Строение видеокамеры (стр. 3 из 4)
Мишени видикона, отличающиеся большим разнообразием по конструкции (одни состоят из двух или трёх слоев, другие имеют мозаичную структуру или включают гладкие и пористые прослойки), делятся на фоторезистивные и фотодиодные. В фоторезистивных мишенях процесс разряда определяется объёмными свойствами фотопроводящего слоя; фотоэффект в них характеризуется значительной инерционностью.
Типичный материал фоторезистивных мишеней — трёхсернистая сурьма; используются также аморфный Se и некоторыерые другие. В фотодиодных мишенях разряд определяется свойствами р-n-перехода, которрые обеспечивают полное разделение световых носителей и в связи с этим безынерционность, линейность световой характеристики, предельно высокую чувствительность прибора. В качестве материала таких мишеней обычно служат PbO, Si, CdSe и др.
В зависимости от типа используемой мишени видиконы делятся на кремниконы, плюмбиконы, кадмиконы, сатиконы, нью-виконы, халниконы, эндиконы и др.
Видиконы создают сигнал изображения при минимальной освещённости мишени от десятых долей до десятков лк, обеспечивая разрешающую способность от 400 до 10 000 линий. Чувствительность передающих телевизионных камер на видиконе ограничена шумами усилителя и растёт при их уменьшении. Если потери из-за такого ограничения велики (например, при сверхвысоком разрешении), то используются видиконы, в которых отражённый от мишени луч усиливается вторично-электронным умножителем.
Для цветного телевидения созданы видиконы, генерирующие два или три видеосигнала.
В настоящее время для получения видеосигналов вместо видиконов чаще используются полупроводниковые электронные матрицы.
Б) Матрица или светочувствительная матрица. Специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — фотодиодов.
Предназначена для преобразования спроецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).
Является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств.
Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации.
Устройство одного пикселя матрицы
Архитектура пикселей у производителей разная. Здесь приводится архитектура ПЗС пикселя для примера.
Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа
Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)
Обозначения на схеме субпикселя ПЗС — матрицы с карманом n-типа
1 — Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата.
2 — Микролинза субпикселя
3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера.
4 — Прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова.
5 — Оксид кремния.
6 — Кремниевый канал n-типа. Зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта.
7 — Зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей
8 — Кремниевая подложка p-типа.
Микролинза субпикселя
Буферные регистры сдвига на ПЗС матрице, равно как и обрамление КМОП-пиксела на КМОП-матрице "съедают" значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю достаётся лишь 30 % светочувствительной области от его общей поверхности. У матрицы с полнокадровым переносом эта область составляет 70 %. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС матриц над пикселем устанавливается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает бо́льшую часть площади ПЗС - элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела.
Поскольку с помощью микролинз удаётся гораздо полнее регистрировать падающий на сенсор световой поток, по мере совершенствования технологии ими стали снабжать не только системы с буферизацией столбцов, но и матрицы с полнокадровым переносом. Между тем, микролинзы нельзя назвать "решением без недостатков".
Микролинзы уменьшают эффективную угловую апертуру матрицы как воспринимающей оптической системы. Косо падающие лучи света оказываются подвержены частичному отражению от передней поверхности микролинз и полному внутреннему отражению в короткофокусной оптической системе, каковой является микролинза. Это приводит к виньетированию изображения. Было предложено два основных решения этой проблемы:
Характеристики матриц
Светочувствительность, отношение сигнал-шум и физический размер пикселя однозначно взаимосвязаны (для матриц, созданных по одной и той же технологии). Чем больше физический размер пикселя, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном сотношении сигнал-шум. Физический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют размер пикселя.
Чувствительность
К матрицам применяется термин эквивалентная "чувствительность", потому что:
1) в зависимости от назначения матрицы формальное значение чувствительности может определяться различными способами по различным критериям;
2) аналоговым усилением сигнала и цифровой постобработкой можно менять значение чувствительности матрицы в широком диапазоне;
У цифровых фотоаппаратов значение эквивалентной чувствительности может меняться в диапазоне ISO 50-6400. Максимальная используемая в массовых фотоаппаратах чувствительность соответствует отношению сигнал/шум 2-5.
Разрешение
Обычно, говоря о разрешении цифровой матрицы, следуют сложившемуся штампу, то есть просто приводят количество пикселей. При это забывают упомянуть, что матрица может разрешить только то изображение, которое уже сформировано объективом. И если объектив в силу недостаточно высокой разрешающей способности передаёт ДВЕ светящиеся точки объекта, разделённые третьей чёрной, как одну светящуюся точку на ТРИ подряд расположенных пиксела, то говорить о разрешении фотоаппарата в целом на основе данных о матрице будет опрометчиво.
Разрешение матриц цифровых фотокамер в мегапикселях (2008 г.), (миллионах пикселей):
1) Разрешение матриц компактных цифровых фотокамер 6-12 Мпикс;
2) Камеры мобильных телефонов имеют разрешение матриц 0,1-5 Мпикс;
3) фотокамера Canon EOS-1Ds Mark III имеет разрешение матрицы 21 Мпикс;
4) цифровые задники для среднеформатных фотоаппаратов "Hasselblad" имеют разрешение матриц более 16 Мпикс;
Физический размер матрицы
Сравнение размеров фотосенсоров цифровых фотокамер и 35-мм плёнки.
Размер матрицы измеряется по диагонали, в долях дюйма (4/3", 2/3", 1/1,8", 1/2,2"). Данная традиция измерения происходит от диаметра передающих телевизионных трубок и часто называется "дюймы видикона".
Чем больше физический размер матрицы, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном сотношении сигнал-шум.
Законы геометрической оптики задают зависимость ГРИП от физического размера матрицы. Сфотографируем тремя фотоаппаратами с разным физическим размером матрицы одну и ту же сцену с одним и тем же углом зрения и одним и тем же значением диафрагмы на объективах. После чего станем рассматривать результат (файл на компьютере, распечатку с принтера) в одинаковых условиях. ГРИП на снимке, сделанном фотоаппаратом с наименьшей матрицей, будет наибольшей (больше предметов в кадре будет показано резко), а фотоаппарат с наибольшей мАтрицей покажет наименьшую ГРИП (предметы не в зоне резкости будут сильнее размыты).
Отношение сторон кадра
1) Стандарт кадра 4:3 в основном применяется в любительских цифровых фотоапПаратах. НекотОрыЕ фирмы, например, Canon, выпускают в этих фотоаппаратах настройку соотношения сторон в диапазонах 4:3 и 16:9.[2]
2) Стандарт кадра 3:2 применяется в зеркальных цифровых фотоаппаратах
3) Выпускается незначительное число моделей с кадром 16:9
4) В цифровых зеркальных фотоаппаратах Olympus используется матрица с соотношением сторон 4:3 (стандарт Four Thirds System).
Пропорции пиксела
1) Выпускаются матрицы с тремя различными пропорциями пиксела
2) Для видеоаппаратуры выпускаются сенсоры с пропорцией пиксела 4:3 (PAL) или 3:4 (NTSC)
Фотографическое, рентгенографическое и астрономическое оборудование, а также развивающееся сейчас HDTV видеооборудование обычно имеет квадратный пиксел.
Типы матриц по применяемой технологии
Долгое время ПЗС-матрицы были практически единственным массовым видом фотосенсоров. Реализация технологии Active Pixel Sensors около 1993 года и дальнейшее развитие технологий привели в итоге к тому, что к 2008 году КМОП-матрицы стали практически альтернативой ПЗС.[3]
CCD-матрица
Состоит из светочувствительных фотодиодов, выполнена на основе кремния, использует технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.
CMOS-матрица
Выполнена на основе КМОП-технологии. Каждый пиксел снабжён усилителем считывания, а выборка сигнала с конкретного пискела происходит, как в микросхемах памяти, произвольно.
SIMD WDR матрица,
Также выполненная на основе КМОП-технологии, имеет в обрамлении каждого пиксела ещё и автоматическую систему настройки времени его экспонирования, что позволияет радикально увеличить Єотографическую широту устройства.[4]