(jezik: 'ru')
Nastavljam razgovor o uređaju započet u prethodnoj publikaciji.
Jedan od glavnih elemenata digitalnog fotoaparata koji ga razlikuje od filmskih kamera je fotosenzitivni element, takozvani pojačivač slike ili fotosenzitivni digitalna kamera. Već smo govorili o matricama kamere, ali sada pogledajmo strukturu i princip rada matrice malo detaljnije, ali prilično površno kako ne bismo previše zamarali čitaoca.
Danas je većina digitalnih fotoaparata opremljena sa CCD matrice.
CCD matrica. Uređaj. Princip rada.
Pogledajmo uređaj općenito CCD matrice.
Poznato je da se poluvodiči dijele na poluvodiče n-tipa i p-tipa. Poluprovodnik n-tipa ima višak slobodnih elektrona, dok poluprovodnik p-tipa ima višak pozitivnih naelektrisanja, „rupa” (a samim tim i nedostatak elektrona). Sva mikroelektronika se zasniva na interakciji ova dva tipa poluprovodnika.
Dakle, element CCD matrice digitalnog fotoaparata je uređen na sljedeći način. Vidi sl.1:
Fig.1
Da ne ulazimo u detalje, CCD element ili uređaj sa naelektrisanjem, u engleskoj transkripciji: charge-coupled-device - CCD, je MIS (metal-dielectric-semiconductor) kondenzator. Sastoji se od supstrata p-tipa - sloja silicijuma, izolatora od silicijum dioksida i ploča elektroda. Kada se na jednu od elektroda nanese pozitivan potencijal, ispod nje se formira zona koja je osiromašena glavnim nosiocima - rupama, budući da se električnim poljem guraju od elektrode dublje u podlogu. Tako se ispod ove elektrode formira potencijalna bušotina, odnosno energetska zona pogodna za kretanje manjinskih nosača - elektrona - u nju. U ovoj rupi se nakuplja negativan naboj. U ovoj bušotini može se čuvati dosta dugo zbog odsustva rupa u njoj, a samim tim i razloga za rekombinaciju elektrona.
U fotosenzitivnim matrice Elektrode su filmovi od polikristalnog silicijuma, providni u vidljivom dijelu spektra.
Fotoni svjetlosti koji upadaju na matricu ulaze u silicijumsku podlogu, formirajući u njoj par rupa-elektron. Rupe, kao što je gore spomenuto, pomiču se dublje u supstrat, a elektroni se akumuliraju u potencijalnoj bušotini.
Akumulirani naboj je proporcionalan broju fotona koji upadaju na element, odnosno intenzitetu svjetlosnog toka. Tako se na matrici stvara reljef naboja, koji odgovara optičkoj slici.
Kretanje naelektrisanja u CCD matrici.
Svaki CCD element ima nekoliko elektroda na koje se primjenjuju različiti potencijali.
Kada se potencijal veći od onog primijenjenog na ovu elektrodu dovede na susjednu elektrodu (vidi sliku 3), ispod nje se formira dublja potencijalna jama u koju se kreće naboj iz prve potencijalne jame. Na taj način se naboj može kretati iz jedne CCD ćelije u drugu. CCD element prikazan na slici 3 naziva se trofazni, a postoje i 4-fazni elementi.
Fig.4. Shema rada trofaznog uređaja s nabojom - pomični registar.
Za pretvaranje naelektrisanja u strujne impulse (fotostruja), koriste se registri serijskog pomaka (vidi sliku 4). Ovaj pomični registar je red CCD elemenata. Amplituda strujnih impulsa je proporcionalna količini prenesenog naboja, a time i upadnom svjetlosnom toku. Slijed strujnih impulsa generiranih čitanjem niza naelektrisanja se zatim primjenjuje na ulaz pojačala.
Nizovi blisko raspoređenih CCD elemenata se kombinuju u CCD matrica. Rad takve matrice temelji se na stvaranju i prijenosu lokalnog naboja u potencijalnim bunarima stvorenim električnim poljem.
Sl.5.
Naboji svih CCD elemenata registra sinhrono se kreću u susjedne CCD elemente. Naboj koji je bio u posljednjoj ćeliji izlazi iz registra i zatim se dovodi na ulaz pojačala.
Ulaz serijskog pomačnog registra prima naelektrisanja iz okomito raspoređenih pomeračkih registara, koji se zajednički nazivaju paralelni pomerajući registar. Paralelni i serijski registri pomaka čine CCD matricu (vidi sliku 4).
Pomični registri okomiti na serijski registar nazivaju se stupci.
Kretanje paralelnih registarskih naboja je striktno sinhronizovano. Svi naboji u jednom redu se istovremeno pomjeraju u susjedni. Naboji posljednjeg reda ulaze u sekvencijalni registar. Tako, u jednom radnom ciklusu, niz naelektrisanja iz paralelnog registra stiže na ulaz serijskog registra, oslobađajući prostor za novoformirane naboje.
Rad serijskih i paralelnih registara sinhronizovan je generatorom takta. dio matrica digitalnog fotoaparata Također uključuje mikrokolo koje opskrbljuje potencijale elektrodama za prijenos registra i kontrolira njihov rad.
Cijev za pojačavanje slike ovog tipa naziva se CCD-matrica punog kadra. Za njen rad neophodan je svetlootporni poklopac, koji prvo otvara cijev pojačivača slike radi izlaganja svetlosti, a zatim se, kada primi broj fotona neophodan da akumulira dovoljan naboj u elementima matrice, zatvara. to od svetlosti. Ovaj poklopac je mehanički zatvarač, kao u filmskim kamerama. Odsustvo takvog gejta dovodi do činjenice da kada se naboji kreću u registru pomaka, ćelije nastavljaju biti zračene svjetlošću, dodajući dodatne elektrone naboju svakog piksela koji ne odgovaraju svjetlosnom toku date točke. To dovodi do "razmazivanja" naboja i, shodno tome, do izobličenja rezultirajuće slike.
Solid-state fotoelektrični pretvarači (SPEC) slika su analogi prenosnih CRT-ova.
TFEC-ovi datiraju iz 1970. godine, sa takozvanim CCD-ovima i formirani su na bazi pojedinačnih ćelija, koje su kondenzatori MIS ili MOS strukture. Jedna od ploča takvog elementarnog kondenzatora je metalni film M, druga je poluvodički supstrat P ( str- ili n-provodljivost), dielektrik D je poluprovodnik taložen u obliku tankog sloja na podlogu P. Supstrat P je silicijum dopiran akceptorom ( str-tip) ili donator ( n-tip) nečistoća, a kao D – silicijum oksid SiO 2 (vidi sliku 8.8).
Rice. 8.8. MOS kondenzator
Rice. 8.9. Kretanje naelektrisanja pod uticajem električnog polja
Rice. 8.10. Princip rada trofaznog CCD sistema
Rice. 8.11. Kretanje naboja u dvofaznom CCD sistemu
Kada se napon dovede na metalnu elektrodu, ispod nje se formira „džep“ ili potencijalna jama u kojoj se manjinski nosioci (u našem slučaju elektroni) mogu „akumulirati“, a većinski nosioci, rupe, će se odbiti od M. Na određenoj udaljenosti od površine, koncentracija manjinskih nosača može biti veća od koncentracije glavnih nosilaca. U blizini dielektrika D, u podlozi P pojavljuje se inverzioni sloj u kojem se tip provodljivosti mijenja u suprotan.
Paket punjenja u CCD-u se može uvesti električnim putem ili korištenjem generiranja svjetlosti. Tokom generisanja svjetlosti, fotoelektrični procesi koji se odvijaju u silicijumu dovest će do akumulacije manjinskih nosača u potencijalnim bunarima. Akumulirani naboj je proporcionalan osvjetljenju i vremenu akumulacije. Usmjereni prijenos naboja u CCD-u postiže se postavljanjem MOS kondenzatora tako blizu jedan drugom da se njihova područja iscrpljivanja preklapaju i potencijalni bunari su povezani. U tom slučaju će se mobilni naboj manjinskih nosača akumulirati na mjestu gdje je potencijalni bunar dublji.
Neka se naelektrisanje akumulira ispod elektrode pod uticajem svetlosti U 1 (vidi sliku 8.9). Ako sada na susjednu elektrodu U 2 primijeniti napon U 2 >U 1, tada će se u blizini pojaviti još jedna potencijalna rupa, dublja ( U 2 >U 1). Između njih će nastati oblast električnog polja i manjinski nosioci (elektroni) će odlutati (teći) u dublji „džep“ (vidi sliku 8.9). Da bi se eliminisala dvosmjernost u prijenosu naelektrisanja, koristi se niz elektroda, kombinovanih u grupe od 3 elektrode (vidi sliku 8.10).
Ako se, na primjer, ispod elektrode 4 nakupilo naboj i potrebno ga je prenijeti udesno, tada se na desnu elektrodu 5 primjenjuje veći napon ( U 2 >U 1) i naboj teče do njega, itd.
Gotovo cijeli set elektroda povezan je na tri sabirnice:
I – 1, 4, 7, …
II – 2, 5, 8, …
III – 3, 6, 9, …
U našem slučaju, "prijemni" napon ( U 2) će se nalaziti na elektrodama 2 i 5, ali je elektroda 2 odvojena od elektrode 4, gdje je naboj pohranjen, elektrodom 3 (koja
U 3 = 0), tako da neće biti protoka na lijevo.
Trociklusni CCD rad uključuje prisustvo tri elektrode (ćelije) po elementu TV slike, što smanjuje korisnu površinu koju koristi svjetlosni tok. Da bi se smanjio broj CCD ćelija (elektroda), metalne elektrode i dielektrični sloj se formiraju u stepenastom obliku (vidi sliku 8.11). Ovo omogućava, kada se impulsi napona primjenjuju na elektrode, da se pod različitim dijelovima elektroda stvore potencijalne bušotine različitih dubina. Većina naelektrisanja iz susjedne ćelije teče u dublju rupu.
Kod dvofaznog CCD sistema, broj elektroda (ćelija) u matrici je smanjen za jednu trećinu, što ima blagotvoran učinak na očitavanje potencijalnog reljefa.
Prvobitno je predloženo da se CCD-ovi koriste u računarstvu kao uređaji za skladištenje i registri pomeranja. Na početku lanca postavljena je injekciona dioda koja uvodi punjenje u sistem, a na kraju lanca - izlazna dioda, obično n-p- ili p-n- tranzicije MOS struktura koje formiraju tranzistore sa efektom polja sa prvom i zadnjom elektrodom (ćelijama) CCD lanca.
Ali ubrzo je postalo jasno da su CCD-ovi vrlo osjetljivi na svjetlost, te ih je stoga bolje i efikasnije koristiti kao svjetlosni detektori, a ne kao uređaji za skladištenje.
Ako se CCD matrica koristi kao fotodetektor, tada se akumulacija naboja ispod jedne ili druge elektrode može provesti optičkom metodom (ubrizgavanje svjetlosti). Možemo reći da su CCD-ovi u suštini analogni registri pomaka osjetljivi na svjetlost. Danas se CCD-ovi ne koriste kao uređaji za skladištenje (memorija), već samo kao fotodetektori. Koriste se u faks mašinama, skenerima (CCD nizovi) i kamerama i video kamerama (CCD nizovi). Obično TV kamere koriste takozvane CCD čipove.
Pretpostavili smo da se 100% troškova prenosi u susjedni džep. Međutim, u praksi moramo računati sa gubicima. Jedan od izvora gubitaka su „zamke“ koje mogu uhvatiti i zadržati naboje neko vrijeme. Ova punjenja nemaju vremena da teku u susjedni džep ako je brzina prijenosa velika.
Drugi razlog je sam mehanizam protoka. U prvom trenutku dolazi do prijenosa naboja u jakom električnom polju - unošenje E. Međutim, kako naboji teku, jačina polja opada i proces drifta blijedi, tako da se posljednji dio pomiče zbog difuzije, 100 puta sporije od drifta. Čekanje zadnje porcije znači smanjenje performansi. Drift obezbeđuje više od 90% transfera. Ali posljednji postotak je glavni u određivanju gubitaka.
Neka je koeficijent prijenosa jednog ciklusa prijenosa jednak k= 0,99, pod pretpostavkom da je broj ciklusa jednak N= 100, određujemo ukupan koeficijent prenosa:
0,99 100 = 0,366
Postaje očigledno da sa velikim brojem elemenata čak i manji gubici na jednom elementu postaju od velike važnosti za lanac u celini.
Stoga je pitanje smanjenja broja prijenosa naboja u CCD matrici posebno važno. U tom smislu, koeficijent prijenosa naboja dvofazne CCD matrice bit će nešto veći nego u trofaznom sistemu.
Šta je CCD matrica?
CCD matrica / Charge-Coupled Device ili CCD matrica / Charge-Coupled Device je analogno integrirano kolo koje sadrži fotoosjetljive fotodiode napravljene od silicijum ili kalaj oksida. Princip rada ovog mikrokola je baziran na tehnologiji uređaja sa spojenim punjenjem (CCD).
Istorijat CCD matrice
Uređaj sa spregnutim punjenjem prvi su upotrijebili George Smith i Willard Boyle u Bell Laboratories najveće američke korporacije AT&T Bell Labs 1969. godine. Oni su sproveli istraživanja u oblasti video telefonije i takozvane “memorije poluvodičkih mehurića”.
Ubrzo su minijaturni uređaji postali prilično rašireni i počeli su se koristiti kao memorijski uređaji u kojima se punjenje stavlja u ulazni registar mikrosklopa. Nakon nekog vremena, sposobnost memorijskog elementa da primi naboj zbog fotoelektričnog efekta postala je glavna svrha upotrebe CCD uređaja.
Godinu dana kasnije, 1970., istraživači iz iste Laboratorije su bili u mogućnosti da snime slike koristeći najjednostavnije linearne uređaje, koje su inženjeri kompanije Sony zapravo usvojili. Ova kompanija i dalje aktivno radi u oblasti CCD tehnologija, ulažući ogromna finansijska ulaganja u ovu oblast, i na svaki mogući način razvijajući proizvodnju CCD matrica za svoje video kamere. Inače, CCD čip je instaliran na nadgrobnom spomeniku izvršnog direktora kompanije Sony Kazuo Iwama, koji je umro 1982. godine. Uostalom, on je bio taj koji je stajao na početku masovne proizvodnje CCD matrica.
Doprinos pronalazača CCD matrice nije ostao nezapažen; 2006. godine Willard Boyle i George Smith dobili su nagradu američke Nacionalne akademije inženjeringa za razvoj u ovoj oblasti, a 2009. godine dobili su Nobelovu nagradu za fiziku. .
Princip rada CCD matrice
CCD matrica je gotovo u potpunosti napravljena od polisilicijuma, koji je u početku bio odvojen od silikonske podloge posebnom membranom. Kada se napon dovede na membranu kroz polisilicijumske kapije, električni potencijali koji se nalaze u blizini elektroda provodnika se jako menjaju.
Prije izlaganja i primjene određenog napona na elektrode, sva naelektrisanja koja su nastala ranije se resetuju, a svi elementi se pretvaraju u identično ili originalno stanje.
Kombinacija napona na elektrodama stvara potencijalnu rezervu ili tzv. bunar, gdje se elektroni akumuliraju u određenom pikselu matrice tokom ekspozicije pod utjecajem svjetlosnih zraka. U zavisnosti od intenziteta svetlosnog toka, određuje se i zapremina akumuliranih elektrona u potencijalnoj bušotini, pa što je ona veća, to će biti veća snaga konačnog naelektrisanja određenog piksela.
Nakon završetka ekspozicije, u svakom pojedinom pikselu dolazi do uzastopnih promjena napona napajanja elektroda, pored kojih se uočava raspodjela potencijala, uslijed čega se naboji kreću u zadanom smjeru - do izlaznih piksela CCD matrice.
Sastav elemenata CCD matrice
Uopšteno govoreći, dizajn CCD elementa može se predstaviti kao p-tip silikonskog supstrata opremljenog poluvodičkim kanalima n-tipa. Iznad ovih kanala nalaze se polikristalne silicijumske elektrode sa izolacionom membranom od silicijum oksida.
Nakon primjene električnog potencijala na ove elektrode, u oslabljenoj zoni ispod kanala n-tipa pojavljuje se potencijalna zamka (bunar). Njegov glavni zadatak je očuvanje elektrona. Čestica svjetlosti koja ulazi u silicijum izaziva generisanje elektrona koji potencijalna zamka privlači i ostaju u njoj. Veliki broj fotona ili jakog svjetla obezbjeđuje snažno punjenje zamke, nakon čega je potrebno izračunati i pojačati vrijednost rezultirajućeg naboja, koji stručnjaci nazivaju fotostruja.
Proces očitavanja fotostruja CCD elemenata odvija se pomoću takozvanih serijskih pomaka, koji pretvaraju niz naboja na ulazu u niz impulsa na izlazu. Ovaj impulsni tok je zapravo analogni signal koji ide do pojačala.
Tako se naboji linije iz CCD elemenata mogu konvertovati u analogni signal pomoću registra. U praksi se sekvencijalni pomakni registar u CCD matricama izvodi pomoću istih CCD elemenata ugrađenih u jedan red. Štaviše, rad ovog uređaja zasniva se na sposobnosti uređaja sa nabojom da razmjenjuju naboje svojih potencijalnih zamki. Ovaj proces se provodi zahvaljujući prisutnosti specijaliziranih prijenosnih elektroda, koje se postavljaju između susjednih CCD elemenata. U trenutku kada se povećani potencijal primjenjuje na najbližu elektrodu, naboj prolazi ispod nje iz potencijalne jame. Istovremeno, između CCD elemenata se obično nalaze dvije do četiri elektrode za prijenos, čiji broj određuje fazu registra pomaka, koja se naziva dvofazna, trofazna ili četverofazna.
Napajanje prijenosnih elektroda različitih potencijala sinhronizirano je na način da se prijelaz naboja potencijalnih zamki svih CCD elemenata registra odvija gotovo istovremeno. Dakle, u jednom "korak" prijenosa, CCD elementi pomiču naboje duž lanca s desna na lijevo ili s lijeva na desno. U ovom slučaju, krajnji CCD element daje svoj naboj pojačavaču, koji se nalazi na izlazu registra. Dakle, postaje sasvim očigledno da je serijski pomak registar serijski izlazni, paralelni ulazni uređaj.
Nakon što se završi proces očitavanja apsolutno svih naplata iz registra, postaje moguće unijeti novi red na njegov ulaz, zatim još jedan i tako dalje. Rezultat je kontinuirani analogni signal zasnovan na dvodimenzionalnom toku fotostruja. Nakon toga, paralelni ulazni tok u serijski pomakni registar je osiguran kolekcijom vertikalno orijentiranih serijskih pomaka koji se nazivaju paralelni pomakni registar. Cijela ova sklopljena struktura je upravo uređaj koji se danas naziva CCD matrica.
CCD matrica(skraćeno od " P ribor with h aryadova With ligatura") ili CCD matrica(skraćeno od engleski CCD, "Uređaj sa spojenim punjenjem") - specijalizovani analogni integralno kolo, koji se sastoji od fotosenzitivnih fotodiode, napravljen na osnovu silicijum koristeći tehnologiju CCD- uređaji sa spojkom punjenja.
CCD matrice proizvode i aktivno koriste kompanije Nikon, Canon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips i mnogi drugi. U Rusiji, CCD matrice danas razvija i proizvodi NPP ELAR CJSC, Sankt Peterburg.
1 Istorija CCD-a 2 Opća struktura i princip rada 3 Klasifikacija metodom puferiranja 4 Klasifikacija prema tipu sweep-a 5 Dimenzije fotografskih matrica 6 Neke posebne vrste matrica 7 Fotosenzitivnost 8 vidi takođe 9 Bilješke |
Istorija CCD-a
Izumljen je uređaj sa spregnutim punjenjem 1969 Willard Boyle I George Smith u Bell Laboratories (AT&T Bell Labs). Laboratorije su radile na video telefoniji ( engleski slika telefon) i razvoj „memorije poluvodičkih mehurića“ ( engleski poluprovodnik balon memorija ). Uređaji povezani sa punjenjem započeli su život kao memorijski uređaji u kojima se punjenje moglo staviti samo u ulazni registar uređaja. Međutim, sposobnost memorijskog elementa uređaja da primi punjenje zbog fotoelektrični efekat učinio je ovu primjenu CCD uređaja glavnom.
IN 1970 istraživači Bell Labs naučio da snima slike pomoću jednostavnih linearnih uređaja.
Nakon toga, pod vodstvom Katsua Iwame ( Kazuo Iwama) kompanija Sony se aktivno uključio u CCD-ove, ulažući velika u njih, i uspio uspostaviti masovnu proizvodnju CCD-ova za svoje video kamere.
Iwama je umro u avgustu 1982. Čip CCD postavljen je na njegov nadgrobni spomenik u znak sjećanja na njegov doprinos.
U januaru 2006 za rad na CCD-u W. Boyle I J. Smith su nagrađeni Nacionalna inženjerska akademija SAD (engleski National Akademija of Inženjering).
IN 2009 ovi kreatori CCD-a su nagrađeni Nobelova nagrada za fiziku.
Opća struktura i princip rada
CCD matrica se sastoji od polisilicijum, odvojen od silicijumske podloge, u kojoj se, kada se napon primeni kroz polisilicijumske kapije, električni potencijali u blizini menjaju elektrode.
Prije izlaganja, obično primjenom određene kombinacije napona na elektrode, sva prethodno formirana naelektrisanja se resetuju i svi elementi se dovode u identično stanje.
Zatim, kombinacija napona na elektrodama stvara potencijalni bunar u kojem se mogu akumulirati elektroni formirani u datom pikselu matrice kao rezultat izlaganja svjetlosti tokom ekspozicije. Što je svjetlosni tok intenzivniji tokom izlaganje, što se više akumulira elektrona u potencijalnoj bušotini, shodno tome, veći je konačni naboj datog pixel.
Nakon ekspozicije, uzastopne promjene napona na elektrodama formiraju raspodjelu potencijala u svakom pikselu i pored njega, što dovodi do protoka naboja u datom smjeru, do izlaznih elemenata matrice.
Primjer CCD podpiksela sa džepom tipa n
Proizvođači imaju različite arhitekture piksela.
Dijagram podpiksela CCD matrice s džepom tipa n (na primjeru crvenog fotodetektora)
Simboli na dijagramu subpiksela CCD:
1 - Fotoni svjetlosti koji prolaze kroz sočivo kamere;
2 - Podpikselno mikrosočivo;
3 - R - crveni subpiksel filter, fragment Bayer filter;
4 - Prozirna elektroda od polikristalni silicijum ili kalaj oksid;
5 - Izolator (silicijum oksid);
6 - N-tip silikonskog kanala. Zona generisanja nosioca (interna zona fotoelektričnog efekta);
7 - Zona potencijalnog bunara (džep n-tipa), gde se sakupljaju elektroni iz zone generisanja nosioca;
8 - p-tip silikonske podloge;
Klasifikacija metodom puferiranja
[Senzori prijenosa punog okvira
Matrice sa baferom okvira
Matrice sa baferom u koloni
Dimenzije fotografskih matrica
Koordinatni i kutni senzori
Matrice sa pozadinskim osvetljenjem
U klasičnom CCD kolu, koje koristi polikristalne silicijumske elektrode, osjetljivost na svjetlost je ograničena zbog djelomičnog raspršivanja svjetlosti na površini elektrode. Stoga se pri snimanju u posebnim uvjetima koji zahtijevaju povećanu fotoosjetljivost u plavom i ultraljubičastom području spektra koriste matrice s pozadinskim osvjetljenjem ( engleski nazad- osvijetljeno matrica). U senzorima ovog tipa, zabilježeno je svjetlo pada na podlogu, ali za potreban unutrašnji fotoefekat podloga se melje do debljine 10-15 µm. Ova faza obrade značajno je povećala cijenu matrice; uređaji su se pokazali vrlo krhkima i zahtijevali su veću pažnju prilikom montaže i rada. A kada se koriste filteri koji slabe svjetlosni tok, sve skupe operacije za povećanje osjetljivosti postaju besmislene. Stoga se uglavnom koriste matrice s pozadinskim osvjetljenjem astronomska fotografija.
Fotosenzitivnost
Osetljivost matrice se sastoji od fotosenzitivnosti svih njenih foto senzori(piksela) i općenito ovisi o:
integralna fotosenzitivnost, što je odnos količine fotoelektrični efekat To svjetlo fluks (u lumenima) iz izvora zračenja normalizovanog spektralnog sastava;
monohromatska fotosenzitivnost"- odnos magnitude fotoelektrični efekat do veličine svjetlo energija zračenja (u milielektronvoltima) koja odgovara određenoj talasnoj dužini;
skup svih monokromatskih ISO vrijednosti za odabrani dio spektra svjetlo je spektralna fotosenzitivnost- zavisnost fotosenzitivnosti od talasne dužine svetlosti;
Senzor je glavni element digitalnog fotoaparata
Srce svake digitalne video ili foto kamere (granice između ovih tipova uređaja sada se postepeno zamagljuju) je senzor osjetljiv na svjetlost. On pretvara vidljivu svjetlost u električne signale koji se koriste za dalju obradu elektronskim kolima. Iz školskog predmeta fizike znamo da se svjetlost može posmatrati kao tok elementarnih čestica – fotona. Fotoni koji udare u površinu nekih poluvodičkih materijala mogu dovesti do stvaranja elektrona i rupa (podsjetimo se da se rupa u poluvodičima obično naziva slobodnim mjestom za elektron, nastalo kao rezultat raskida kovalentnih veza između atoma poluvodiča supstanca). Proces stvaranja parova elektron-rupa pod utjecajem svjetlosti moguć je samo u slučaju kada je energija fotona dovoljna da "otrgne" elektron iz "nativnog" jezgra i prenese ga u provodni pojas. Energija fotona je direktno povezana sa talasnom dužinom upadne svetlosti, odnosno zavisi od takozvane boje zračenja. U opsegu vidljivog (to jest, percipiranog ljudskim okom) zračenja, energija fotona je dovoljna za stvaranje parova elektron-rupa u poluvodičkim materijalima kao što je, na primjer, silicijum.
Budući da je broj proizvedenih fotoelektrona direktno proporcionalan intenzitetu svjetlosnog toka, postaje moguće matematički povezati količinu upadne svjetlosti sa količinom naboja koju generiše. Na ovom jednostavnom fizičkom fenomenu zasniva se princip rada fotosenzitivnih senzora. Senzor obavlja pet osnovnih operacija: apsorbira fotone, pretvara ih u naboj, pohranjuje ih, prenosi i pretvara u napon. Ovisno o tehnologiji proizvodnje, različiti senzori na različite načine obavljaju zadatke skladištenja i akumulacije fotoelektrona. Osim toga, različite metode se mogu koristiti za pretvaranje uskladištenih elektrona u električni napon (analogni signal), koji se zauzvrat pretvara u digitalni signal.
CCD senzori
Istorijski gledano, takozvane CCD matrice su bile prve koje su se koristile kao fotoosjetljivi elementi za video kamere, čija je masovna proizvodnja započela 1973. godine. Skraćenica CCD označava uređaj sa spregnutim punjenjem; u engleskoj literaturi se koristi termin CCD (Charge-Coupled Device). Najjednostavniji CCD senzor je kondenzator koji može akumulirati električni naboj kada je izložen svjetlosti. Konvencionalni kondenzator, koji se sastoji od dvije metalne ploče razdvojene dielektričnim slojem, ovdje neće raditi, pa se koriste takozvani MOS kondenzatori. Po svojoj unutrašnjoj strukturi, takvi kondenzatori su sendvič od metala, oksida i poluvodiča (ime su dobili po prvim slovima korištenih komponenti). Dopirani silicijum p-tipa koristi se kao poluprovodnik, odnosno poluprovodnik u kome se formiraju višak rupa usled dodavanja atoma nečistoća (doping). Iznad poluprovodnika je tanak sloj dielektrika (silicijum oksid), a na vrhu je sloj metala koji deluje kao kapija, ako se prati terminologija tranzistora sa efektom polja (slika 1).
Kao što je već napomenuto, pod uticajem svetlosti u poluprovodniku se formiraju parovi elektron-rupa. Međutim, uz proces generiranja, javlja se i obrnuti proces - rekombinacija rupa i elektrona. Stoga se moraju poduzeti koraci da se nastali elektroni i rupe odvoje i pohrane na potrebno vrijeme. Na kraju krajeva, broj formiranih fotoelektrona nosi informaciju o intenzitetu apsorbirane svjetlosti. Za to su dizajnirani kapija i izolacijski dielektrični sloj. Pretpostavimo da je pozitivan potencijal primijenjen na kapiju. U tom slučaju, pod utjecajem stvorenog električnog polja koje prodire kroz dielektrik u poluvodič, rupe, koje su glavni nosioci naboja, počet će se pomicati od dielektrika, odnosno u dubinu poluvodiča. Na granici poluprovodnika sa dielektrikom formira se područje osiromašeno većinski nosiocima, odnosno rupama, a veličina ovog područja ovisi o veličini primijenjenog potencijala. Upravo to osiromašeno područje je „skladište“ za fotoelektrone. Zaista, ako je poluvodič izložen svjetlosti, tada će se rezultirajući elektroni i rupe kretati u suprotnim smjerovima - rupe u dubinu poluvodiča, a elektroni prema sloju iscrpljenosti. Budući da u ovom sloju nema rupa, elektroni će tamo ostati bez procesa rekombinacije potrebno vrijeme. Naravno, proces akumulacije elektrona ne može se nastaviti beskonačno. Kako se broj elektrona povećava, između njih i pozitivno nabijenih rupa stvara se inducirano električno polje, usmjereno suprotno od polja koje stvara kapija. Kao rezultat, polje unutar poluvodiča se smanjuje na nulu, nakon čega proces prostornog razdvajanja rupa i elektrona postaje nemoguć. Kao posljedica toga, formiranje para elektron-rupa je praćeno njegovom rekombinacijom, odnosno broj „informacijskih“ elektrona u osiromašenom sloju prestaje da raste. U ovom slučaju možemo govoriti o prepunom kapacitetu senzora.
Senzor koji smo razmatrali može obaviti dva važna zadatka - pretvaranje fotona u elektrone i njihovo akumuliranje. Ostaje da se riješi problem prijenosa ovih informacionih elektrona u odgovarajuće blokove konverzije, odnosno problem preuzimanja informacija.
Zamislimo ne jednu, već nekoliko blisko raspoređenih kapija na površini istog dielektrika (slika 2). Neka se elektroni akumuliraju ispod jedne od kapija kao rezultat fotogeneracije. Ako se na susjednu kapiju primijeni veći pozitivni potencijal, tada će elektroni početi teći u područje jačeg polja, odnosno kretati se od jedne kapije do druge. Sada bi trebalo biti jasno da ako imamo lanac kapija, onda primjenom odgovarajućih kontrolnih napona na njih, možemo pomicati lokalizirani paket naboja duž takve strukture. Na ovom jednostavnom principu su zasnovani uređaji sa spregnutim punjenjem.
Izvanredno svojstvo CCD-ova je da su za pomeranje akumuliranog naboja dovoljne samo tri vrste kapija - jedna odašiljajuća, jedna prijemna i jedna izolaciona, koja razdvajaju parove prijema i odašiljanja jedan od drugog, i kapije istog imena takvih trojki. mogu se međusobno povezati u jednu sabirnicu sata koja zahtijeva samo jedan eksterni pin (slika 3). Ovo je najjednostavniji trofazni pomakni registar na CCD-u.
Do sada smo CCD senzor razmatrali samo u jednoj ravni - duž bočnog dijela. Ono što ostaje izvan našeg vidnog polja je mehanizam za ograničavanje elektrona u poprečnom smjeru, u kojem je kapija poput dugačke trake. S obzirom da je osvjetljenje poluprovodnika neujednačeno unutar takve trake, brzina proizvodnje elektrona pod utjecajem svjetlosti će varirati duž dužine kapije. Ako se ne preduzmu mjere za lokalizaciju elektrona u blizini područja njihovog formiranja, tada će se kao rezultat difuzije koncentracija elektrona izjednačiti i informacije o promjenama intenziteta svjetlosti u uzdužnom smjeru će se izgubiti. Naravno, bilo bi moguće napraviti istu veličinu kapije i u uzdužnom i u poprečnom smjeru, ali bi to zahtijevalo proizvodnju previše kapija na CCD matrici. Stoga se za lokalizaciju nastalih elektrona u uzdužnom smjeru koriste takozvani zaustavni kanali (slika 4), koji su uska traka poluvodiča s visokim sadržajem dopanta. Što je veća koncentracija nečistoća, to se unutar takvog vodiča formira više rupa (svaki atom nečistoće dovodi do stvaranja rupe). Ali koncentracija rupa određuje pri kojem specifičnom naponu gejta se ispod njega formira područje iscrpljivanja. Intuitivno je jasno da što je veća koncentracija rupa u poluvodiču, to ih je teže zabiti dublje.
Struktura CCD matrice koju smo razmatrali naziva se CCD sa površinskim transmisionim kanalom, jer se kanal kroz koji se prenosi akumulirani naboj nalazi na površini poluvodiča. Metoda površinskog prijenosa ima niz značajnih nedostataka povezanih sa svojstvima granice poluvodiča. Činjenica je da ograničenje poluvodiča u prostoru narušava idealnu simetriju njegove kristalne rešetke sa svim posljedicama koje iz toga proizlaze. Ne upuštajući se u zamršenosti fizike čvrstog stanja, primjećujemo da takvo ograničenje dovodi do stvaranja energetskih zamki za elektrone. Kao rezultat toga, elektroni akumulirani pod utjecajem svjetlosti mogu biti zarobljeni ovim zamkama umjesto da se prenose s jedne kapije na drugu. Između ostalog, takve zamke mogu nepredvidivo osloboditi elektrone, a ne uvijek kada su zaista potrebni. Ispostavilo se da poluvodič počinje da "pravi buku" - drugim rečima, broj elektrona akumuliranih ispod kapije neće tačno odgovarati intenzitetu apsorbovanog zračenja. Moguće je izbjeći takve pojave, ali da bi se to postiglo, sam kanal za prijenos mora se pomaknuti dublje u provodnik. Ovo rješenje implementirali su stručnjaci kompanije Philips 1972. godine. Ideja je bila da se u oblasti površine poluprovodnika p-tipa stvori tanak sloj poluprovodnika n-tipa, odnosno poluprovodnika u kojem su glavni nosioci naboja elektroni (slika 5).
Dobro je poznato da kontakt dva poluvodiča s različitim tipovima provodljivosti dovodi do stvaranja osiromašenog sloja na granici spoja. To se događa zbog difuzije rupa i elektrona u međusobno suprotnim smjerovima i njihove rekombinacije. Primjena pozitivnog potencijala na kapiju povećava veličinu područja iscrpljivanja. Karakteristično je da sada sama oblast iscrpljivanja, odnosno kapacitet za fotoelektrone, nije na površini, pa stoga nema površinskih zamki za elektrone. Takav prijenosni kanal se naziva skrivenim, a svi moderni CCD-ovi se proizvode sa skrivenim prijenosnim kanalom.
Osnovni principi rada CCD senzora koje smo razmotrili koriste se za konstruisanje CCD matrica različitih arhitektura. Strukturno, mogu se razlikovati dvije glavne matrične sheme: s prijenosom okvir-po-frame i sa međulinijskim prijenosom.
U matrici sa prijenosom okvir po kadar, postoje dva ekvivalentna odjeljka s istim brojem redova: akumulacija i skladištenje. Svaki red u ovim sekcijama čine tri kapije (predajna, prijemna i izolaciona). Osim toga, kao što je gore navedeno, sve linije su odvojene mnogim zaustavnim kanalima koji formiraju ćelije akumulacije u horizontalnom smjeru. Tako se najmanji strukturni element CCD matrice (piksel) stvara od tri horizontalna vrata i dva vertikalna stop kanala (slika 6).
Tokom ekspozicije, u dijelu akumulacije nastaju fotoelektroni. Nakon toga, taktni impulsi koji se primjenjuju na gejtove prenose akumulirane naboje iz odjeljka za akumulaciju u zasjenjenu sekciju za skladištenje, odnosno cijeli okvir se zapravo prenosi. Stoga se ova arhitektura naziva CCD s prijenosom okvira. Nakon prijenosa, odjeljak za pohranu se briše i može ponovo akumulirati naplate, dok se iz memorijske sekcije naboji slijevaju u horizontalni registar čitanja. Struktura horizontalnog registra je slična strukturi CCD senzora - ista tri vrata za prijenos naboja. Svaki element horizontalnog registra ima nabojnu vezu sa odgovarajućom kolonom memorijske sekcije, a za svaki impuls takta iz sekcije akumulacije, ceo red ulazi u registar za čitanje, koji se zatim prenosi na izlazno pojačalo na dalju obradu.
Razmatrano CCD matrično kolo ima jednu nesumnjivu prednost - visok faktor punjenja. Ovaj izraz se obično koristi za označavanje omjera fotoosjetljive površine matrice i njene ukupne površine. Za matrice s prijenosom okvir po kadar, faktor popunjavanja dostiže skoro 100%. Ova karakteristika omogućava kreiranje veoma osetljivih uređaja na osnovu njih.
Pored razmatranih prednosti, matrice sa prijenosom okvir po okvir imaju i niz nedostataka. Prije svega, napominjemo da se sam proces prijenosa ne može izvršiti odmah. Upravo ta okolnost dovodi do brojnih negativnih pojava. Tokom procesa prijenosa naboja iz odjeljka za akumulaciju u dio za skladištenje, prvi ostaje osvijetljen i u njemu se nastavlja proces akumulacije fotoelektrona. To dovodi do činjenice da svijetla područja slike imaju vremena da doprinesu paketu stranog naboja čak i za kratko vrijeme tokom kojeg on prolazi kroz njih. Kao rezultat, u kadru se pojavljuju karakteristična izobličenja u obliku vertikalnih pruga koje se protežu preko cijelog kadra od svijetlih područja slike. Naravno, mogu se koristiti različiti trikovi u borbi protiv takvih pojava, ali najradikalnija metoda je odvajanje dijela akumulacije i prijenosnog dijela tako da se prijenos odvija u zasjenjenom području. Matrice ove arhitekture nazivaju se CCD-ovi sa međulinijskim prijenosom (slika 7).
Za razliku od ranije opisane matrice prijenosa okvir-po-kadar, fotodiode ovdje djeluju kao elementi za pohranu naboja (fotodiode će biti detaljnije razmotrene kasnije). Naelektrisanja akumulirana od strane fotodioda prenose se na zasjenjene CCD elemente, koji vrše daljnji prijenos naboja. Imajte na umu da se prijenos cijelog okvira sa fotodioda na vertikalne CCD prijenosne registre događa u jednom ciklusu takta. Postavlja se prirodno pitanje: zašto je ova arhitektura dobila naziv međulinijska crtica (koristi se i izraz „prepletena crtica“)? Da bismo razumjeli porijeklo naziva interline, kao i prijenosa okvir po kadar, podsjetimo se osnovnog principa prikazivanja slike na ekranu za generiranje video signala. Signal okvira sastoji se od linijskih signala razdvojenih linijskim razmakom, odnosno vremena potrebnog da se elektronski snop koji skenira ekran pomakne od kraja jednog reda do početka sljedećeg. Postoje i interframe praznine - vrijeme potrebno za pomicanje grede od kraja posljednje linije do početka prve linije (prijelaz na novi okvir).
Ako se prisjetimo arhitekture CCD matrice sa prijenosom između okvira, postaje jasno da se prijenos okvira iz odjeljka za akumulaciju u dio za pohranu događa tokom interframe gapa video signala. To je razumljivo, jer će prijenos cijelog okvira zahtijevati značajnu količinu vremena. U arhitekturi međulinijskog prijenosa, prijenos okvira se odvija u jednom ciklusu takta, a za to je dovoljan kratak vremenski period. Zatim, slika ulazi u registar horizontalnog pomaka, a prenos se odvija red po red tokom međulinijskih intervala video signala.
Pored dva tipa CCD matrica o kojima se raspravlja, postoje i druge šeme. Na primjer, shema koja kombinuje međuokvirne i međulinijske mehanizme (prijenos linijski okvir) dobija se dodavanjem odjeljka za pohranu u CCD matricu međulinijskog prijenosa. U ovom slučaju, prijenos okvira sa fotoosjetljivih elemenata odvija se u jednom taktnom ciklusu tokom međulinijskog intervala, a tokom interframe intervala okvir se prenosi u sekciju za skladištenje (interframe transfer); Iz odjeljka za pohranu, okvir se prenosi u horizontalni registar pomaka tokom razmaka između redaka (prenos između okvira).
Nedavno su takozvani super-CCD (Super CCD-ovi) postali široko rasprostranjeni, koristeći originalnu ćelijsku arhitekturu formiranu od osmougaonih piksela. Zbog toga se povećava radna površina silicijuma i povećava gustina piksela (broj CCD piksela). Osim toga, osmougaoni oblik piksela povećava površinu površine osjetljive na svjetlost.
CMOS senzori
Suštinski drugačiji tip senzora je takozvani CMOS senzor (CMOS - komplementarni metal-oksid-poluprovodnik; u engleskoj terminologiji - CMOS).
Unutrašnja arhitektura CMOS senzora može biti različita. Dakle, fotodiode, fototranzistori ili fotogajte mogu djelovati kao fotoosjetljivi element. Bez obzira na vrstu fotoosetljivog elementa, princip razdvajanja rupa i elektrona dobijenih tokom procesa fotogeneracije ostaje nepromenjen. Razmotrimo najjednostavniji tip fotodiode, iz koje je lako razumjeti princip rada svih fotoćelija.
Najjednostavnija fotodioda je kontakt između poluvodiča n- i p-tipa. Na interfejsu ovih poluprovodnika formira se oblast iscrpljivanja, odnosno sloj bez rupa i elektrona. Takvo područje nastaje kao rezultat difuzije glavnih nosilaca naboja u međusobno suprotnim smjerovima. Rupe se kreću od p-poluprovodnika (tj. iz područja u kojem ih ima viška) do n-poluprovodnika (tj. u područje gdje je njihova koncentracija niska), a elektroni se kreću u suprotnom smjeru, tj. je, od n-poluprovodnika do p-poluprovodnika. Kao rezultat ove rekombinacije, rupe i elektroni nestaju i stvara se područje iscrpljivanja. Osim toga, ioni nečistoća su izloženi na granicama osiromašenog područja, a u n-području ioni nečistoća imaju pozitivan naboj, au p-području imaju negativan naboj. Ovi naboji, raspoređeni duž granice područja iscrpljivanja, formiraju električno polje slično onom stvorenom u kondenzatoru s paralelnom pločom koji se sastoji od dvije ploče. To je polje koje obavlja funkciju prostornog odvajanja rupa i elektrona nastalih tokom fotogeneracije. Prisustvo takvog lokalnog polja (koji se naziva i potencijalna barijera) je fundamentalna tačka u svakom fotoosjetljivom senzoru (ne samo u fotodiodi).
Pretpostavimo da je fotodioda obasjana svetlošću, a svetlost pada na n-poluprovodnik, a p-n spoj je okomit na svetlosne zrake (slika 8). Fotoelektroni i fotorupe će difundirati duboko u kristal, a neki od njih, koji nemaju vremena za rekombinaciju, doći će do površine pn spoja. Međutim, za elektrone je postojeće električno polje nepremostiva prepreka – potencijalna barijera, pa elektroni neće moći savladati p-n spoj. Rupe se, naprotiv, ubrzavaju električnim poljem i prodiru u p-područje. Kao rezultat prostornog razdvajanja rupa i elektrona, n-područje je negativno nabijeno (višak fotoelektrona), a p-područje je nabijeno pozitivno (višak fotorupa).
Glavna razlika između CMOS senzora i CCD senzora nije u načinu akumuliranja naboja, već u načinu njegovog daljeg prijenosa. CMOS tehnologija, za razliku od CCD-a, omogućava veći broj operacija direktno na čipu na kojem se nalazi fotoosjetljiva matrica. Osim što oslobađaju elektrone i prenose ih, CMOS senzori također mogu obraditi slike, istaknuti ivice slike, smanjiti šum i izvršiti analogno-digitalne konverzije. Osim toga, moguće je kreirati programabilne CMOS senzore, pa se tako može dobiti vrlo fleksibilan multifunkcionalni uređaj.
Tako širok spektar funkcija koje obavlja jedan čip je glavna prednost CMOS tehnologije u odnosu na CCD. Time se smanjuje broj potrebnih vanjskih komponenti. Korištenje CMOS senzora u digitalnom fotoaparatu omogućava vam da instalirate druge čipove u slobodan prostor - na primjer, procesore digitalnih signala (DSP) i analogno-digitalne pretvarače.
Brzi razvoj CMOS tehnologija započeo je 1993. godine, kada su stvoreni senzori aktivnih piksela. Sa ovom tehnologijom, svaki piksel ima svoje tranzistorsko pojačalo za očitavanje, koje omogućava da se naboj pretvori u napon direktno na pikselu. Osim toga, postao je moguć slučajni pristup svakom pikselu senzora (slično kako radi memorija sa slučajnim pristupom). Naelektrisanje se očitava iz aktivnih piksela CMOS senzora pomoću paralelnog kola (slika 9), što vam omogućava da direktno čitate signal sa svakog piksela ili iz kolone piksela. Nasumični pristup omogućava CMOS senzoru da očita ne samo cijelu matricu, već i odabrana područja (metoda čitanja kroz prozor).
Uprkos očiglednim prednostima CMOS matrica u odnosu na CCD-ove (glavna je niža cijena), one imaju i niz nedostataka. Prisutnost dodatnih kola na CMOS matričnom čipu dovodi do pojave niza šuma, poput raspršenja tranzistora i dioda, kao i efekta zaostalog naboja, odnosno CMOS matrice su danas bučnije. Stoga će u bliskoj budućnosti profesionalni digitalni fotoaparati koristiti visokokvalitetne CCD matrice, a CMOS senzori ulaze na tržište jeftinijih uređaja, među kojima su, posebno, web kamere.
Kako se dobija boja
Fotoosjetljivi senzori o kojima smo gore govorili su u stanju reagirati samo na intenzitet apsorbirane svjetlosti - što je intenzitet veći, to se veći naboj akumulira. Postavlja se prirodno pitanje: kako se dobija slika u boji?
Da bi se omogućilo kameri da razlikuje boje, niz filtera boja (CFA, kolor filter nizovi) se primjenjuje direktno na aktivni piksel. Princip filtera u boji je vrlo jednostavan: propušta samo svjetlost određene boje (drugim riječima, samo svjetlost određene talasne dužine). Ali koliko će takvih filtera biti potrebno ako je broj različitih nijansi boja praktički neograničen? Ispada da se bilo koja nijansa boje može dobiti miješanjem nekoliko primarnih (baznih) boja u određenim omjerima. U najpopularnijem aditivnom modelu, RGB (crvena, zelena, plava), postoje tri takve boje: crvena, zelena i plava. To znači da su potrebna samo tri filtera u boji. Imajte na umu da RGB model boja nije jedini, ali ga koristi velika većina digitalnih web kamera.
Najpopularniji su nizovi filtera Bayer uzoraka. U ovom sistemu, crveni, zeleni i plavi filteri su raspoređeni, a broj zelenih filtera je dvostruko veći od crvenog ili plavog. Raspored je takav da se crveni i plavi filteri nalaze između zelenih (slika 10).
Ovaj omjer zelenih, crvenih i plavih filtera objašnjava se posebnostima ljudske vizualne percepcije: naše oči su osjetljivije na zelenu boju.
Kod CCD kamera, kombinacija tri kanala boja se izvodi u uređaju za formiranje slike nakon pretvaranja signala iz analognog u digitalni. U CMOS senzorima, ova kombinacija se može pojaviti i direktno na čipu. U oba slučaja, primarne boje svakog filtera su matematički interpolirane na osnovu boja susjednih filtera. Stoga, da bi se dobila prava boja piksela slike, potrebno je znati ne samo intenzitet svjetlosti koja prolazi kroz svjetlosni filter ovog piksela, već i vrijednosti intenziteta svjetlosti koja prolazi kroz svjetlosne filtere. okolnih piksela.
Kao što je već napomenuto, RGB model boja koristi tri primarne boje, pomoću kojih možete dobiti bilo koju nijansu vidljivog spektra. Koliko nijansi mogu razlikovati digitalni fotoaparati? Maksimalan broj različitih nijansi boja određen je dubinom boje, koja je zauzvrat određena brojem bitova koji se koriste za kodiranje boje. Popularni RGB 24 model, sa dubinom boje od 24 bita, dodjeljuje 8 bita za svaku boju. Sa 8 bita, 256 različitih boja može se odrediti za crvenu, zelenu i plavu. Svakoj nijansi je dodeljena vrednost od 0 do 255. Na primer, crvena boja može imati 256 gradacija: od čiste crvene (255) do crne (0). Maksimalna vrijednost koda odgovara čistoj boji, a kod za svaku boju se obično postavlja sljedećim redoslijedom: crvena, zelena i plava. Na primjer, kod za čistu crvenu je napisan kao (255, 0, 0), kod za zelenu je (0, 255, 0), a kod za plavu je (0, 0, 255). Žuta se može dobiti miješanjem crvene i zelene, a njen kod je napisan kao (255, 255, 0).
Pored RGB modela, široku upotrebu su našli i modeli YUV i YSrCb, koji su međusobno slični i bazirani su na razdvajanju signala svjetline i boje. Y signal je signal osvjetljenja koji se određuje miješanjem crvene, zelene i plave. U i V (Cr, Cb) signali su razlika u boji. Dakle, U signal je blizak razlici između plave i žute komponente slike u boji, a V signal je blizak razlici između crvene i zelene komponente slike u boji.
Glavna prednost YUV (YCrCb) modela je u tome što ovaj metod kodiranja, iako složeniji od RGB, zahtijeva manji propusni opseg. Činjenica je da osjetljivost ljudskog oka na komponente svjetline Y-komponente i komponente razlike u boji nije ista, pa se čini sasvim prihvatljivim izvršiti ovu transformaciju sa stanjivanjem (preplitanjem) komponenti razlike u boji, kada je Y -komponente se računaju za grupu od četiri susjedna piksela (2×2), a komponente razlike u boji se koriste zajednički (tzv. šema 4:1:1). Lako je izračunati da vam već shema 4:1:1 omogućava da smanjite izlazni tok za polovicu (umjesto 12 bajtova za četiri susjedna piksela, šest je dovoljno). U YUV 4:2:2 kodiranju, signal luminante se prenosi za svaku tačku, ali U i V hroma signali se prenose samo za svaku drugu tačku u liniji.
Kako digitalni rade
Web kamere
Princip rada svih tipova digitalnih fotoaparata je približno isti. Razmotrimo tipičan dijagram najjednostavnije web kamere, čija je glavna razlika od drugih vrsta kamera prisutnost USB sučelja za povezivanje s računalom.
Pored optičkog sistema (sočiva) i fotoosjetljivog CCD ili CMOS senzora, potrebno je imati i analogno-digitalni pretvarač (ADC), koji pretvara analogne signale fotoosjetljivog senzora u digitalni kod. Osim toga, neophodan je i sistem za formiranje slike u boji. Drugi važan element kamere je kolo odgovorno za kompresiju podataka i pripremu za prijenos u traženom formatu. Na primjer, u predmetnoj web kameri video podaci se prenose na računar preko USB interfejsa, pa na njenom izlazu mora biti kontroler USB interfejsa. Blok dijagram digitalnog fotoaparata prikazan je na sl. jedanaest .
Analogno-digitalni pretvarač je dizajniran za uzorkovanje kontinuiranog analognog signala i karakterizira ga frekvencija uzorkovanja koja određuje vremenske intervale u kojima se analogni signal mjeri, kao i njegovu dubinu bita. Širina ADC-a je broj bitova koji se koriste za predstavljanje svakog uzorka signala. Na primjer, ako se koristi 8-bitni ADC, tada se 8 bitova koristi za predstavljanje signala, što omogućava razlikovanje 256 gradacija originalnog signala. Kada se koristi 10-bitni ADC, moguće je razlikovati 1024 različite gradacije analognog signala.
Zbog niske propusnosti USB 1.1 (samo 12 Mbit/s, od čega web kamera ne koristi više od 8 Mbit/s), podaci moraju biti komprimirani prije prijenosa na računar. Na primjer, sa rezolucijom okvira od 320x240 piksela i dubinom boje od 24 bita, nekomprimirani okvir će biti 1,76 Mbit. Uz USB propusni opseg od 8 Mbps, maksimalna brzina prijenosa nekomprimovanog signala je samo 4,5 sličica u sekundi, a za visokokvalitetni video potrebna je brzina prijenosa od 24 ili više sličica u sekundi. Dakle, postaje jasno da je bez hardverske kompresije prenesenih informacija normalno funkcioniranje kamere nemoguće.
Prema tehničkoj dokumentaciji, ovaj CMOS senzor ima rezoluciju 664x492 (326.688 piksela) i može raditi do 30 sličica u sekundi. Senzor podržava i progresivno i horizontalno skeniranje i pruža omjer signal-šum veći od 48 dB.
Kao što se vidi iz blok dijagrama, blok formiranja boje (procesor analognog signala) ima dva kanala - RGB i YSrCb, a za model YSrCb signali svjetline i razlike u boji se izračunavaju pomoću formula:
Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,
Cr = 0,713 × (R – Y),
Cb = 0,564 × (B – Y).
Analogni RGB i YCrCb signali koje generiše procesor analognog signala obrađuju dva 10-bitna ADC-a, od kojih svaki radi brzinom od 13,5 MSPS, obezbeđujući sinhronizaciju brzine piksela. Kada se digitalizuju, podaci se šalju u digitalni pretvarač koji proizvodi video podatke u 16-bitnom YUV 4:2:2 ili 8-bitnom Y 4:0:0 formatu, koji se šalje na izlazni port preko 16-bitnog ili 8-bitna sabirnica.
Osim toga, dotični CMOS senzor ima širok spektar mogućnosti korekcije slike: obezbjeđen je balans bijele boje, kontrola ekspozicije, gama korekcija, korekcija boje itd. Rad senzora se može kontrolisati preko SCCB (Serial Camera Control Bus) interfejsa.
OV511+ mikrokolo, čiji je blok dijagram prikazan na sl. 13, je USB kontroler.
Kontroler vam omogućava prijenos video podataka putem USB magistrale brzinom do 7,5 Mbit/s. Lako je izračunati da takav propusni opseg neće omogućiti prijenos video toka prihvatljivom brzinom bez preliminarne kompresije. Zapravo, kompresija je glavna svrha USB kontrolera. Pružajući potrebnu kompresiju u realnom vremenu do omjera kompresije od 8:1, kontroler vam omogućava prijenos video toka brzinom od 10-15 sličica u sekundi pri rezoluciji 640x480 i brzinom od 30 sličica u sekundi u rezoluciji od 320x240 i niže.
OmniCE blok, koji implementira vlasnički algoritam kompresije, odgovoran je za kompresiju podataka. OmniCE pruža ne samo potrebnu brzinu video streama, već i brzu dekompresiju uz minimalno opterećenje CPU-a (barem prema programerima). Omjer kompresije koji obezbjeđuje OmniCE blok varira od 4 do 8 ovisno o potrebnoj brzini video streama.
ComputerPress 12"2001
