomatrices de 0,0025 mm a 0,0080 mm, y para la mayoría de las fotomatrices modernas es de 0,006 mm. Dado que dos puntos diferirán si hay un tercer punto (no expuesto) entre ellos, entonces la resolución corresponde a una distancia de dos píxeles, es decir:
, donde es el tamaño de píxel.
Las fotomatrices digitales tienen una resolución de 200 líneas por milímetro (para cámaras digitales de gran formato) hasta 70 líneas por milímetro (para cámaras web y teléfonos móviles).
Algunos desarrolladores de cámaras de video, sensores CCD y CMOS consideran que la resolución del sistema (en líneas) es igual al número de píxeles leídos del sensor dividido por 1,5. Dado que al evaluar la resolución de la lente, la medida se toma en pares de mundos de Foucault en blanco y negro por mm (que determinan no un solo pico, sino una frecuencia espacial), entonces el coeficiente para convertir la resolución de la matriz en pares de líneas requiere un factor de corrección de 3.0 [3] .
El tamaño físico de la matriz
Las dimensiones físicas de los fotosensores están determinadas por el tamaño de los píxeles individuales de la matriz, que en los fotosensores modernos tienen un valor de 0,005-0,006 mm. Cuanto mayor sea el píxel, mayor será su área y la cantidad de luz que recoge, por lo tanto, mayor será su sensibilidad a la luz y mejor será la relación señal-ruido (en la fotografía de películas, el ruido se denomina "granulosidad" o "granularidad"). La resolución requerida de los detalles fotográficos determina el número total de píxeles, que en la fotomatriz moderna alcanza decenas de millones de píxeles ( megapíxeles ), y por lo tanto establece las dimensiones físicas de la fotomatriz.
- Las leyes de la óptica determinan la dependencia de la profundidad de campo del tamaño físico de la matriz. Si toma una fotografía con tres cámaras con diferentes tamaños de sensores físicos de la misma escena con el mismo ángulo de visión y el mismo valor de apertura en las lentes, y estudia el resultado (archivo en una computadora, impresión de una impresora) bajo el mismo condiciones, entonces la profundidad de campo en una imagen tomada con una cámara con la matriz más pequeña será la más grande (se mostrarán nítidamente más objetos en el cuadro), y una cámara con la matriz más grande mostrará la profundidad de campo más pequeña (los objetos desenfocado será más borroso).
- Los tamaños de los fotosensores se denominan más comúnmente como "tipo" en unidades fraccionarias de pulgadas (por ejemplo, 1/1,8" o 2/3"), que en realidad es más grande que el tamaño físico real de la diagonal del sensor (ver Vidicon pulgadas ). Estas designaciones se derivan de las designaciones de tamaño de tubo de cámara de TV estándar en la década de 1950. No expresan el tamaño de la diagonal de la matriz en sí, sino el tamaño exterior del bulbo del tubo transmisor. Los ingenieros determinaron rápidamente que, por varias razones, la diagonal del área de imagen utilizable era aproximadamente dos tercios del diámetro del tubo. Esta definición se ha establecido (aunque debería haberse descartado hace mucho tiempo). No existe una relación matemática clara entre el "tipo" de un sensor, expresado en pulgadas, y su diagonal real. Sin embargo, en una aproximación aproximada, podemos suponer que la diagonal es dos tercios del tamaño.
| No. | Tamaño | Diagonales en mm | Tamaño en mm | factor de cultivo |
|---|---|---|---|---|
| una | 13/8" ( película tipo 135 ) | 43.27 | 36×24 | una |
| 2 | Canon APS-H | 33.75 | 28,1 × 18,7 | 1.28 |
| 3 | APS-H Leica | 32.45 | 27×18 | 1.33 |
| cuatro | 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 | Canon APS-C | 26.82 | 22,3 × 14,9 | 1.61 |
| ocho | Foveon X3 | 24.88 | 20,7 × 13,8 | 1.74 |
| 9 | 1.5" | 23.4 | 18,7 × 14,0 | 1.85 |
| diez | 4/3" | 21.64 | 17,3 × 13,0 | 2 |
| once | una" | dieciséis | 12,8 × 9,6 | 2.7 |
| 12 | una" | 15.9 | 13,2 × 8,8 | 2.73 |
| 13 | 1/1,33" | 12 | 9,6 × 7,2 | 3.58 |
| catorce | 2/3" | 11.85 | 8,8 × 6,6 | 3.93 |
| quince | 1/1,63" | diez | 8.0×6.0 | 4.33 |
| dieciséis | 1/1,7" | 9.5 | 7,6 × 5,7 | 4.55 |
| 17 | 1/1,8" | 8.94 | 7,2 × 5,3 | 4.84 |
| Dieciocho | 1/2" | 8.0 | 6,4 × 4,8 | 5.41 |
| 19 | 1/2,3" | 7.7 | 6,16 × 4,62 | 5.62 |
| veinte | 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 | diez |
| 28 | 1/6" | 2.96 | 2,4 × 1,8 | quince |
| 29 | 1/8" | 2.25 | 1,8 × 1,35 | veinte |
Las dimensiones físicas de la matriz de una cámara de video, dependiendo de la relación de aspecto (4:3 o 16:9) y de un fabricante específico con la misma diagonal, son diferentes. Así, por ejemplo, una cámara en una matriz de 1/3'' con una relación de aspecto de 4:3 proporciona un ángulo de visión vertical mayor y uno horizontal más pequeño que una cámara en una matriz con la misma diagonal, pero con un 16: 9 relación de aspecto [4] .
Relación de aspecto del cuadro
- El formato de fotograma 4:3 se utiliza principalmente en cámaras digitales de aficionados. Algunas empresas, como Canon, permiten que estas cámaras ajusten la relación de aspecto en los rangos de 4:3 y 16:9 [5] .
- El formato de fotograma 3:2 se utiliza en las cámaras digitales SLR, excepto en las fabricadas según el estándar 4/3 .
- Se produce una pequeña cantidad de modelos con marco 16: 9.
- Las cámaras SLR digitales de Olympus utilizan un sensor de relación de aspecto de 4:3 (estándar 4/3).
Relación de aspecto de píxeles
Las matrices están disponibles con tres proporciones de píxeles diferentes:
- Para equipos de video, los sensores están disponibles con una proporción de píxeles de 4:3 ( PAL )
- o 3:4 ( NTSC );
- Los equipos fotográficos, radiográficos y astronómicos, así como los equipos de video actualmente en desarrollo para HDTV , suelen tener un píxel cuadrado.
Tipos de matrices según la tecnología aplicada
- CCD -matriz (CCD, "Dispositivo acoplado de carga");
- matriz CMOS (CMOS, "Semiconductor de óxido de metal complementario");
- SIMD WDR ( ing. Amplio rango dinámico ): una especie de matriz CMOS con un marco de píxeles diferente;
- Live-MOS-matrix - MOS - matrix, con una estructura de píxeles más simple que CMOS;
- Súper CCD -matriz - un tipo de CCD-matriz con diferentes tamaños de elementos;
- QuantumFilm: matriz basada en puntos cuánticos, aún no implementada en equipos masivos;
Durante mucho tiempo, las matrices CCD fueron prácticamente el único tipo de fotosensores masivos. La implementación de la tecnología Active Pixel Sensors alrededor de 1993 y el mayor desarrollo de las tecnologías eventualmente llevaron al hecho de que en 2008 las matrices CMOS se convirtieron prácticamente en una alternativa a los CCD [6] .
CCD
La matriz CCD (CCD, "Charge Coupled Device") consiste en fotodiodos sensibles a la luz , está hecha a base de silicio , utiliza tecnología CCD : dispositivos de carga acoplada.
sensor CMOS
La matriz CMOS (CMOS, "Semiconductor de óxido de metal complementario") se basa en la tecnología CMOS . Cada píxel está equipado con un amplificador de lectura y la señal de un píxel en particular se muestrea aleatoriamente, como en los chips de memoria.
La matriz SIMD WDR ( eng. Wide dynamic range ), también realizada sobre la base de la tecnología CMOS, enmarcada por cada píxel, también tiene un sistema automático para configurar su tiempo de exposición, lo que le permite aumentar radicalmente la latitud fotográfica del dispositivo [7] .
Matriz Live-MOS
Creado y utilizado por Panasonic. Hecho sobre la base de la tecnología MOS , sin embargo, contiene menos conexiones por píxel y funciona con menos voltaje. Debido a esto y debido a la transmisión simplificada de registros y señales de control, es posible obtener una imagen "en vivo" en ausencia de sobrecalentamiento y niveles de ruido aumentados tradicionales para tal modo de funcionamiento.
Súper CCD
Las cámaras Fujifilm utilizan matrices denominadas "Super CCD", que contienen píxeles verdes de dos tamaños diferentes: grandes, para niveles bajos de luz, y pequeños, que coinciden en tamaño con el azul y el rojo. Esto le permite aumentar la latitud fotográfica de la matriz hasta en 4 pasos [8] .
Métodos para obtener una imagen en color
El píxel de la fotomatriz en sí es "blanco y negro". Para que la matriz proporcione una imagen en color, se utilizan técnicas especiales.
Sistemas de tres matrices
La luz que entra en la cámara, al caer sobre un par de prismas dicroicos , se divide en tres colores primarios: rojo, verde y azul. Cada uno de estos haces se dirige a una matriz separada (la mayoría de las veces se usan matrices CCD , por lo tanto, la designación 3CCD se usa en el nombre del equipo correspondiente).
Los sistemas de tres matrices se utilizan en videocámaras de gama media y alta .
Ventajas de tres matrices en comparación con una matriz- mejor transmisión de transiciones de color, ausencia total de moiré de color ;
- mayor resolución: no se necesita filtro de desenfoque (paso bajo) para eliminar el muaré;
- mayor sensibilidad a la luz y menor nivel de ruido;
- la posibilidad de introducir corrección de color colocando filtros adicionales frente a matrices individuales, y no frente a la lente de disparo, le permite lograr una reproducción de color significativamente mejor con fuentes de luz no estándar.
- dimensiones generales fundamentalmente más grandes;
- el sistema de tres matrices no se puede utilizar con lentes con una distancia de trabajo corta ;
- en un esquema de tres matrices, existe un problema de convergencia de color , ya que dichos sistemas requieren una alineación precisa, y cuanto más grandes se utilizan las matrices y mayor es su resolución física, más difícil es lograr la clase de precisión requerida.
Matrices de filtro de mosaico
En todas estas matrices, los píxeles están ubicados en el mismo plano y cada píxel está cubierto con un filtro de luz de un color determinado. La información de color faltante se restaura mediante interpolación ( más… ).
Hay varias formas de organizar los filtros. Estos métodos difieren en la sensibilidad y la reproducción del color, mientras que cuanto mayor sea la fotosensibilidad, peor será la reproducción del color:
- RGGB - Filtro Bayer , históricamente el más antiguo;
- RGBW tiene una mayor sensibilidad y latitud fotográfica (normalmente gana en sensibilidad de 1,5 a 2 veces y 1 paso en latitud fotográfica), un caso especial de la matriz RGBW es la matriz Kodak CFAK ;
- RGEB (rojo - verde - esmeralda - azul);
- CGMY (turquesa - verde - lila - amarillo).
Matrices con píxeles a todo color
Hay dos tecnologías que le permiten obtener las tres coordenadas de color de cada píxel. El primero se usa en cámaras Sigma producidas en masa , el segundo, a partir de mediados de 2008, existe solo en forma de prototipo.
Matrices multicapa (Foveon X3)Los fotodetectores de matriz X3 de Foveon están dispuestos en tres capas: azul, verde y rojo. El nombre del sensor "X3" significa "tricapa" y "tridimensional". Las ventajas de este enfoque incluyen la ausencia de distorsiones geométricas en la imagen (moiré). Las desventajas son las altas exigencias del sensor en la iluminación.
Las matrices X3 se utilizan en las cámaras digitales Sigma .
Sensor RGB a todo color de NikonEn las matrices a todo color de Nikon ( patente de Nikon del 9 de agosto de 2007 [9] ), los rayos RGB de los puntos del objeto en cada píxel que contiene una microlente y tres fotodiodos pasan a través de una microlente abierta y caen en el primer espejo dicroico. En este caso, el componente azul pasa por el primer espejo dicroico al detector azul, y los componentes verde y rojo se reflejan en el segundo espejo. El segundo espejo dicroico refleja el componente verde al detector verde y transmite los componentes rojo e infrarrojo. El tercer espejo dicroico refleja el componente rojo al detector y absorbe el componente infrarrojo [10] .
A pesar de que ya se ha creado el prototipo de matriz (2008), es poco probable que esta patente encuentre su aplicación en un futuro próximo debido a importantes dificultades tecnológicas.
En comparación con todos los demás sistemas, excepto los de tres matrices , esta tecnología tiene una ventaja potencial en la eficiencia de salida de luz en comparación con las tecnologías de filtro RGBW o Bayer (la ganancia exacta depende de las características de transmisión de los filtros).
A diferencia de los sistemas 3CCD, este tipo de sensor no requiere una alineación precisa del sistema óptico [9] .
Véase también
- Dispositivo de cámara digital
- Resolución (gráficos por computadora)
- Sistema de fotografía avanzado tipo C (APS-C)
- adaptador DOF de 35 mm
- Exposición (foto)
Notas
- ↑ Señal a ruido, aparatos digitales y astrofotografía . Archivado el 13 de mayo de 2009 en Wayback Machine . Original en inglés . Archivado el 9 de septiembre de 2009 en Wayback Machine .
- ↑ Acerca de la resolución . Consultado el 12 de agosto de 2009. Archivado desde el original el 31 de marzo de 2014.
- ↑ Lonely G.A., Boletín científico y técnico para jóvenes n.º 12, diciembre de 2013, UDC: 621.397.7 . ainsnt.ru . Consultado el 15 de febrero de 2022. Archivado desde el original el 15 de febrero de 2022.
- ↑ Cámaras IP, cámaras megapíxel para videovigilancia a través de Internet. Cámaras de red para videovigilancia en el hogar - cámaras ip
- ↑ sobre el formato 16:9 en dispositivos canon (enlace inaccesible) . Consultado el 10 de junio de 2008. Archivado desde el original el 13 de junio de 2008.
- ↑ CCD vs CMOS: hechos y ficciones Archivado el 27 de febrero de 2008 en Wayback Machine .
- ↑ Descripción de la cámara Pelco CCC5000 Pixim WDR . Consultado el 3 de junio de 2008. Archivado desde el original el 1 de noviembre de 2011.
- ↑ Descripción de la cámara Fujifilm S5 Pro . Archivado el 3 de diciembre de 2007 en Wayback Machine .
- ↑ 12 EE . UU. _ Patente 7 138 663
- ↑ sobre el sensor Nikon . Consultado el 15 de agosto de 2007. Archivado desde el original el 19 de agosto de 2007.
Literatura
- Yu.R. Nosov, V. A. Shilin. Fundamentos de física de dispositivos de carga acoplada. - M. : Nauka, 1986. - 318 p.
- por. De inglés. / Ed. M. Howes, D. Morgan. Cargue los dispositivos acoplados. — M. : Energoizdat, 1981. — 372 p.
- Seken K., Thompset M. Dispositivos con transferencia de carga / Per. De inglés. ed. V. V. Pospelova, R.A. Suris. - M. : Mir, 1978. - 327 p.
- edición P. Jespers, F. Van de Wiele, M. White; por. De inglés. edición R. A. Suris. Formadores de señal de imagen de semiconductores. - M. : Mir, 1979. - 573 p.