Наименьший по площади датчик изображения: Полнокадровый датчик: достоинства и недостатки

Leave a comment

Содержание

Полнокадровый датчик: достоинства и недостатки

В этой статье мы обсудим несколько мифов, а также достоинства и недостатки полнокадрового датчика и объясним, как он может повлиять на различные типы фотографий. Также рассмотрим способы точной настройки съемочной техники, чтобы вы могли в полную силу использовать свою полнокадровую камеру.

Для наглядных примеров здесь использовали полнокадровую Nikon D600 и Nikon с сенсором APS-C. Мы не станем вдаваться в уникальные спецификации каждого производителя фотоаппаратов, это может показаться непонятным и отвлечь вас от дискуссии по нашей теме. Но обсуждаемые ниже принципы, будут в одинаковой мере актуальны для полнокадровых зеркалок Canon, Sony, Leica или любой другой марки.

Что такое полный кадр?

«Полный кадр» это термин, используемый для описания камер, у которых такой же размер датчика, как в 35-миллиметровом пленочном фотоаппарате с размером 36 мм х 24 мм. Но большинство зеркалок, используют сенсор размером примерно 24 мм х 16 мм.

Это близко к формату кадра APS-C, поэтому их часто называют камерами с форматом APS-C. Nikon выпускает фотоаппараты в обоих размерах, но использует свои собственные обозначения. Его полнокадровые модели обозначаются «FX», а APS-C камеры, как «DX».

Изначально почти все зеркалки использовали меньший формат APS-C. Сенсорная технология находилась в стадии зарождения, и производство больших датчиков было слишком дорогим удовольствием.

За последние несколько лет полнокадровые камеры стали менее дорогостоящими, и, хотя Nikon D3, D3s и D3x предлагаются потребителям по цене профессиональных зеркалок, Nikon D800 и D600, выпущенные в 2012 году, стоят гораздо меньше. Цену на них низкой все еще не назовешь, но они боле доступны.

Полнокадровый датчик Nikon

Чем больше, тем лучше

Во времена пленочной фотографии считалось, что чем больше негатив, тем лучшего качества получится изображение. То же самое относится и к цифровым датчикам. Полнокадровая матрица Nikon FX в полтора раза шире, чем сенсор формата DX. Это влияет на качество фотографий.

В общем, снимки, сделанные полнокадровой камерой, четче, с большей детализацией, с плавным переходом в зоне полутонов, с более широким тональным диапазоном и большим ощущением «глубины».

Поэтому все больше энтузиастов и любителей фотографии будут задумываться о переходе с камеры DX-формата Nikon (или любой другой марки) на полнокадровую модель.

Несмотря на улучшенное качество, которое легко продемонстрировать, есть и недостатки. Зеркальные фотоаппараты Nikon DX-формата не только дешевле, они во многих отношениях проще в использовании и более практичны.

Совместимость объективов с полнокадровым датчиком

Другой вопрос всплывает при переходе на полнокадровый формат и это касается объективов. Корпус камеры у вас может быть сегодня один, а завтра другой, чего не скажешь об объективе, инвестиции в который можно считать долгосрочными.

Годы тому назад вы могли купить Nikon D50 и он может быть устаревшим, но объектив, которым вы тогда обзавелись, не утратил своей актуальности.

Компания Nikon одновременно с выпуском цифровых зеркальных камер DX-формата наладила для них производство и целого ряда объективов DX-формата. Поэтому, если вы решили перейти на полнокадровый формат FX, то вам наверняка придется вкладывать значительные средства в новые объективы.

Вы можете использовать объективы DX-формата на FX камере, но только в режиме «crop». Фотоаппарат ограничивает область используемого датчика до размера DX в виде прямоугольника по середине, поэтому вы не получаете выгоды от полного разрешения датчика.

Например, в режиме «crop» 36-мегапиксельная D800 будет создавать изображения на 15.3 МП. В таком случае 16-мегапиксельная D600 снизит разрешение до 6.8 МП. Таким образом, DX-объективы не особенно перспективны.

Конечно, у вас уже могут быть некоторые объективы FX, например, 70-300мм f/4. 5-5.6 телефото зум от Nikon, который пользуется популярностью среди владельцев зеркальных камер DX-формата, хотя на самом деле это объектив формата FX.

Если вы подумываете о переходе в будущем на камеру FX, то уже сейчас начните инвестировать в объективы FX-формата, потому что они будут работать на любом зеркальном фотоаппарате DX-формата Nikon. На изображении ниже наглядно проиллюстрировано, что происходит, когда вы комбинируете сенсор и объектив разного формата.

Кроп-фактор

Другая большая разница между форматами DX и FX это то, что они подразумевают под углом зрения объектива. Датчик DX фиксирует меньшую область изображения, поэтому оно выглядит, как будто вы используете объектив с большим фокусным расстоянием.

Если вы установите 50-мм объектив на камеру DX, то фотографии будут выглядеть, словно они были сделаны с 75-мм объективом. Это так называемый «кроп-фактор». Фотографы также называют его «эквивалентным фокусным расстоянием», но на самом деле это одно и то же.

Кроп-фактор DX датчика Nikon составляет 1.5, это означает, что вы умножаете фактическое фокусное расстояние объектива на 1.5, чтобы получить эквивалентное фокусное расстояние.

Это может работать в вашу пользу с камерами DX. Например, если у вас есть объектив Nikon 300мм с f/2.8, который установлен на D7000, то он фактически становится 450-миллиметровым с f/2.8!

Если в будущем вы перейдете на полнокадровую камеру, к примеру, на D800, то ваш 300мм f/2.8 объектив будет по-прежнему нормально работать, как обычный 300 мм.

Есть много вещей, которые следует учитывать при выборе между форматами DX и FX, в том числе практические и технические нюансы.

Почему отличается глубина резкости

Теоретически, объективы должны давать одинаковую глубину резкости на камерах обоих форматов FX и DX, так почему же FX камеры, создают менее расфокусированный фон?

Как правило, на камере FX вам нужно закрыть диафрагму примерно на 1/3 остановки, чтобы получить аналогичную глубину резкости, как с камерой DX-формата.

Почему это происходит? Потому, что фактически вы используете не один и тот же объектив на обеих камерах. Меньший датчик на модели DX означает, что вы можете использовать менее длинное фокусное расстояние, чтобы получить тот же угол зрения.

Например, если вы используете 50-мм объектив на камере FX, то на DX камеру вам нужно установить 35-мм объектив, чтобы получить тот же угол зрения — и 35-мм объектив даст гораздо больше глубины резкости из-за своего короткого фокусного расстояния.

Как снимать с полнокадровым датчиком

Вам нужно усовершенствовать свою съемочную технику, чтобы правильно использовать преимущества полнокадрового датчика. Вот как это сделать.

Инвестиции в объективы
Вы потеряете преимущество от широкого разрешения датчика, если будете использовать старые или дешевые объективы. Хорошим выбором будут новые 24-85мм VR от Nikon, или 24-70мм f/2.8.

Фокусировка
Точка фокусировки имеет решающее значение для использования дополнительного разрешения. Ручная фокусировка не всегда срабатывает достаточно точно, более точным может оказаться автофокус.

Настройка диафрагмы
Вам потребуется отверстие на одну остановку меньше, чтобы получить глубину резкости как на камере DX. Избегайте значения диафрагмы меньшее, чем f/11, потому что дифракция повлияет на резкость.

«Безопасная» скорость затвора
Вместо скорости 1/30 сек с 30-мм объективом, попробуйте, например, использовать 1/60 сек или даже 1/125 сек.

Используйте штатив
Чтобы обеспечить максимальную резкость в изображении, используйте штатив. Выберите качественный, он не только будет отличаться прочностью, но и снизит вибрацию от передвигающихся мимо машин и людей.

Улучшение памяти
Карты памяти на 8Гб может быть вполне достаточно на вашем 16-мегапиксельном фотоаппарате DX-формата. Но в D800 ее хватит лишь для 103 несжатых RAW файлов.

Как влияет на ваши фотографии полнокадровый датчик

Увеличение размера датчика до полнокадрового влияет на внешний вид ваших фотографий.

Речь идет не только о мегапикселях.

1. Качество изображения
Полнокадровые фотографии, как правило, лучше детализированы и имеют больший динамический диапазон, чем изображения, снятые зеркалкой DX-формата. С хорошим объектом в подходящих условиях съемки качественное преимущество становится очевидным.

2. Ощущение глубины
Малая глубина резкости, которую вы получите при съемке с полнокадровой камерой, добавляет фотографии сильное ощущение глубины. Она может помешать получить максимальную глубину резкости, к которой вы стремитесь, например, в пейзажной фотографии.

3. Фотографии при низком свете
При одинаковом количестве мегапикселей полнокадровая камера будет давать лучшие результаты при высоких значениях ISO. Производительность такого фотоаппарата, как Nikon D4 поражает своими возможностями. Вам придется долго повышать значения ISO прежде, чем шумы в изображении станут видимыми.

Плюсы и минусы полнокадрового датчика

Обмен на больший формат не без вопросов . ..

Положительные стороны полнокадрового датчика:

• Малая глубина резкости, поэтому создается эффект глубины в изображении.
• Увеличенное количество пикселей способствует высокой производительности ISO и улучшает динамический диапазон.
• Объективы функционируют с «истинным» фокусным расстоянием, поэтому нет необходимости учитывать кроп-фактор.
• Высокое разрешение от большей площади датчика и большего количества мегапикселей.
• Более крупный корпус, что актуально для фотографов с большими руками.
• Вы можете печатать крупноформатные фотографии и у вас есть больше свободы при кадрировании.

Недостатки полнокадрового датчика:

• Сложнее получить достаточную глубину резкости для кадров с боке.
• Вам потребуются дополнительно лучшие объективы и аксессуары, чтобы использовать любые преимущества в области качества.
• Завышенная стоимость. Например, камера D7000 в два раза дешевле, чем D600, у которой очень схожие черты.
• Большие размеры файлов могут быстро заполнить карту памяти и выдвигают высокие требования к компьютеру.
• На камере DX вы можете использовать все объективы, но только специальные FX-объективы позволяют реализовать потенциал полнокадровой камеры.
• Телеобъективы на камере FX не дадут того же фокусного расстояния, как с DX камерой, у которой 1.5-кратный кроп-фактор.

Как работает цифровой фотоаппарат

Для полного контроля над процессом получения цифрового изображения необходимо хотя бы в общих чертах представлять себе устройство и принцип работы цифрового фотоаппарата.

Единственное принципиальное отличие цифровой камеры от плёночной заключается в природе используемого в них светочувствительного материала. Если в плёночной камере это плёнка, то в цифровой – светочувствительная матрица. И как традиционный фотографический процесс неотделим от свойств плёнки, так и цифровой фотопроцесс во многом зависит от того, как матрица преобразует свет, сфокусированный на неё объективом, в цифровой код.

Принцип работы фотоматрицы

Светочувствительная матрица или фотосенсор представляет собой интегральную микросхему (проще говоря, кремниевую пластину), состоящую из мельчайших светочувствительных элементов – фотодиодов.

Матрица фотоаппарата Nikon D4

Существует два основных типа сенсоров: ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью, он же CCD – Charge-Coupled Device) и КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, он же CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Матрицы обоих типов преобразовывают энергию фотонов в электрический сигнал, который затем подлежит оцифровке, однако если в случае с ПЗС матрицей сигнал, сгенерированный фотодиодами, поступает в процессор камеры в аналоговой форме и лишь затем централизованно оцифровывается, то у КМОП матрицы каждый фотодиод снабжён индивидуальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и данные поступают в процессор уже в дискретном виде. В целом, различия между КМОП и ПЗС матрицами хоть и принципиальны для инженера, но абсолютно несущественны для фотографа. Для производителей же фотооборудования имеет значение ещё и тот факт, что КМОП матрицы, будучи сложнее и дороже ПЗС матриц в разработке, оказываются при этом выгоднее последних при массовом производстве. Так что будущее, скорее всего, за технологией КМОП в силу чисто экономических причин.

Фотодиоды, из которых состоит любая матрица, обладают способностью преобразовывать энергию светового потока в электрический заряд. Чем больше фотонов улавливает фотодиод, тем больше электронов получается на выходе. Очевидно, что чем больше совокупная площадь всех фотодиодов, тем больше света они могут воспринять и тем выше светочувствительность матрицы.

К сожалению, фотодиоды не могут быть расположены вплотную друг к другу, поскольку тогда на матрице не осталось бы места для сопутствующей фотодиодам электроники (что особенно актуально для КМОП матриц). Восприимчивая к свету поверхность сенсора составляет в среднем 25-50 % от его общей площади. Для уменьшения потерь света каждый фотодиод накрыт микролинзой, превосходящей его по площади и фактически соприкасающейся с микролинзами соседних фотодиодов. Микролинзы собирают падающий на них свет и направляют его внутрь фотодиодов, повышая таким образом светочувствительность сенсора.

Основа любой фотографии – свет. Он проникает в камеру через объектив, линзы которого формируют изображение предмета на светочувствительной матрице. При нажатии на кнопку спуска затвор камеры открывается (как правило, на доли секунды) и происходит экспонирование кадра, т.е. освещение матрицы потоком света заданной интенсивности. В зависимости от желания получить светлый или тёмный снимок, может потребоваться различное количество света, т.е. различная экспозиция.

По завершении экспонирования электрический заряд, сгенерированный каждым фотодиодом, считывается, усиливается и с помощью аналого-цифрового преобразователя превращается в двоичный код заданной разрядности, который затем поступает в процессор фотоаппарата для последующей обработки. Каждому фотодиоду матрицы соответствует (хоть и не всегда) один пиксель будущего изображения.

Разрядность определяет количество оттенков, т. е. градаций яркости для каждого пикселя. Чем выше разрядность, тем более плавные тональные переходы способна запечатлеть камера. Большинство цифровых зеркальных камер способно сохранять 12 или 14 бит информации для каждого пикселя. 12 бит означает 2¹²=4096 оттенков, а 14 бит – 2¹⁴=16384 оттенка.

Динамический диапазон

Под динамическим диапазоном матрицы подразумевают отношение между максимальным уровнем сигнала фотодиодов и уровнем фонового шума матрицы, т.е., по сути, – отношение между максимальной и минимальной интенсивностью света, которые матрица способна воспринять.

Чем больше фотонов способен уловить фотодиод до того, как он достигнет насыщения, тем большим динамическим диапазоном будет обладать сенсор в целом. Ёмкость фотодиодов пропорциональна их физическому размеру, а потому, при прочих равных условиях, фотоаппарат с бо́льшей матрицей, а значит, и с более крупными фотодиодами, будет обладать большим динамическим диапазоном и меньшим уровнем шума.

Кроме того, бо́льшая матрица обычно означает более высокое максимальное значение чувствительности ISO для конкретной модели фотоаппарата. Ведь повышение ISO в цифровой камере – это всего лишь усиление электрического сигнала непосредственно перед его оцифровкой. Естественно, что вместе с полезным сигналом усиливается и шум, а значит, матрица с большим отношением сигнал/шум обеспечивает более чистую картинку при высоких значениях ISO.

Формирование цветного изображения

Возможно, некоторые из читателей уже заметили, что матрица цифрового фотоаппарата в том виде, в каком она описана выше, способна воспринимать лишь чёрно-белое изображение. Совершенно верно. Фотодиод регистрирует лишь интенсивность освещения (по принципу один фотон – один электрон), но не имеет возможности определить цвет, зависящий от длины световой волны или, иначе говоря, от энергии конкретных фотонов.

Чтобы решить эту проблему, каждый из фотодиодов снабжается светофильтром красного, зелёного или синего цвета. Красный светофильтр пропускает лучи красного цвета, но задерживает синие и зелёные лучи. Аналогичным образом ведут себя зелёный и синий светофильтры, пропуская лучи только своего цвета. В результате каждый фотодиод становится восприимчив лишь к ограниченному спектру световых волн.

Цветные светофильтры, покрывающие фотодиоды, образуют узор или мозаику, называемую массивом цветных фильтров. Существует множество вариантов взаимного расположения светофильтров, но в большинстве цифровых камер используется т.н. фильтр Байера, состоящий на 25 % из красных, на 25 % из синих и на 50 % из зелёных элементов. Вдвое большее количество зелёных светофильтров используется потому, что человеческий глаз обладает повышенной чувствительностью именно к световым лучам зелёного цвета, из-за чего неточность в передаче зелёного канала на фотографии особенно заметна.

Полученное с помощью массива цветных фильтров изображение не является в полной мере цветным, ведь каждый фотодиод сообщает процессору камеры информацию лишь об одном из основных цветов: красном, зелёном или синем. Недостающая цветовая информация для каждого пикселя восстанавливается в процессе дебайеризации. Процессор фотоаппарата анализирует данные из расположенных по соседству элементов и, используя хитроумные алгоритмы интерполяции, рассчитывает значения красного, зелёного и синего цвета для каждого пикселя, получая в конечном итоге полноцветное RGB изображение.

Печально, но платой за цвет является трёхкратное снижение чувствительности матрицы, поскольку, при использовании фильтра Байера, световой поток, достигающий каждого фотодиода, ослабляется светофильтром примерно втрое. Кроме того, страдает резкость изображения. Заявленное производителем разрешение матрицы отражает её, так сказать, чёрно-белое разрешение, в то время как цветное изображение формируется посредством интерполяции соседних пикселей, что несколько размывает картинку.

Также матрицы с массивом цветных фильтров ведут себя из рук вон плохо в условиях монохромного освещ

Размеры матриц в камере смартфона: какие и где встречаются

О том, что не в мегапикселях счастье, уже знают многие пользователи цифровой фототехники. Данная характеристика говорит лишь о том, какие размеры будет иметь фото при просмотре на дисплее, но не более того. На качество получаемого кадра влияют значение апертуры (светосилы), фокусное расстояние, тип матрицы, наличие/отсутствие оптического зума и стабилизации, вид автофокуса, размеры матрицы. О последнем параметре и пойдет речь в нашем материале.

Матрица камеры смартфона – это заменитель пленки в аналоговых фотоаппаратах. Она представляет собой поверхность, покрытую микроскопическими светочувствительными транзисторами. Каждый из них улавливает часть отраженного от предметов света, пропущенного через объектив, и в зависимости от длины оптической волны регистрирует значение. Каждому оттенку соответствует своя частота и длина излучения, за счет этого достигается «запоминание» цвета. Таким образом матрица камеры передает информацию процессору, которая записывается в файл изображения.

Матрица, наряду с объективом, является главной деталью камеры смартфона. Мегапиксели – это количество транзисторов, размещенных на ее поверхности. То есть, цифра в 13 МП означает, что на матрице находится около 13 миллионов эффективных светочувствительных транзисторов.

На что влияет размер матрицы

Производителям камер для смартфонов (самые известные из них – Sony, LG, Samsung, Philips, OmniVision) приходится искать компромиссы между габаритами и качеством матрицы. Дело в том, что при уменьшении размера пикселя, он начинает улавливать меньше света, становится менее чувствительным. А если оставить размеры пикселя прежними, наращивая их количество, то увеличится сам модуль камеры. В зеркалках это не страшно, а вот в смартфонах, толщиной 5-10 мм, каждый микрометр имеет значение.

В итоге в смартфонах, при увеличении мегапикселей, за счет миниатюризации транзисторов, каждый из них улавливает меньше света. Детализация картинки растет, но четкость изображения не меняется. В таких условиях камера на 8 МП не уступит камере на 16 МП, с таким же размером матрицы, а кое-где и обойдет ее.

Матрица камеры в смартфоне

Ультрапиксели

Ультрапиксели – это маркетинговый термин, введенный компанией HTC при презентации флагмана One M7. Под ним подразумевается матрица, разрешение которой специально уменьшено, с целью увеличения размеров пикселя до уровня полноценных фотоаппаратов. К примеру, упомянутый смартфон имел пиксели с размерами 2 мкм, что почти вдвое больше размеров транзисторов у традиционных матриц (1,1 мкм).

Еще в середине прошлого десятилетия, когда большинство смартфонов имели камеру на 0,3, 1,3 или 2 МП, увеличенные пиксели были обыденным делом. Таковыми обладали флагманы 2006 года Nokia N73 и N95, с пикселями на 5 мкм. Но массовая популяризация камер на 8-13 МП побудила HTC внедрить новый термин, дабы убедить клиентов, что их камера на 4 МП не хуже конкурентов на 8-13 МП.

Потом об ультрапикселях забыли, пока Samsung не выпустили на свет Galaxy S7, с технологией, которую объявили как UltraPixel, где размер пикселя был равен 1.4 мкм. Это позволило матрице захватывать больше света в темноте и делать более четкие снимки за счет увеличения матрицы, в сравнении с Galaxy S6.

Различные форматы кадра в цифровой фотографии. Часть 1

В этой статье мы попытаемся пролить свет на различные форматы изображения, размеры матрицы, кропнутые объективы и прочие вещи, которые зачастую не совсем понятны непрофессиональным пользователям при выборе фототехники, сравнении ее характеристик и т.п.

Исторически так сложилось, что цифровая фотография возникла в период преобладания узкопленочной зеркальной фототехники. Вполне логично, что основным путем трансформации пленочной фотокамеры в цифровую была замена пленки на другой светоприемник при сохранении всех остальных частей и ключевых узлов фотоаппарата.

Кадр пленки имеет размер примерно 24х36 миллиметров, и все объективы, созданные специально для такого кадра, ориентированы на такой размер и не могут быть использованы для более крупных форматов пленки, т. к. будет наблюдаться виньетирование (затенение углов кадра из-за того, что объектив просто не рассчитан на такой размер пленки).

Логично предположить, что можно было просто создать матрицу аналогичного размера 24х36 и использовать весь потенциал оптики, рассчитанной под такой размер кадра. Однако такое решение сразу же натолкнулось на ряд технологических проблем:

1. Слишком большие затраты на производство матриц большого размера.

При современном технологическом уровне стоимость производства возрастает экспоненциально при увеличении размера матрицы. Объяснение этому очень простое: заготовки матриц наносятся на круглую кремниевую “болванку”, которая потом режется на куски; чем меньше размер матрицы, тем больше готовых сенсоров выйдет из одной болванки. При этом если где-то внутри кремниевой заготовки будет дефект структуры, то матрица, которая находится на месте этого дефекта, автоматически уходит в брак.

Чем больше по размеру матрица, тем больше вероятность получения брака. Образно говоря, при размере матрицы 1*1мм процент брака составит 0.1%, при размере 10*10мм – 10%, а при размере 30*30мм – 80%. Если же матрица будет размером во всю заготовку, то процент брака будет 99.9%. Безусловно, это образные цифры, но они объясняют, почему так высока себестоимость производства матриц большого размера.

С каждым годом технология производства полупроводниковых устройств улучшается, уменьшается процент брака и общая стоимость производства. Однако, не смотря на это, стоимость матрицы большого размера все еще заметно превышают стоимость маленьких матриц.

2. Особенности структуры матрицы.

Пленка является практически плоской структурой, благодаря чему, свет, падающий под любым углом, регистрируется пленкой одинаково. При использовании объективов, созданных в пленочные времена, на цифровых фотоаппаратах по краям кадра наблюдается заметная “неперпендикулярность падения лучей”. В углах кадра, особенно на широкоугольных объективах, лучи света падают на пленку под углом, который заметно отличается от прямого.

Как было уже сказано, для пленки это не имеет особого значения, но для цифровой фотографии такое несоответствие приводит к нежелательным последствиям, в первую очередь, затемнению по краям и падению резкости.

Этот факт объясняется многослойной структурой сенсора: каждый пиксель состоит из нескольких слоев, ключевые из которых – светочувствительный элемент и микролинза, собирающая свет на него. В случае перпендикулярного падения лучей весь свет собирается на светочувствительном элементе, однако при косых углах падения значительная часть светового пучка на него просто не попадает. На фотографии это выглядит как затенение краевых областей — так называемое виньетирование.

3. Неравномерность качества картинки по полю изображения.

Эту проблему можно назвать общей для фотографии как таковой. Дело в том, что большинство объективов имеют неравномерное качество картинки по полю изображения. В центре резкость максимальна, аберрации же практически отсутствуют, но ближе к краям изображения наблюдается значительное падение резкости, проявление хроматических аберраций и прочих дефектов изображения. Таким образом, использование центральной части изображения позволяет избавиться от краевых дефектов, используя лучшую часть картинки.

Производители зеркальной фототехники, проектируя первые цифровые фотоаппараты, нашли простой выход — сенсоры стали проектировать по размеру немного меньше пленочного кадра. Это позволило уменьшить себестоимость производства и частично избавиться от проблемы затенения углов кадра и других сложностей, связанных с неравномерностью качества картинки по полю кадра.

Разные производители использовали различные форматы изображения. Из ныне существующих исторически первым появился формат изображения 23.6×15.8 миллиметров в цифровых зеркальных фотокамерах Nikon, начиная с Nikon D1, что в 1.5 раза меньше по размерам, чем пленочный кадр (если измерять по диагонали) и в 2.25 раз больше по площади.

Практически одновременно c Nikon D1 был анонсирован Canon D30, имевший чуть меньший по размерам сенсор 22.2×14.8 миллиметров, что в 1.6 раза меньше по диагонали, чем пленочный кадр.

В дальнейшем эти два формата стали основными в любительских цифровых зеркальных фотокамерах.

Кроме того, компания Canon разработала еще один формат матриц, уменьшенных по размеру по сравнению с пленочным кадром. Запущенные в серию в 2000 году фотоаппараты Canon EOS 1D имели матрицу размером 19.1×28.7 миллиметров, что примерно в 1.3 раза меньше пленочного кадра по диагонали.

Позже это соотношение диагонали пленочного кадра и цифровой матрицы назвали “кроп-фактором”, а сами матрицы – “кропнутыми”. В дальнейшем мы будем использовать эти термины в статье.

Спустя еще некоторое время появились первые полнокадровые камеры, имеющие матрицу размером 36×24мм: Contax N1 digital, Canon 1Ds и Kodak DCS 14n, но в то время все они были очень дорогими и доступными исключительно профессионалам.

Естественно, использование матрицы меньшего размера имеет как “плюсы”, так и “минусы”. Попробуем рассмотреть и те, и другие моменты.

Как уже было ранее указано, использование центральной части изображения позволило уменьшить стоимость цифровой зеркальной фотокамеры, сделав ее доступной для обычных потребителей, а использование только центральной части изображения – избавиться от дефектов изображения в углах пленочного кадра.

Однако одновременно с этим появился и ряд негативных моментов. Первый из них напрямую связан с кроп-фактором: матрица меньшего размера “вырезает” центральную часть изображения. С одной стороны фотографии получаются более крупноплановыми, как бы увеличивая фокусное расстояние объектива. На самом же деле, фокусное расстояние объектива — величина постоянная и меняется только область изображения, которую использует матрица.

В среде фотографов появился даже термин “эквивалентное фокусное расстояние”, который переняли и производители. Этот термин обозначает фокусное расстояние объектива, который имеет такой же угол обзора при использовании на пленочной камере, как данный объектив на цифровой фотокамере с кропнутой матрицей.

Приведем пример: стандартный объектив с фокусным расстоянием 50мм, который является штатным для пленки, имеет на цифровой фотокамере Canon 400D меньший угол зрения, примерно такой же, как объектив с фокусным расстоянием 80мм при использовании на пленочной камере. В данном случае говорят, что объектив с фокусным расстоянием 50мм имеет при использовании на камере Canon EOD 400D эквивалентное фокусное расстояние 80мм.

Соотношение эквивалентного фокусного расстояния и фокусного расстояние объектива равно соотношению размера матрицы и размера пленочного кадра и называется “кроп-фактором”. Canon EOD 400D имеет “кроп-фактор” равный 1.6. Таким образом, на кропнутых матрицах объективы имеют большее эквивалентное фокусное расстояние, которое просто необходимо при съемке дикой природы и других видов съемки, где требуется максимальное фокусное расстояние.

Пример положительного влияния кроп-фактора: объектив 300мм имеет примерно такой же угол зрения при использовании с камерой 400D, как объектив с фокусным расстоянием 500мм (точнее 480мм) на пленочной камере. Если речь идет о профессиональной оптике, то при одинаковой светосиле объективы Canon EF 300/4 и Canon EF 500/4 отличаются в несколько раз, при огромной разнице в габаритах и весе. Таким образом, любители фотоохоты могу сэкономить много денег и носить с собой меньше веса, имея при этом такие же возможности телефотосъемки за исключением некоторых особенностей, о которых мы поговорим позднее.

С другой стороны, обрезаются углы изображения, уменьшается угол зрения, объектив становится менее широкоугольным.

Таким образом, при использовании широкоугольного объектива, рассчитанного для пленки, он теряет свои широкоугольные свойства, превращаясь в обычный штатный объектив. К примеру, сверхширокоугольный на пленочном аппарате Canon EF 17-40/4L USM при использовании на кропнутых камерах имеет в широкоугольном положении угол зрения примерно как объектив с фокусным расстоянием 28мм на пленке.

В целом, на заре цифровой фотографии существовала огромная проблема с широкоугольной оптикой, ведь объективов, имеющих эквивалентные фокусные расстояния порядка 15-17мм просто не существовало. Этот факт вполне заслужено огорчал фотографов, занимающихся интерьерной съемкой, съемкой архитектуры или пейзажей, где необходим широкий угол зрения, и заставлял чаще использовать пленочную технику или покупать сверхдорогие полнокадровые камеры, которые в то время стоили от 10.000 долларов США.

Таким образом, если смотреть исключительно с точки зрения фокусного расстояния и угла зрения, кропнутые камеры дали фотографам больше свободы и удобства при телефотосъемке, связав при этом руки любителям широкоугольных объективов.

Для решения данной проблемы необходимо было создать новые линейки объективов для использования с новыми цифровыми камерами. Эти объективы должны были иметь в 1.5-1.6 раз меньшие фокусные расстояния, чем их аналоги для пленочного кадра.

В процессе разработок инженеры пришли к выводу, что для матрицы меньшего размера можно создать более легкий и компактный объектив, так как нет необходимости покрывать большую площадь пленочного кадра. Меньшая по размеру матрица позволила разработать новое поколение объективов, рассчитанных для использования с цифровыми фотокамерами. Эти объективы были более легкими, компактными и зачастую более дешевыми, нежели их полнокадровые аналоги.

Первыми новинками стали Canon EF-s 18-55/3.5-4.5 и объективы Olympus, разработанные для цифровых зеркальных камер Olympus E-System.
Наиболее смело в данной ситуации поступила компания Olympus, создавшая вместе с Kodak, Panasonic, Leica, Sanyo и другими компаниями консорциум, который и разработал свой стандарт 4/3 или Four Thirds.

Основной концепцией данного формата стала разработка стандарта размера матрицы, рабочего отрезка, фокусных расстояний и т. п. практически с нуля, не привязываясь к каким-либо пленочным базисам. При проектировании данного формата был создан байонет, диаметр которого был в 2 раза больше диагонали матрицы, что позволяло делать “телецентрические объективы” — объективы, которые собирают свет на всей матрице под прямым углом. Следовательно, проблема неперпендикулярности падения лучей на матрицу, которая обсуждалась выше, была решена.

Одновременно с матрицей была разработана и линейка оптики, оптимизированная для работы с матрицей именно такого размера.

Матрица системы Four Thirds имеет следующие особенности:

— нестандартные для зеркальных аппаратов пропорции 4:3;
— меньшие размеры по сравнению со всеми “кропнутыми матрицами” цифровых зеркальных аппаратов, около 13х17.3мм.

С другой стороны, необходимо отметить важные преимущества полнокадровых камер:

— оптика, рассчитанная на полный кадр в этих камерах, полностью раскрывает свой потенциал по углу зрения, характеру изображения и т. п.;
— объективы имеют свой нормальный угол зрения, т.е. широкоугольные объективы остаются широкоугольными, штатники – штатниками, а специальные объективы — “рыбий глаз”, к примеру, не теряют своих ценных свойств, как-то угол обзора в 180 градусов;
— полнокадровые матрицы имеют меньший уровень цифровых шумов.

4. Как следствие из 2-го пункта, для полнокадровых камер имеется больший выбор широкоугольных объективов, к примеру, объектив Sigma 12-24 вообще не имеет аналогов по углу зрения на кропнутых камерах.

Таким образом, можно говорить о 5 основных форматах матриц для цифровых зеркальных фотокамер:

4/3 – формат, который активно продвигают компании Olympus и Panasonic.

Несколько сходных форматов APS-C:

Кроп 1.6 – у фотокамер Canon
Кроп 1.5 – у фотокамер Nikon, Pentax, Sony

Формат APS-H:

Кроп 1.3 – у профессиональных аппаратов Canon

Полный кадр:

36х24мм – используется в пленочных аппаратах и нескольких профессиональных камерах Canon и Nikon, которые выпускаются и сегодня.

Часто возникают вопросы, что будет, если установить специально разработанный для кропнутых матриц объектив на полнокадровую или пленочную камеру.

В случае Canon, кропнутые объективы имеют одну не совсем удачную особенность – задняя линза сильнее выдвинута к матрице по сравнению с обычными по причине того, что зеркало в аппарате имеет меньший размер.

Такой формат объективов называется EF-s. Во всех руководствах написано, что категорически запрещено устанавливать такие объективы на камеры с обычным байонетом EF. При установке кропнутого объектива с полнокадровой матрицей, например Canon EOS 5D, будет повреждено либо зеркало, либо задняя линза объектива или и то, и другое вместе.

У других производителей ситуация с кропнутой оптикой проще, например, кропнутые объективы Nikkor могут быть установлены на полнокадровую камеру Nikon D3, при этом будет использоваться только центральная часть изображения, а в видоискателе будет видно сильное затенение углов изображения.

Кроме того, все сторонние производители оптики, такие как Sigma, Tokina и Tamron выпускают кропнутую оптику со стандартным креплением, которая может быть использована на любых камерах, без каких-либо механических ограничений. Однако при этом будет наблюдаться виньетирование в углах на полнокадровых камерах и возможно на камерах с кропом 1.3

Другая сторона медали матриц меньшего размера – уровень цифровых шумов.

Уровень цифровых шумов непосредственно связан с размером светопринимающего элемента. Если взять две матрицы, изготовленные по одинаковым технологиям, одна из которых будет иметь светопринимающие элементы большего размера, то матрица с большими пикселями будет иметь более чистую картинку с меньшим уровнем цифровых шумов.

При этом зависимость примерно следующая: увеличение площади пикселя в 2 раза уменьшает уровень шумов на 1 ступень, т.е. матрица меньшего размера имеет уровень цифрового шума на ISO 100 такой же, как матрица большего размера на ISO 200.
Если разница по площади в 4 раза, то шумы будут одинаковыми на ISO 100 и ISO 400 соответственно.

Первые цифровые фотокамеры страдали от высокого уровня цифровых шумов, однако фотокамеры с полнокадровой матрицей имели гораздо более качественную картинку по сравнению с кропнутыми, особенно на высоких значениях светочувствиельности.

Со временем прогресс подарил нам новые более совершенные матрицы с правильной цветопередачей и низким уровнем цифровых шумов, однако, сохранилась закономерность: чем больше размер светоприемника, тем ниже уровень цифровых шумов.

Однако нужно заметить, что разные производители изготавливают матрицы по разным технологиям, а, следовательно, различные по размеру матрицы могут иметь одинаковый уровень цифровых шумов.

Через несколько лет технология производства матриц достигнет такого уровня, что при любых разумных значениях ISO матрицы любого размера будут давать качественную картинку, однако сегодня все еще приходится считаться с зависимостью качества картинки от размера матрицы. Наиболее “бесшумными” на высоких ISO являются полнокадровые камеры последнего поколения Nikon D3 и Nikon D700.

Во второй части статьи мы более подробно рассмотрим цифровые шумы и расскажем об оптике для цифровых фотокамер.

OmniVision объявляет мировой рекорд для самого маленького датчика изображения

Кредит: OmniVision

Компания OmniVision, разработчик передовых решений для обработки цифровых изображений, объявила о том, что она заняла место в Книге рекордов Гиннеса за разработку своего датчика изображения OV6948 — теперь он является рекордсменом по самому маленькому датчику изображения в мире. Наряду с сенсором компания также объявила о разработке модуля камеры на основе сенсора под названием CameraCubeChip.

В своем объявлении на сайте компании представители OmniVision предполагают, что в основном новый модуль датчика и камеры используется в медицинских целях. Они утверждают, что модуль камеры можно прикрепить к одноразовым эндоскопам для получения изображений с высоким разрешением очень крошечных частей тела через кровеносные сосуды, такие как нервы, части глаз, сердце, позвоночник, гинекологические области, внутренние суставы и части тела. урологическая система.

Представители компании отмечают, что Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США недавно указало, что проблемы перекрестного загрязнения, связанные с повторным использованием эндоскопов, требуют предотвращения. Новая камера при использовании с новыми одноразовыми эндоскопами решает проблему, устраняя необходимость повторного использования таких устройств.

Особенности новой камеры с крошечным сенсором включают поле зрения 120 градусов и диапазон фокусировки от 3 до 30 мм. Датчик имеет массив изображений, который обеспечивает разрешение 200 x 200 и может обрабатывать видео со скоростью 30 кадров в секунду.Камера также имеет аналоговую функцию, которая передает данные изображения на расстояние до четырех метров. Камера также будет заметно холоднее, чем традиционные датчики, что позволит использовать ее в течение более длительных периодов времени внутри пациента — она потребляет всего 25 мВт энергии.

Компания также сообщает, что модуль камеры имеет пластинчатую конструкцию, его площадь составляет всего 0,65 мм x 0,65 мм, а толщина составляет всего 1,158 мм, что делает его размером примерно с песчинку. Представители OmniVision также отмечают, что его небольшой размер позволяет использовать его не только в эндоскопах — его также можно использовать с проводниками и катетерами.Разница в размерах, без сомнения, будет высоко оценена пациентами, которым пришлось перенести неудобные, а иногда и болезненные инвазивные процедуры с использованием современных технологий. Компания также надеется расширить круг потенциальных пользователей, включив в него ветеринаров, практикующих стоматологов и тех, кто работает в промышленности.

Raspberry Pi открывает 8-мегапиксельную камеру

Дополнительная информация: www.ovt.com/news-events/produc… медицинские-приложения

www.ovt.com/sensors/OVM6948

Цитата : OmniVision объявляет мировой рекорд по самому маленькому датчику изображения (2019, 29 октября) получено 2 декабря 2020 из https: // techxplore. ru / news / 2019-10-omnivision-world-smallest-image-sensor.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Базовая технология для сверхмалого датчика трехмерного изображения

Фигура 1.Изготовленный чип OPA. Кредит: KAIST

Исследовательская группа KAIST разработала микросхему кремниевой оптической фазированной решетки (OPA), которая может быть основным компонентом датчиков трехмерного изображения. Это исследование проводилось совместно с Ph. D. кандидат Сон-Хван Ким и доктор Чон-Бом Ю из Национального центра нанофаба (NNFC).

Датчик трехмерного изображения добавляет информацию о расстоянии к двухмерному изображению, например фотографии, чтобы распознать его как трехмерное изображение.Он играет жизненно важную роль в различной электронике, включая автономные транспортные средства, дроны, роботы и системы распознавания лиц, которые требуют точного измерения расстояния до объектов.

Многие производители автомобилей и дронов сосредотачиваются на разработке систем датчиков трехмерного изображения, основанных на механических системах обнаружения света и дальности (LiDAR). Однако он может быть всего лишь размером с кулак, и имеет высокую вероятность выхода из строя, поскольку в нем используется механический метод управления лазерным лучом.

OPA привлекли большое внимание как ключевой компонент для реализации твердотельного LiDAR, потому что он может управлять направлением света электронным способом без движущихся частей. OPA на основе кремния небольшие, надежные и могут производиться серийно с помощью обычных процессов Si-CMOS.

Однако при разработке OPA был поднят большой вопрос о том, как добиться широкого управления лучом в поперечном и продольном направлениях. В поперечном направлении широкое управление лучом было реализовано относительно легко с помощью термооптического или электрооптического управления фазовращателями, интегрированными с 1D массивом.Но продольное управление лучом оставалось технической проблемой, поскольку с той же одномерной антенной решеткой было возможно только узкое управление за счет изменения длины волны света, что трудно реализовать в полупроводниковых процессах.

Рис. 2. Схема, показывающая приложение OPA к датчику трехмерного изображения. Кредит: KAIST

При изменении длины волны света характеристики элементных устройств, состоящих из OPA, могут изменяться, что затрудняет надежное управление направлением света, а также интеграцию лазера с перестраиваемой длиной волны на кремниевом кристалле. Поэтому важно разработать новую структуру, которая может легко регулировать излучаемый свет как в поперечном, так и в продольном направлениях.

Интегрируя перестраиваемый излучатель вместо перестраиваемого лазера в обычный OPA, профессор Хё-Хун Парк из Школы электротехники и его команда разработали сверхмалый, маломощный чип OPA, который обеспечивает широкое двумерное управление лучом с монохроматическим источником света.

Эта структура OPA позволяет свести к минимуму датчики трехмерного изображения размером с глаз стрекозы.

По словам команды, OPA может функционировать как датчик трехмерного изображения, а также как беспроводной передатчик, отправляющий данные изображения в желаемом направлении, что позволяет свободно передавать данные изображения высокого качества между электронными устройствами.

Ким сказал: «Интегрировать настраиваемый источник света в структуры OPA из предыдущих работ — непростая задача. Мы надеемся, что наше исследование, предлагающее настраиваемый излучатель, сделает большой шаг к коммерциализации OPA».

Доктор Ю добавил: «Мы сможем поддержать прикладные исследования датчиков трехмерного изображения, особенно для распознавания лиц с помощью смартфонов и служб дополненной реальности.Мы постараемся подготовить платформу обработки в NNFC, которая обеспечит основные технологии изготовления датчика трехмерного изображения ».

Новый прогресс в создании призрачных изображений на основе чипов

Дополнительная информация: Сон-Хван Ким и др.Термооптический контроль продольного угла излучения в кремниевой оптической фазированной решетке, Optics Letters (2019).

DOI: 10.1364 / OL.44.000411

Предоставлено KAIST

Цитата : Основная технология для сверхмалого датчика трехмерного изображения (8 февраля 2019 г.) получено 2 декабря 2020 с https: // физ.org / news / 2019-02-core-technology-ultra-small-d-image.html

датчиков изображения Мир: компании по производству датчиков изображения

Вот список производителей датчиков изображения на основе Si по состоянию на июнь 2010 года.Это только производители кремния, никаких экзотических материалов здесь нет. Компании отсортированы по рынку, на котором они работают. Не все компании из секции Mainstream High Volume действительно имеют такой большой объем. Скорее, они работают на больших объемах рынка с разной степенью успеха. Пожалуйста, напишите мне в случае ошибок.

Компании, ориентированные на массовый массовый рынок (телефоны с камерой, DSC, веб-камеры):

Aptina
Brigates (Rui-Xin)
BYD
Системы цифровой обработки изображений (ранее известные как Dialog Imaging Systems)
Fujifilm
Himax Imaging
Hynix
Invisage
LiteOn
Maru LSI
Galaxycore
Novatek
Omnivision
Panasonic
Pixelplus
Primesensor (UMC и Pixart JV)
Rosnes
Samsung
SETi
Sharp
SmartSens — Jiangsu SmartSens Electronic Technology Co. , основатель в 2011 году в Чаншу, Китай
Silicon Optronics
STMicroelectronics
Sony Semiconductor
Superpix
Сайт Toshiba и Toshiba-Iwate

Услуги по индивидуальному проектированию и консультированию, включая лицензирование:

Amain
Aphesa
AWAIBvisionA

Caeleste
CMOSIS
CMOS Vision
Curious Corporation — расположена в Японии, лицензирует АЦП с параллельной колонкой и другие блоки CIS.
Cypress (Fillfactory) — приобретена ON Semiconductor.
EM Microelectronic — Marin SA
ENG
ESPROS Photonics Corp.(EPC) — Швейцарский дизайнерский дом и литейный завод
Forza Silicon
GPixel — датчики изображения для машинного зрения и промышленных приложений
Imasenic — датчики изображения на заказ
Imagica Technology Inc. — базируется в Ванкувере, Канада
Институт микроэлектронных схем и систем Фраунгофера (Дуйсбург) , Германия)
Harvest Imaging
ImagerLabs
Luxima — основано Александром Крымски и Лин Пинг Энг.
Motion Video Products — базируется в Сан-Диего. Конструкция высокоскоростного датчика CCD и CMOS.
New Imaging Technologies (NIT)
Pyxalis
Rutherford Appleton Laboratory
Sanei Hytechs — японская компания по индивидуальному дизайну
Sarnoff
Sensor Creations — основана Стефаном Лаутерманом (Teledyne)
Tangent Technologies
Town Line Technologies, LLC — основана Майком Джойнером

Компании, занимающиеся нишевыми рынками:

ADVIS
Alexima
Altasens — приобретена JVC-Kenwood в августе 2012 года.
Анданта — Ольхинг, Германия, основана в 2009 году.
Ball Aerospace and Technologies
Banpil Photonics
Brandywine Photonics — гиперспектральный CMOS-сенсор FBK-2
Brillnics
Canon
Chronocam — Париж, Франция.Основан в 2014 году. Датчик считывания, управляемый событиями.
Clairpixel
CMOS Sensor Inc.
CMOSIS
CSEM
DALSA, приобретенная Teledyne в декабре 2010 года, стала Teledyne DALSA
Dexela — приобретена PerkinElmer в 2011 году
Direct Electron LP — сенсоры для обнаружения частиц высоких энергий и обнаружения электронов
Dpix — аморфные кремниевые матрицы
Dynamax Imaging — приобретенные продукты являются частью команды Panavision Imaging, бывшей Panavision SVI, группы датчиков Silicon Image, Photon Vision Systems
e2v
Emberion — Финляндия / Великобритания, дочернего предприятия Nokia, графеновых датчиков изображения
Excelitas Technologies, ранее PerkinElmer Illumination and Detection Solutions
Fairchild Imaging — приобретено BAE
Freepix — Университет Калгари, Канада, дочернее предприятие
Hamamatsu Photonics
Inivation — датчики изображения, управляемые событиями
Integrated Detector Electronics AS (IDEAS) — Осло, Норвегия
Insightness — событие управляемые датчики изображения, Цюрих, Швейцария
Intevac Imaging
Intrigue Technologies
IR Nova — инфракрасные фотодетекторы на квантовых ямах, дочерняя компания Acreo (Швеция)
ISDI-cmos — Линкольнский университет, дочерняя компания в Великобритании
Kedah Wafer Emas — KWE (дочерняя компания UniqueICs)
Lumiense Photonics
Melexis
Micro Photon Devices — Больцано, Италия — базируется, продает тепловизоры 32×32 SPAD, самые большие коммерческие в мире, по состоянию на август. 2011. Отделение от Миланского политехнического университета.
Nano Retina
Neuricam
New Imaging Technologies (NIT)
NikkoIA — Лицензированные патенты на зрение Siemens NIR-MWIR
Multix — Запуск рентгеновского датчика в Париже, Франция
ON Semiconductor (бывший Fillfactory, затем Cypress)
PerkinElmer — слева с X панели -ray только после того, как Excelitas был выделен, приобрел Dexela.
Photonfocus
Pixart
PiKSELiM — большие пиксели, сенсоры высокого разрешения. Базирующаяся в Анкаре, Турция.
Pixpolar
PNSensor
R3Logic
Rayence — производитель рентгеновских датчиков и панелей из Кореи.
RMD
Лаборатория Резерфорда Эпплтона
Semiconductor Technology Associates (STA)
SensL Technologies
Shimadzu
Sigma (Foveon)
SiOnyx
Teledyne Imaging Sensors
TI
Truesense Imaging (ранее Kodak Image Sensor Solutions), приобретенная ON Semiconductor в апреле 2014 г. ULIS — формирователи изображения ИК-болометра на аморфном кремнии
Viimagic
VivaMOS — дочерняя компания STFC (Rutherford Appleton Lab). Специализируется на высококачественных КМОП-сенсорах большой площади для детекторов рентгеновского излучения.
Vision Integration Technology — ViTi
ZeeAnn — автомобильные датчики WDR и обычные датчики, базирующиеся в Корее, основанные в 2009 г.

Компании 3D Vision:

Brainvision (датчик разработан для Stanley Electric TOFCam)
Heliotis
IC-Haus
IEE SA — Люксембург, разработчик 3D MLI ToF Sensor
MESA Imaging — Отделение CSEM
Microsoft (приобретено 3DV, Canesta)
Odos Imaging — Эдинбург, Шотландия, проприетарный датчик и камера ToF, технология Siemens
Optech
Optrima, Softkinetic- Optrima JV
Panasonic
PMD Technologies
Samsung
TriDiCam — ответвление Института Фраунгофера, Дуйсбург, Германия
Ubixum — основано Кейт Файф

Компании ROIC:

BAE Systems
Faun Infrared — ИК-болометр ROICs
FLIR (куплен Indigo)
Goodrich (куплен Sensors Unlimited)
Mikro-Tasarım — базируется в Анкаре, Турция
PrivaTran
Senseeker
SPEC
V alley Oak Semiconductor (Тусон, Аризона) — подразделение Infrared Laboratories с 2008 г.
Voxtel Opto
Xenics

Компании с неизвестным статусом (могут не существовать):

Alexima
Candela Microsystems
Newport Media
Photon Detection Systems
Planet82
Silicon Optronics (совместное предприятие Omnivision и Powerchip)
SITe (Scientific Imaging Technologies)

Литейные производства датчиков изображения:

Austria Micro Systems (AMS)
DALSA
Dongbu Hitek
ESPROS Photonics Corp.(EPC) — Швейцарский завод по производству и разработке ПЗС- и КМОП-матриц
HH NEC (Hua Hong NEC)
IBM
LFoundry
Nanya
Powerchip
SMIC
TSMC
Toppan Printing (Microlens and Color Filter)
TowerJazz
UMC
Visera (Microlens, Color Filter, Testing)
X-FAB
XMC — Ухань, провинция Хубэй, Китай

Несуществующие компании:

NoblePeak Vision — прекратила свою деятельность в сентябре 2010 г., активы приобретены Infrared Laboratories (Тусон, Аризона)
CmoX — прекратила деятельность в 2007 г.
ElecVision

Приобретенные компании:

Advasense — приобретено Pixim в июне 2011 г.
Anafocus — приобретено e2v в августе 2014 г.
AWAIBA — приобретено CMOSIS в августе 2014 г.
Решение Kodak Image Sensor Solution — приобретено компанией Platinum Equity в ноябре.2011 г., переименован в Truesense Imaging. Приобретена ON Semiconductor в апреле 2014 г.
Pixim — приобретена Sony в сентябре 2012 г.
Rad-icon Imaging была приобретена Dalsa в 2008 году.
TASC — приобретена Alcor Micro в апреле 2007 г.

Лучшая цена usb-датчик изображения — отличные предложения на usb-датчик изображения от мировых продавцов usb-датчиков изображения

Отличные новости !!! Вы выбрали usb-датчик изображения в нужном месте.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, так как этот лучший датчик изображения с интерфейсом USB вскоре станет одним из самых популярных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели USB-датчик изображения на AliExpress. Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете сэкономить еще больше.

Если вы все еще не уверены в использовании датчика изображения USB и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококлассную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца. Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести usb image sensor по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

Digital Imaging in Optical Microscopy — Introduction to CMOS Image Sensors

Появление твердотельных устройств формирования изображений с высоким разрешением, в первую очередь устройств с зарядовой связью ( CCDs ) и дополнительных металлооксидных полупроводниковых датчиков изображения ( CMOS ), предвещало появление новая эра для оптической микроскопии, которая угрожает затмить традиционные технологии записи изображений, такие как пленки, видеолампы и фотоумножители.Системы камер устройств с зарядовой связью, разработанные специально для микроскопии, предлагаются многочисленными производителями оригинального оборудования и послепродажного обслуживания, а КМОП-датчики изображения теперь становятся доступными для некоторых микроскопов.

Обе технологии были разработаны в период с начала до конца 1970-х годов, но КМОП-датчики имели неприемлемые характеристики и до начала 1990-х годов обычно игнорировались или считались просто диковинкой. К тому времени успехи в разработке КМОП привели к появлению чипов с меньшими размерами пикселей, уменьшенным шумом, более мощными алгоритмами обработки изображений и более крупными массивами изображений.Среди основных преимуществ КМОП-датчиков — низкое энергопотребление, основная тактовая частота и источник питания с одним напряжением, в отличие от ПЗС-матриц, которые часто требуют 5 или более напряжений питания при разных тактовых частотах со значительно более высоким потреблением энергии. И КМОП, и ПЗС-чипы воспринимают свет с помощью аналогичных механизмов, используя фотоэлектрический эффект , который возникает, когда фотоны взаимодействуют с кристаллизованным кремнием, чтобы продвигать электроны из валентной зоны в зону проводимости.Обратите внимание, что термин «CMOS» относится к процессу изготовления датчика изображения, а не к конкретной технологии формирования изображения.

Когда широкий диапазон длин волн видимого света падает на специально легированные кремниевые полупроводниковые материалы, высвобождается переменное количество электронов, пропорциональное плотности потока фотонов, падающих на поверхность фотодиода. Фактически, количество образовавшихся электронов зависит от длины волны и интенсивности света, падающего на полупроводник.Электроны собираются в потенциальной яме до завершения периода интегрирования (освещения), а затем они либо преобразуются в напряжение (процессоры CMOS), либо передаются в измерительный регистр (датчики CCD). Измеренное напряжение или заряд (после преобразования в напряжение) затем пропускается через аналого-цифровой преобразователь, который формирует цифровое электронное представление сцены, отображаемой датчиком.

Фотодиод, часто называемый пикселем, является ключевым элементом цифрового датчика изображения.Чувствительность определяется комбинацией максимального заряда, который может накапливаться фотодиодом, в сочетании с эффективностью преобразования падающих фотонов в электроны и способностью устройства накапливать заряд в ограниченной области без утечки или побочного эффекта. Эти факторы обычно определяются физическим размером и апертурой фотодиода, а также его пространственным и электронным отношением к соседним элементам в матрице. Другим важным фактором является коэффициент преобразования заряда в напряжение, который определяет, насколько эффективно интегрированный заряд электронов преобразуется в сигнал напряжения, который можно измерить и обработать.Фотодиоды обычно организованы в виде ортогональной сетки, размер которой может варьироваться от 128 × 128 пикселей (16 K пикселей) до более распространенного 1280 × 1024 (более миллиона пикселей). Некоторые из новейших датчиков изображения CMOS, например, разработанные для телевидения высокой четкости ( HDTV, ), содержат несколько миллионов пикселей, организованных в очень большие массивы размером более 2000 квадратных пикселей. Сигналы от всех пикселей, составляющих каждую строку и каждый столбец массива, должны быть точно обнаружены и измерены (считаны), чтобы собрать изображение из данных накопления заряда фотодиода.

В оптической микроскопии свет, собранный объективом, фокусируется проекционной линзой на поверхность датчика, содержащую двумерный массив идентичных фотодиодов, называемых элементов изображения или пикселей . Таким образом, размер массива и размеры в пикселях определяют пространственное разрешение датчика. Интегральные схемы CMOS и CCD по своей сути являются монохроматическими (черно-белыми) устройствами, реагирующими только на общее количество электронов, накопленных в фотодиодах, а не на цвет света, вызывающий их высвобождение из кремниевой подложки.Цвет определяется либо путем прохождения падающего света через последовательный ряд красных, зеленых и синих фильтров, либо с помощью миниатюрных прозрачных полимерных тонкопленочных фильтров, которые нанесены в виде мозаики на массив пикселей.

Анатомия фотодиода CMOS

Основным преимуществом, которым обладают датчики изображения CMOS по сравнению с их аналогами CCD, является возможность интегрировать ряд функций обработки и управления, которые выходят за рамки основной задачи сбора фотонов, непосредственно на датчике Интегральная схема.Эти функции обычно включают в себя временную логику, управление экспозицией, аналого-цифровое преобразование, затвор, баланс белого, регулировку усиления и алгоритмы начальной обработки изображения. Для выполнения всех этих функций архитектура интегральной схемы КМОП больше напоминает архитектуру ячейки памяти с произвольным доступом, чем простую матрицу фотодиодов. Наиболее популярные конструкции КМОП построены на основе технологии активных пикселей ( APS ), в которой фотодиод и усилитель считывания встроены в каждый пиксель.Это позволяет заряду, накопленному фотодиодом, преобразовываться в усиленное напряжение внутри пикселя, а затем передаваться в последовательных строках и столбцах в блок обработки аналогового сигнала микросхемы.

Таким образом, каждый пиксель (или элемент изображения) содержит, в дополнение к фотодиоду, триаду транзисторов, которые преобразуют накопленный заряд электронов в измеримое напряжение, сбрасывают фотодиод и передают напряжение на шину вертикального столбца. Результирующий массив представляет собой организованную шахматную доску металлических шин считывания, которые содержат фотодиод и соответствующие схемы подготовки сигнала на каждом перекрестке.Шины подают синхронизирующие сигналы на фотодиоды и возвращают считываемую информацию обратно в аналоговую схему декодирования и обработки, размещенную вдали от матрицы фотодиодов. Эта конструкция позволяет считывать сигналы от каждого пикселя в массиве с помощью простых методов адресации x, y , что невозможно с современной технологией CCD.

Архитектура типичного КМОП-датчика изображения представлена на рисунке 1 для кристалла интегральной схемы, который содержит активную область изображения размером 640 × 480 пикселей.Матрица фотодиодов, расположенная в большой красновато-коричневой центральной области кристалла, покрыта упорядоченным тонким слоем полимерных фильтров, окрашенных в красный, зеленый и синий цвета, размер каждого из которых соответствует размеру отдельного фотодиода (аналогично технология, используемая для цветных ПЗС-матриц). Чтобы сконцентрировать падающие фотоны в лунках фотодиода для сбора электронов, отфильтрованные фотодиоды также размещаются под миниатюрной линзой с положительным мениском (см. Рисунки 2, 3 и 4), известной как микролинза, или линзовидная матрица.На вставке к рисунку 1 показаны фильтры и матрица микролинз в большом увеличении. В интегральную схему, показанную на Рисунке 1, также включена схема обработки аналоговых сигналов, которая собирает и интерпретирует сигналы, генерируемые матрицей фотодиодов. Затем эти сигналы отправляются в схемы аналого-цифрового преобразования, расположенные рядом с матрицей фотодиодов в верхней части микросхемы (как показано на рисунке 1). К другим функциям, выполняемым датчиком изображения CMOS, относятся синхронизация часов для пошаговой генерации заряда, сбора, передачи и измерения напряжения, а также обработка изображения и вывод накопленных сигналов.

При более внимательном рассмотрении матрицы фотодиодов можно увидеть последовательный узор из красных, зеленых и синих фильтров, которые расположены в виде мозаики, названной в честь инженера Kodak Брайса Э. Байера. Эта матрица цветных фильтров (шаблон фильтра Bayer ) предназначена для захвата информации о цвете от широкополосного падающего освещения, поступающего от системы оптических линз. Фильтры расположены в квартете (Рисунок 2 (a) и Рисунок 2 (b)), упорядоченные в последовательные ряды, в которых чередуются красный и зеленый или синий и зеленый фильтры (Рисунок 2 (a)).На рисунке 2 представлены цифровые изображения, полученные с помощью оптического микроскопа высокого разрешения типичной матрицы фильтров Байера и нижележащих фотодиодов. Рисунок 2 (а) иллюстрирует вид чередующихся рядов фильтров. Каждый красный фильтр окружен четырьмя зелеными и четырьмя синими фильтрами, а каждый синий фильтр окружен четырьмя красными и четырьмя зелеными фильтрами. Напротив, каждый зеленый фильтр окружен двумя красными, четырьмя зелеными и двумя синими фильтрами. Изображение с большим увеличением основного повторяющегося блока представлено на рисунке 2 (b) и содержит один красный, один синий и два зеленых фильтра, благодаря чему общее количество зеленых фильтров в массиве равно количеству красных и синих фильтров. комбинированный.Сильный акцент на зеленых фильтрах обусловлен зрительной реакцией человека, которая достигает максимальной чувствительности в 550-нанометровом (зеленом) диапазоне длин волн видимого спектра.

Также на рис. 2 (b) показана небольшая часть матрицы микролинз (также называемая линзами ), нанесенная фотолитографией на поверхность фильтров Байера и выровненная так, что каждая линза перекрывает отдельный фильтр. Форма миниатюрных линз приближается к форме линзы с выпуклым мениском и служит для фокусировки падающего света непосредственно в светочувствительную область фотодиода.Под решетками фильтров Байера и микролинз находятся сами фотодиоды, которые показаны на рис. 2 (c) в виде четырех полных сборок фотодиодов или блоков пикселей. Один из фотодиодов на рисунке 2 (c) обозначен большой белой рамкой (верхний правый угол), которая также содержит меньшую прямоугольную рамку внутри большей сетки. Белые прямоугольники обозначены буквами P и T , которые относятся к области сбора фотонов (светочувствительной) и поддерживающей транзисторной области пикселя соответственно.

Как видно из изучения элементов фотодиода на рисунке 2 (c), большая часть области пикселя (примерно 70 процентов в этом примере) отведена вспомогательным транзисторам (усилитель, сброс и выбор строки), которые относительно непрозрачен для фотонов видимого света и не может использоваться для обнаружения фотонов. Оставшиеся 30 процентов (меньшее белое поле, обозначенное P на рисунке 2 (c)) представляют собой светочувствительную часть пикселя. Поскольку такая малая часть фотодиода действительно способна поглощать фотоны для генерации заряда, коэффициент заполнения или апертура КМОП-чипа и фотодиодов, показанных на рисунках 1, 2 и 3, составляют только 30 процентов от всего фотодиода. площадь поверхности массива.Следствием этого является значительная потеря чувствительности и соответствующее снижение отношения сигнал / шум, что приводит к ограниченному динамическому диапазону. Коэффициенты заполнения различаются от устройства к устройству, но в целом они составляют от 30 до 80 процентов площади пикселей в датчиках CMOS.

Проблема пониженного коэффициента заполнения усугубляется тем, что поглощение фотонов зависит от длины волны. Этот термин правильно называют квантовой эффективностью КМОП и ПЗС-сенсоров изображения . Три основных механизма препятствуют сбору фотонов светочувствительной областью: поглощение, отражение и пропускание.Как обсуждалось выше, более 70 процентов площади фотодиода может быть экранировано транзисторами и многослойными или чередующимися линиями металлических шин, которые являются оптически непрозрачными и поглощают или отражают большую часть падающих фотонов, сталкивающихся со структурами. Эти уложенные друг на друга слои металла также могут вызывать нежелательные эффекты, такие как виньетирование, перекрестные помехи пикселей, рассеяние света и дифракция.

Отражение и прохождение падающих фотонов происходит в зависимости от длины волны, с высоким процентом отражения более коротких длин волн (менее 400 нанометров), хотя эти потери могут (в некоторых случаях) распространяться в видимую область спектра.Многие КМОП-сенсоры имеют желтое полиимидное покрытие, нанесенное во время изготовления, которое поглощает значительную часть синего спектра до того, как эти фотоны достигнут области фотодиода. Уменьшение или минимизация использования слоев поликремния и полиимида (или полиамида) является основной задачей при оптимизации квантовой эффективности в этих датчиках изображения.

Более короткие волны поглощаются в первых нескольких микронах светочувствительной области, но постепенно более длинные волны проникают на большую глубину, прежде чем полностью поглощаются.Кроме того, самые длинные видимые длины волн (превышающие 650 нанометров) часто проходят через светочувствительную область без захвата (или генерирования заряда электрона), что приводит к другому источнику потери фотонов. Хотя применение массивов микролинз помогает фокусировать и направлять поступающие фотоны в светочувствительную область и может удвоить чувствительность фотодиода, эти крошечные элементы также демонстрируют избирательность, основанную на длине волны и углу падения.

На рисунке 3 представлен трехмерный разрез типичного пикселя активного датчика CMOS, иллюстрирующий светочувствительную область (фотодиод), шины, микролинзы, фильтр Байера и три поддерживающих транзистора.Как обсуждалось выше, каждый элемент APS в датчике изображения CMOS содержит транзистор усилителя, который представляет устройство ввода того, что обычно называют истокового повторителя (нагрузка истокового повторителя является внешней по отношению к пикселю и общей для всех пикселей. в столбик). Истоковый повторитель представляет собой простой усилитель, который преобразует электроны (заряд), генерируемые фотодиодом, в напряжение, которое выводится на шину столбца. Кроме того, пиксель также имеет транзистор сброса для управления временем интегрирования или накопления фотонов и транзистор выбора строки, который подключает вывод пикселя к шине столбца для считывания.Все пиксели в определенном столбце подключаются к усилителю считывания.

При работе первым шагом к захвату изображения является инициализация транзистора сброса, чтобы слить заряд из светочувствительной области и смещать фотодиод в обратном направлении. Затем начинается период интегрирования, и свет, взаимодействуя с фотодиодной областью пикселя, производит электроны, которые накапливаются в кремниевой потенциальной яме, лежащей под поверхностью (см. Рисунок 3). По окончании периода интегрирования включается транзистор выбора строки, подключая транзистор усилителя в выбранном пикселе к его нагрузке, чтобы сформировать истоковый повторитель.Таким образом, заряд электрона в фотодиоде преобразуется в напряжение с помощью повторителя источника. Результирующее напряжение появляется на шине колонки и может быть обнаружено усилителем считывания. Затем этот цикл повторяется для считывания каждой строки датчика и получения изображения.

Одним из основных недостатков трехпиксельной схемы APS является относительно высокий уровень артефакта, известного как фиксированный шаблонный шум ( FPN ). Изменения в усилении и смещении транзистора усилителя, которые являются фундаментальной проблемой из-за колебаний технологического процесса КМОП-технологии во время производства, приводят к несоответствию выходных характеристик транзистора во всем массиве.В результате на захваченных изображениях видна структура шума, которая является постоянной и воспроизводимой от одного изображения к другому. В большинстве случаев фиксированный структурный шум может быть значительно уменьшен или устранен путем настройки схемы обработки аналогового сигнала, расположенной на периферии массива, или путем электронного вычитания темного изображения (коррекция плоского поля).

Массивы мозаичных фильтров и реконструкция изображения

Несбалансированная природа мозаичных массивов фильтров Байера, имеющих в два раза больше зеленых фильтров, чем синих или красных, также может представлять проблему с точки зрения точной цветопередачи отдельных пикселей.Типичные спектральные профили пропускания обычных красителей, используемых в конструкции фильтров Байера, представлены на рисунке 4. Квантовая эффективность красных фильтров значительно выше, чем у зеленого и синего фильтров, которые близки друг к другу по общей эффективности. Обратите внимание на относительно большую степень спектрального перекрытия между фильтрами, особенно в области от 520 до 620 нанометров (зеленый, желтый и оранжевый).

Часто возникает вопрос относительно точной природы цветопередачи и пространственного разрешения матриц фотодиодов, имеющих пиксели, разделенные на основные элементы шаблона фильтра Байера.Матрица фотодиодов с размером пикселей 640 × 480 пикселей содержит всего 307 200 пикселей, что дает 76 800 квартетов Байера. Означает ли это, что реальное полезное пространственное разрешение изображения уменьшено до 320 × 240 пикселей? К счастью, пространственное разрешение в первую очередь определяется компонентом яркости цветных изображений, а не компонентом цветности (цвета). Это происходит потому, что человеческий мозг позволяет добавлять довольно грубую цветовую информацию к точной пространственной информации и почти без проблем объединяет их.Кроме того, фильтры Байера имеют широкие полосы пропускания по длине волны (см. Рисунок 4) с большими областями перекрытия, что позволяет пространственной информации из других спектральных областей проходить через фильтры, передавая каждый цвет со значительной степенью пространственной информации.

Например, рассмотрим объект, который отражает значительное количество желтого света (с центром на 585 нм) в систему линз цифровой камеры CMOS. Изучая спектры пропускания фильтра Байера на рисунке 4, становится очевидным, что красный и зеленый фильтры пропускают идентичное количество света в этой области длин волн.Кроме того, синие фильтры также пропускают приблизительно 20 процентов длин волн, прошедших через другие фильтры. Таким образом, три из четырех фильтров Байера в каждом квартете пропускают равное количество желтого света, а четвертый (синий) фильтр также пропускает часть этого света. Напротив, синий свет с более низкой длиной волны (435 нанометров; см. Рисунок 4) проходит только через синие фильтры в какой-либо значительной степени, уменьшая как чувствительность, так и пространственное разрешение изображений, состоящих в основном из света в этой области видимого спектра.

После того, как необработанное изображение было получено из матрицы фотодиодов CMOS, покрытой шаблоном цветных фильтров Байера, оно должно быть преобразовано в стандартный формат красного, зеленого и синего ( RGB, ) с помощью методологии интерполяции. Этот важный шаг необходим для создания изображения, которое точно представляет сцену, отображаемую электронным датчиком. Для выполнения этой задачи доступны различные сложные и хорошо зарекомендовавшие себя алгоритмы обработки изображений (непосредственно на интегральной схеме после захвата изображения), включая методы ближайшего соседа , линейных , кубических и кубических сплайнов .Чтобы определить правильный цвет для каждого пикселя в массиве, алгоритмы усредняют значения цвета выбранных соседних пикселей и производят оценку цвета (цветности) и интенсивности (яркости) для каждого пикселя в массиве. На рисунке 5 (a) представлено необработанное изображение шаблона Байера до реконструкции с помощью интерполяции, а на рисунке 5 (b) представлены результаты, полученные после обработки с помощью версии алгоритма линейной интерполяции с корректировкой корреляции.

В качестве примера того, как работает интерполяция цвета, рассмотрим один из зеленых пикселей, вложенных в центральную область массива фильтров Байера.Пиксель окружен двумя синими, двумя красными и четырьмя зелеными пикселями, которые являются его ближайшими соседями. Алгоритмы интерполяции производят оценку красного и синего значений зеленого пикселя, исследуя значения цветности и яркости соседних красного и синего пикселей. Та же процедура повторяется для каждого пикселя в массиве. Этот метод дает отличные результаты при условии, что цвет изображения изменяется медленно на большом количестве пикселей, но может также страдать от артефактов, таких как наложение , на краях и граничных областях, где происходят большие переходы цвета и / или интенсивности.

Чтобы улучшить квантовую эффективность и спектральный отклик, несколько разработчиков КМОП обращаются к использованию массивов цветных фильтров на основе основных субтрактивных цветов: голубого, желтого и пурпурного ( CMY, ) вместо стандартных аддитивных основных красных цветов. , зеленый и синий ( RGB ), которые обсуждались выше. Среди преимуществ использования массивов фильтров CMY — повышенная чувствительность, приводящая к улучшенному пропусканию света через фильтр, и более сильный сигнал.Это происходит потому, что красители для субтрактивных фильтров демонстрируют меньшее поглощение световых волн в видимой области по сравнению с соответствующими аддитивными фильтрами. В отличие от красного, зеленого и синего фильтров, которые представляют собой композицию из двух или более слоев, обеспечивающих аддитивное поглощение, фильтры CMY применяются в виде одного слоя, который имеет превосходные характеристики светопропускания. Обратной стороной фильтров CMY является более сложная матрица коррекции цвета, необходимая для преобразования данных CMY, собранных с датчика, в значения RGB, которые необходимы для печати или отображения изображений на мониторе компьютера.Эти алгоритмы приводят к возникновению дополнительного шума во время преобразования цвета, но повышенная чувствительность, полученная с помощью массивов фильтров CMY, часто может компенсировать проблемы, возникающие во время обработки изображения.

Источники и способы устранения шума

Основной проблемой датчиков изображения CMOS является высокая степень шума, которая становится очевидной при изучении изображений, созданных этими устройствами. Достижения в сенсорной технологии позволили тщательно интегрировать схемы обработки сигналов вместе с массивом изображений, что существенно ослабило многие источники шума и значительно улучшило характеристики CMOS.Однако другие типы шума часто беспокоят как дизайнеров, так и конечных пользователей. Как обсуждалось выше, фиксированный структурный шум практически устранен современными методами обработки сигналов КМОП после захвата, но с другими формами, такими как дробовой фотонный шум, темновой ток, шум сброса и тепловой шум, не так легко справиться.

Во время инициализации или сброса фотодиода транзистором сброса генерируется большая составляющая шума, называемая шумом kTC, (или сбросом), который трудно удалить без усовершенствованной схемы.Аббревиатура k относится к постоянной Больцмана, в то время как T — это рабочая температура, а C — полная емкость, возникающая во входном узле транзистора усилителя и складывающаяся из суммы емкости фотодиода и входной емкости усилитель транзисторный. Шум сброса может серьезно ограничить отношение сигнал / шум датчика изображения. Как сброс, так и другой источник шума, обычно называемый усилителем или 1 / f низкочастотным шумом, можно контролировать с помощью метода, известного как коррелированная двойная выборка ( CDS ), который должен быть реализован путем добавления четвертый «измерительный» (или перевод ) транзистор на каждый пиксель.Алгоритм двойной выборки функционирует путем измерения только шума сброса или усилителя, а затем вычитания объединенного сигнала изображения плюс шум сброса.

Фотонный дробовой шум отчетливо проявляется на захваченных изображениях как случайный узор, который возникает из-за временных изменений выходного сигнала из-за статистических флуктуаций количества освещения. Каждый фотодиод в матрице производит немного разный уровень дробового фотонного шума, который в крайнем случае может серьезно повлиять на работу датчика изображения CMOS.Этот тип шума является основным источником шума для сигналов, намного превышающих собственный уровень шума датчика, и присутствует в каждом датчике изображения, включая ПЗС. Темновой ток генерируется артефактами, которые производят сигнальный заряд (электроны) в отсутствие освещения и могут проявлять значительную степень флуктуации от пикселя к пикселю, что сильно зависит от условий эксплуатации. Этот тип шума чувствителен к температуре и может быть удален путем охлаждения датчика изображения или с помощью дополнительного хранилища кадров, которое помещается в оперативную память и вычитается из захваченного изображения.

Темновой ток практически невозможно устранить, но его можно уменьшить за счет использования технологии фотодиодов с штырьками во время изготовления КМОП-сенсора. Чтобы создать закрепленный пиксель фотодиода, неглубокий слой кремния типа P наносится на поверхность типичной светочувствительной области N с ячейками для создания сэндвича с двойным переходом, который изменяет спектральный отклик пикселя в видимом свете. Поверхностный переход оптимизирован для реагирования на более низкие длины волн (синий), в то время как более глубокий переход более чувствителен к более длинным волнам (красным и инфракрасным).В результате электроны, собранные в потенциальной яме, удерживаются вблизи области N , вдали от поверхности, что приводит к уменьшению темнового тока и связанных с ним шумовых элементов. На практике может быть сложно создать закрепленный пиксель фотодиода, который производит полный сброс в низковольтной среде, в которой работают датчики CMOS. Если условие полного сброса не достигается, в массив может быть внесена задержка с соответствующим увеличением шума транзистора сброса.Другими преимуществами технологии закрепленных фотодиодов являются улучшенный отклик на синий цвет за счет улучшенного захвата коротковолнового излучения видимого света вблизи границы P — слой кремния.

Транзисторы, конденсаторы и шины, переплетенные между светочувствительными областями пикселей, ответственны за создание теплового шума в датчиках изображения CMOS. Этот тип шума можно уменьшить путем точной настройки полосы пропускания тепловизора, увеличения выходного тока или охлаждения системы камеры.Во многих случаях последовательность считывания пикселей CMOS может использоваться для уменьшения теплового шума путем ограничения полосы пропускания каждого транзисторного усилителя. Непрактично добавлять сложное и дорогое устройство охлаждения Пельтье или подобное к недорогим датчикам изображения CMOS, поэтому эти устройства обычно не используются для снижения шума.

Пиксельная архитектура CMOS

В современных датчиках изображения CMOS используются две основные архитектуры светочувствительных пиксельных элементов: фотодиоды и фотозатворы (см. Рисунок 6).В целом конструкции фотодиодов более чувствительны к видимому свету, особенно в коротковолновой (синей) области спектра. Устройства с фотозатвором обычно имеют большие области пикселей, но более низкий коэффициент заполнения и гораздо более низкий отклик на синий свет (и общую квантовую эффективность), чем фотодиоды. Однако фотозатворы часто достигают более высоких уровней усиления преобразования заряда в напряжение, и их можно легко использовать для выполнения коррелированной двойной выборки для достижения разности кадров.

Активные пиксельные датчики Photogate используют несколько аспектов технологии CCD для снижения шума и повышения качества изображений, полученных с помощью датчиков изображения CMOS.Заряд, накопленный под фотозатвором во время интеграции, локализуется в потенциальной яме, управляемой транзистором доступа. Во время считывания, схема поддержки пикселя выполняет передачу двухступенчатую заряда (в качестве напряжения) к выходной шине. Первый этап происходит путем преобразования накопленного заряда в измеримое напряжение транзистором усилителя. Затем на передаточный вентиль подается импульс, чтобы инициировать перенос заряда от светочувствительной области к выходному транзистору, а затем он передается на шину столбца.Этот метод передачи позволяет использовать две возможности дискретизации сигнала, которые можно использовать за счет эффективной конструкции для улучшения снижения шума. Выходной пиксель сначала дискретизируется после сброса фотодиода и еще раз после интегрирования заряда сигнала. Вычитая первый сигнал из второго, чтобы удалить низкочастотный шум сброса, архитектура активного пикселя фотозатвора может выполнять коррелированную двойную выборку.

Основным преимуществом конструкции фотозатвора является снижение уровня шума при работе при слабом освещении по сравнению с фотодиодными датчиками.КМОП-сенсоры на основе фотодиодов полезны для потребительских приложений среднего уровня, которым не требуются высокоточные изображения с низким уровнем шума, превосходным динамическим диапазоном и цветовыми характеристиками с высоким разрешением. Оба устройства используют экономичные требования к питанию, которые могут быть удовлетворены с помощью аккумуляторов, низковольтных источников питания от компьютерных интерфейсов (USB и FireWire) или других источников питания постоянного тока. Обычно требования к напряжению для КМОП-процессора составляют от 3,3 до 5,0 вольт, но новые конструкции переходят на значения, которые уменьшены вдвое.

Последовательность работы датчика изображения CMOS

В большинстве конструкций матриц фотодиодов CMOS область активных пикселей окружена областью оптически экранированных пикселей, расположенных в 8–12 строк и столбцов, которые используются для компенсации уровня черного. Массив фильтров Байера (или CMY) начинается с верхнего левого пикселя в первой неэкранированной строке и столбце. Когда начинается каждый период интегрирования, все пиксели в одной строке будут сброшены встроенной схемой синхронизации и управления, по одной строке за раз, переходя от первой к последней строке, каталогизированной регистром адреса линии (см. Рисунок 7).Для сенсорного устройства с аналоговым выходом, когда интеграция завершена, та же схема управления передаст интегрированное значение каждого пикселя в коррелированную схему двойной выборки (блок CDS на рисунке 7), а затем в регистр горизонтального сдвига. После загрузки регистра сдвига информация о пикселях будет последовательно сдвигаться (по одному пикселю за раз) в аналоговый видеоусилитель. Коэффициент усиления этого усилителя регулируется аппаратно или программно (а в некоторых случаях их комбинацией).В отличие от этого, датчики изображения CMOS с цифровым считыванием используют аналого-цифровой преобразователь для каждого столбца, и преобразование выполняется параллельно для каждого пикселя в строке. Затем для вывода данных используется цифровая шина, имеющая ширину, равную количеству битов, по которым выполняется преобразование. В этом случае «поочередно» сдвигаются только цифровые значения. На этом этапе к пикселям часто применяются алгоритмы баланса белого.

После того, как в видеоусилителе установлены значения усиления и смещения (обозначены как Video Amp на рисунке 7), информация о пикселях затем передается в аналого-цифровой преобразователь, где она преобразуется в линейный цифровой массив двоичных данных. цифры.Впоследствии данные цифровых пикселей дополнительно обрабатываются для удаления дефектов, которые возникают в «плохих» пикселях, и для компенсации уровней черного перед их кадрированием и представлением на порт цифрового вывода. Алгоритм компенсации уровня черного (часто называемый фиксатором частоты кадров ) вычитает средний уровень сигнала черных пикселей, окружающих массив, из цифрового видеовыхода для компенсации зависящих от температуры и времени уровней темнового шума в массиве активных пикселей. .

Следующим шагом в последовательности является восстановление изображения (см. Рисунок 7) и применение основных алгоритмов, необходимых для подготовки окончательного изображения для кодирования дисплея.Интерполяция ближайшего соседа выполняется на пикселях, которые затем фильтруются с помощью алгоритмов сглаживания и масштабируются. Дополнительные шаги обработки изображений в механизме восстановления часто включают в себя антивиньетирование, коррекцию пространственного искажения, баланс белого и черного, сглаживание, резкость, цветовой баланс, коррекцию диафрагмы и регулировку гаммы. В некоторых случаях КМОП-датчики изображения оснащены вспомогательными цепями, которые обеспечивают встроенные функции, такие как анти-дрожание (стабилизация изображения) и сжатие изображения.Когда изображение обработано в достаточной степени, оно отправляется в процессор цифровых сигналов для буферизации в порт вывода.

Поскольку датчики изображения CMOS способны получать доступ к данным отдельных пикселей по всей матрице фотодиодов, их можно использовать для выборочного чтения и обработки только выбранной части пикселей, захваченных для определенного изображения. Этот метод известен как окон (или считывания интересующего окна ) и значительно расширяет возможности обработки изображений с помощью этих датчиков.Управление окнами осуществляется непосредственно на микросхеме через схему синхронизации и управления, что позволяет получать доступ к окну любого размера в любой позиции в пределах активной области массива и отображать его с разрешением один к одному. Эта функция может быть чрезвычайно полезна, когда необходимо временное отслеживание движения объекта в одной подобласти изображения. Его также можно использовать для встроенного управления электронными операциями панорамирования, масштабирования, ускоренного считывания и наклона выбранной части или всего изображения.

Большинство высокопроизводительных КМОП-сенсоров имеют несколько режимов считывания (аналогичные тем, которые используются в ПЗС-сенсорах) для повышения универсальности программирования интерфейса программного обеспечения и опалубки. Прогрессивная развертка. Режим считывания обеспечивает последовательный доступ к каждому пикселю в каждой строке в матрице фотодиодов (по одному пикселю за раз), начиная с верхнего левого угла и заканчивая нижним правым углом. Другой популярный режим считывания называется с чересстрочной разверткой и работает путем считывания данных пикселей в двух последовательных полях, поле нечетного , за которым следует поле , четное и .Поля чередуются строками от верха массива к низу, и каждая строка группы записывается последовательно перед чтением следующей группы. Например, в датчике, имеющем 40 строк пикселей, первая, третья, пятая и так далее до 39-й строки считываются первыми, затем следуют вторая, четвертая, шестая и до 40-й строки.

Электронная заслонка в датчиках изображения CMOS требует добавления одного или нескольких транзисторов к каждому пикселю, что в некоторой степени непрактично, учитывая уже скомпрометированный коэффициент заполнения в большинстве устройств.Так обстоит дело с большинством датчиков изображения области сканирования. Однако были разработаны датчики с линейной разверткой, в которых транзисторы с затвором размещены рядом с активной областью пикселя, чтобы уменьшить нагрузку фактора заполнения. Многие разработчики реализовали решение с неоднородным поворотным затвором и , которое показывает последовательные строки в массиве в разные интервалы времени с использованием минимального количества транзисторов в пикселях. Хотя механизмы рольставни хорошо работают для неподвижных изображений, они могут создавать размытость при движении, приводящую к искажению изображения при высокой частоте кадров.Чтобы решить эту проблему, инженеры создали унифицированных синхронных затворов , которые открывают всю матрицу одновременно. Поскольку этот метод требует дополнительных транзисторов в каждом пикселе, существует некоторый компромисс в отношении коэффициентов заполнения, если одновременно не используются более крупные пиксели.

Динамический диапазон датчика изображения CMOS определяется максимальным количеством сигнальных электронов, накопленных фотодиодами (зарядная емкость), деленным на сумму всех компонентов шума считывания датчика ( минимальный уровень шума ), включая возникающие временные источники шума. за определенное время интеграции.Вклад всех источников темнового шума, таких как шум темнового тока, а также шум считывания пикселей и временной шум, возникающий из тракта прохождения сигнала (но не дробовой шум фотонов), включен в этот расчет. Минимальный уровень шума ограничивает качество изображения в темных областях изображения и увеличивается со временем экспозиции из-за дробового шума темнового тока. Фактически, поэтому динамический диапазон — это отношение наибольшего обнаруживаемого сигнала к наименьшему одновременно обнаруживаемому сигналу (минимальный уровень шума).Динамический диапазон часто указывается в уровнях серого , децибел, или бит, , с более высокими отношениями сигнальных электронов к шуму, производящим большие значения динамического диапазона (больше децибел или бит). Обратите внимание, что динамический диапазон регулируется характеристиками отношения сигнал-шум датчика, а битовая глубина является функцией аналого-цифрового преобразователя (ов), используемого в датчике. Таким образом, 12-битное цифровое преобразование соответствует чуть более 4000 уровней серого или 72 децибелам, в то время как 10-битное цифровое преобразование может разрешить 1000 уровней серого, что является соответствующей битовой глубиной для динамического диапазона 60 децибел.По мере увеличения динамического диапазона датчика улучшается возможность одновременной регистрации самой тусклой и самой яркой интенсивности изображения (внутрисценовый динамический диапазон), а также возможности количественного измерения детектора. Межсценовый динамический диапазон представляет собой спектр интенсивностей, который может быть адаптирован, когда усиление детектора, время интегрирования, апертура объектива и другие переменные регулируются для различных полей зрения.

Одной из наиболее универсальных возможностей датчиков изображения CMOS является их способность захватывать изображения с очень высокой частотой кадров.Это позволяет записывать покадровые последовательности и видео в реальном времени через интерфейсы с программным управлением. Частота от 30 до 60 кадров в секунду является обычной, в то время как несколько высокоскоростных формирователей изображений могут достигать ускоренной скорости более 1000. Дополнительные схемы поддержки, включая сопроцессоры и внешнюю память с произвольным доступом, необходимы для создания систем камер, которые могут принимать преимущество этих функций.

Выводы

КМОП-датчики изображения изготавливаются по хорошо зарекомендовавшим себя стандартным кремниевым процессам на крупных заводах по производству полупроводниковых пластин, которые также производят соответствующие микросхемы, такие как микропроцессоры, схемы памяти, микроконтроллеры и процессоры цифровых сигналов.Огромным преимуществом является то, что цифровые логические схемы, драйверы тактовых импульсов, счетчики и аналого-цифровые преобразователи могут быть размещены на той же кремниевой основе и в то же время, что и матрица фотодиодов. Это позволяет КМОП-датчикам участвовать в процессах сжатия, которые перемещаются в сторону меньшей ширины линии с минимальными изменениями конструкции, аналогично другим интегральным схемам. Даже в этом случае, чтобы гарантировать устройства с низким уровнем шума и высокой производительностью, стандартный процесс изготовления CMOS часто необходимо модифицировать, чтобы специально приспособить для этого датчики изображения.Например, стандартные методы КМОП для создания транзисторных переходов в логических микросхемах могут создавать высокие темновые токи и низкий отклик синего цвета при применении к устройству формирования изображения. Оптимизация процесса для датчиков изображения часто требует компромиссов, которые делают сценарий производства ненадежным для обычных устройств CMOS.

Размер пикселей продолжал сокращаться в течение последних нескольких лет, от гигантских пикселей 10-20 микрон, которые были главными в устройствах середины 1990-х годов, до сенсоров размером 6-8 микрон, которые в настоящее время завоевывают рынок.Повышенный спрос на миниатюрные устройства электронной обработки изображений, такие как камеры наблюдения и телефонные камеры, побудил дизайнеров еще больше снизить размеры пикселей. Датчики изображения с пикселями размером 4–5 микрон используются в устройствах с меньшими массивами, но для многомегапиксельных чипов потребуются пиксели размером от 3 до 4 микрон. Чтобы достичь этих размеров, КМОП-сенсоры изображения должны производиться на производственных линиях с толщиной 0,25 мкм или более узкими. Используя более узкую ширину линии, больше транзисторов может быть упаковано в каждый элемент пикселя при сохранении приемлемых коэффициентов заполнения при условии, что коэффициенты масштабного коэффициента приближаются к единице.С производственными линиями от 0,13 до 0,25 микрон должны стать передовые технологии, такие как внутрипиксельные аналого-цифровые преобразователи, полноцветная обработка, логика интерфейса и другие связанные сложные схемы, настроенные для увеличения гибкости и динамического диапазона датчиков CMOS. возможный.

Хотя на многих заводах по производству КМОП отсутствуют этапы процесса добавления цветных фильтров и массивов микролинз, эти этапы все чаще применяются для производства датчиков изображения по мере роста рыночного спроса.Кроме того, методы оптической упаковки, которые имеют решающее значение для устройств формирования изображений, требуют чистых помещений и оборудования для обработки плоского стекла, которое обычно не встречается на заводах, производящих стандартные логические схемы и интегральные схемы процессоров. Таким образом, рост затрат на изготовление датчика изображения может быть значительным.

Список приложений для датчиков изображения CMOS резко вырос за последние несколько лет. С конца 1990-х годов CMOS-датчики составляли все большее количество устройств обработки изображений, продаваемых в таких приложениях, как факсы, сканеры, камеры видеонаблюдения, игрушки, игры, камеры для ПК и недорогие потребительские камеры.В ближайшие годы универсальные датчики, вероятно, также начнут появляться в сотовых телефонах, считывателях штрих-кодов, оптических мышах, автомобилях и, возможно, даже в бытовой технике. Благодаря своей способности захватывать последовательные изображения с высокой частотой кадров, КМОП-сенсоры все чаще используются для промышленного контроля, систем вооружения, гидродинамики и медицинской диагностики.

Наименьший по площади датчик изображения: Полнокадровый датчик: достоинства и недостатки

Полнокадровый датчик: достоинства и недостатки

Что такое полный кадр?

Чем больше, тем лучше

Совместимость объективов с полнокадровым датчиком

Кроп-фактор

Почему отличается глубина резкости

Как снимать с полнокадровым датчиком

Как влияет на ваши фотографии полнокадровый датчик

Плюсы и минусы полнокадрового датчика

Как работает цифровой фотоаппарат

Принцип работы фотоматрицы

Динамический диапазон

Формирование цветного изображения

Размеры матриц в камере смартфона: какие и где встречаются

На что влияет размер матрицы

Ультрапиксели

Популярные размеры матриц в смартфонах

1/4″

1/3,2″

1/3″

1/2,8″

1/2,6″

1/2,4″

1/2,3″

Более крупные матрицы камер

Популярный смартфон Xiaomi Redmi Note 9 Pro с отличной камерой