(jezik: 'ru')
Nastavljam razgovor o uređaju započet u prethodnoj publikaciji.
Jedan od glavnih elemenata digitalnog fotoaparata koji ga razlikuje od filmskih kamera je fotoosjetljivi element, tzv. Digitalna kamera... Već smo govorili o matricama fotoaparata, ali sada ćemo malo detaljnije razmotriti uređaj i princip rada matrice, doduše prilično površno kako ne bismo previše zamarali čitatelja.
Većina digitalnih fotoaparata danas je opremljena CCD matrice.
CCD-matrica. Uređaj. Princip rada.
Pogledajmo uređaj CCD senzori.
Poznato je da se poluvodiči dijele na poluvodiče n-tipa i p-tipa. U poluvodiču n-tipa postoji višak slobodnih elektrona, a u poluvodiču p-tipa postoji višak pozitivnih naboja, "rupa" (a time i nedostatak elektrona). Sva mikroelektronika temelji se na interakciji ova dva tipa poluvodiča.
Dakle, element Digitalni fotoaparat CCD je uređen na sljedeći način. Vidi sliku 1:
Sl. 1
Ne ulazeći u detalje, CCD element ili nabojno-spregnuti uređaj, u engleskoj transkripciji: charge-coupled-device - CCD, je MIS (metal-dielectric-semiconductor) kondenzator. Sastoji se od supstrata p-tipa – silicijevog sloja, izolatora od silicijevog dioksida i ploča elektroda. Kada se na jednu od elektroda primijeni pozitivan potencijal, ispod nje nastaje zona osiromašena glavnim nosiocima - rupama, budući da ih električno polje gura u stranu od elektrode duboko u podlogu. Dakle, ispod ove elektrode nastaje potencijalna bušotina, tj. energetska zona je povoljna za kretanje manjinskih nositelja - elektrona u nju. U ovoj jami se nakuplja negativan naboj. U ovoj bušotini može se dugo čuvati zbog nepostojanja rupa u njoj, a time i razloga za rekombinaciju elektrona.
U fotoosjetljivim matrice elektrode su filmovi od polikristalnog silicija, prozirni u vidljivom području spektra.
Fotoni svjetlosti koji upadaju na matricu padaju u silicijsku podlogu, tvoreći u njoj par rupa-elektron. Rupe, kao što je gore spomenuto, pomiču se duboko u supstrat, a elektroni se nakupljaju u potencijalnoj jažici.
Akumulirani naboj proporcionalan je broju fotona koji padaju na element, tj. intenzitetu svjetlosnog toka. Tako se na matrici stvara reljef naboja koji odgovara optičkoj slici.
Pokretni naboji u CCD-u.
Svaki CCD element ima nekoliko elektroda na koje se primjenjuju različiti potencijali.
Kada se potencijal veći od onog na danoj elektrodi primijeni na susjednu elektrodu (vidi sliku 3), ispod nje se formira dublja potencijalna jama u koju se naboj kreće iz prve potencijalne jame. Dakle, naboj se može kretati iz jedne CCD ćelije u drugu. CCD element prikazan na slici 3 naziva se trofazni, postoje i 4-fazni elementi.
Slika 4. Shema rada trofaznog uređaja s nabojem spojenim - registrom pomaka.
Za pretvaranje naboja u impulse struje (fotostruja) koriste se registri serijskog pomaka (vidi sliku 4). Ovaj pomakni registar je niz CCD elemenata. Amplituda strujnih impulsa proporcionalna je količini prenesenog naboja, pa je stoga proporcionalna upadnom svjetlosnom toku. Slijed strujnih impulsa generiranih očitavanjem slijeda naboja zatim se dovodi na ulaz pojačala.
Redovi blisko raspoređenih CCD elemenata kombiniraju se u CCD... Rad takve matrice temelji se na stvaranju i prijenosu lokalnog naboja u potencijalnim bušotinama koje stvara električno polje.
Slika 5.
Naboji svih CCD elemenata registra sinkrono se pomiču na susjedne CCD elemente. Naboj koji je bio u posljednjoj ćeliji se dovodi na izlaz iz registra, a zatim se dovodi na ulaz pojačala.
Registar serijskog pomaka napunjen je okomito raspoređenim registrima pomaka, koji se zajednički nazivaju paralelnim pomačnim registrom. Paralelni i sekvencijalni registri pomaka čine CCD matricu (vidi sliku 4).
Pomakni registri okomiti na serijski registar nazivaju se stupci.
Kretanje naboja u paralelnom registru strogo je sinkronizirano. Svi naboji iz jednog reda se premeštaju istovremeno u drugi. Naboji posljednjeg reda ulaze u sekvencijalni registar. Tako u jednom radnom ciklusu linija naboja iz paralelnog registra ulazi na ulaz sekvencijalnog registra, oslobađajući prostor za novonastale naboje.
Rad serijskih i paralelnih registara sinkroniziran je generatorom takta. Dio matrica digitalnog fotoaparata također uključuje mikrosklop koji opskrbljuje potencijale elektrodama za prijenos registra i kontrolira njihov rad.
Pojačivač slike ovog tipa naziva se CCD-matrica punog kadra. Za njegov rad potrebno je imati neprozirni poklopac, koji prvo otvara pojačivač slike za izlaganje svjetlosti, a zatim ga, kada primi broj fotona koji je potreban da akumulira dovoljan naboj u elementima matrice, zatvara od svjetlosti. Takav poklopac je mehanički zatvarač, kao u filmskim kamerama. Odsutnost takvog zatvarača dovodi do činjenice da kada se naboji kreću u registru pomaka, stanice nastavljaju biti zračene svjetlošću, dodajući dodatne elektrone naboju svakog piksela koji ne odgovaraju svjetlosnom toku određene točke . To dovodi do "razmazivanja" naboja, odnosno do izobličenja rezultirajuće slike.
Solid-state fotoelektrični pretvarači (TPVC) slika analozi su prijenosnih CRT-ova.
TFEP-ovi datiraju iz 1970. godine, s tzv. CCD-ovima i nastaju na temelju pojedinačnih ćelija, koje su kondenzatori MOS ili MOS struktura. Jedna od ploča takvog elementarnog kondenzatora je metalni film M, druga je poluvodički supstrat P ( str- ili n-vodljivost), izolator D je poluvodič nanijet u obliku tankog sloja na podlogu P. Kao supstrat P, silicij dopiran akceptorom ( str-vrsta) ili donator ( n-vrsta) nečistoća, a kao D - silicij oksid SiO 2 (vidi sliku 8.8).
Riža. 8.8. MOS kondenzator
Riža. 8.9. Naboji koji se pomiču pod djelovanjem električnog polja
Riža. 8.10. Princip rada trofaznog CCD sustava
Riža. 8.11. Kretanje naboja u dvofaznom CCD sustavu
Kada se na metalnu elektrodu dovede napon, ispod nje nastaje "džep" ili potencijalna jama u kojoj se manjinski nosioci (u našem slučaju elektroni) mogu "akumulirati", a većinski nosioci, rupe, odbijaju se od M. Na određenoj udaljenosti od površine, koncentracija manjinskih nositelja može biti veća od koncentracije glavnih. U podlozi P u blizini dielektrika D pojavljuje se inverzijski sloj u kojem je tip vodljivosti obrnut.
Paket naboja u CCD-u može se uvesti električnim putem ili generiranjem svjetlosti. Tijekom generiranja svjetla, fotonaponski procesi koji se odvijaju u siliciju dovest će do nakupljanja manjinskih nositelja u potencijalnim bušotinama. Akumulirani naboj proporcionalan je osvjetljenju i vremenu nakupljanja... Usmjereni prijenos naboja na CCD osiguran je postavljanjem MOS kondenzatora tako blizu jedan drugome da se njihova područja iscrpljivanja preklapaju i da su potencijalne bušotine povezane. U tom slučaju će se mobilni naboj manjinskih nosača nakupljati na mjestu gdje je potencijalni bunar dublji.
Neka se naboj pod utjecajem svjetlosti akumulira ispod elektrode U 1 (vidi sliku 8.9). Ako sada na susjednoj elektrodi U 2 primijeniti napon U 2 > U 1, tada će se u blizini pojaviti još jedna potencijalna rupa, dublja ( U 2 > U jedan). Između njih će se pojaviti područje električnog polja i manjinski nosioci (elektroni) će odlutati (teći) u dublji "džep" (vidi sliku 8.9). Da biste uklonili dvosmjernost u prijenosu naboja, koristite niz elektroda, kombiniranih u skupine od 3 elektrode (vidi sliku 8.10).
Ako se, na primjer, ispod elektrode 4 nakupi 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 spojen je na tri sabirnice:
I - 1, 4, 7, ...
II - 2, 5, 8, ...
III - 3, 6, 9, ...
U našem slučaju, "prijemni" napon ( U 2) bit će na elektrodama 2 i 5, ali je elektroda 2 odvojena od elektrode 4, gdje je pohranjen naboj, elektrodom 3 (u kojoj
U 3 = 0), tako da neće biti krvarenja s lijeve strane.
Trotaktni rad CCD-a pretpostavlja prisutnost tri elektrode (ćelije) po jednom elementu TV slike, čime se smanjuje korisna površina koju koristi svjetlosni tok. Kako bi se smanjio broj ćelija (elektroda) CCD-a, metalne elektrode i dielektrični sloj formiraju se u stepenastom obliku (vidi sliku 8.11). To omogućuje, kada se naponski impulsi primjenjuju na elektrode, stvaranje potencijalnih bušotina različitih dubina pod različitim dijelovima. Većina naboja iz susjedne ćelije odvodi se u dublju jamu.
Kod dvofaznog CCD sustava, broj elektroda (ćelija) u matrici je smanjen za jednu trećinu, što povoljno utječe na očitavanje potencijalnog reljefa.
Prvobitno je predloženo da se CCD-i koriste u računalnoj tehnologiji kao uređaji za pohranu, pomačni registri. Na početku lanca postavljena je injekcijska dioda koja unosi naboj u sustav, a na kraju kruga izlazna dioda, obično ova n-p- ili p-n- prijelazi MOS struktura, koji se formiraju s prvom i zadnjom elektrodom (ćelijom) lanca CCD tranzistora s efektom polja.
No ubrzo je postalo jasno da su CCD-i vrlo osjetljivi na svjetlost, te ih je stoga bolje i učinkovitije koristiti kao svjetlosne detektore, a ne kao uređaje za pohranu.
Ako se kao fotodetektor koristi CCD matrica, tada se akumulacija naboja ispod jedne ili druge elektrode može provesti optičkom metodom (ubrizgavanje svjetla). Možemo reći da su CCD-ovi u biti analogni registri pomaka osjetljivi na svjetlost. Danas se CCD-i ne koriste kao uređaji za pohranu podataka (memorija), već samo kao fotodetektori. Koriste se u faksim mašinama, skenerima (CCD), kamerama i video kamerama (CCD). Obično se u TV kamerama koriste tzv. CCD čipovi.
Pretpostavili smo da se svih 100% naboja prenosi u susjedni džep. U praksi se, međutim, mora računati s gubicima. Jedan od izvora gubitaka su "zamke" koje mogu uhvatiti i zadržati naboje neko vrijeme. Ovi naboji nemaju vremena teći u susjedni džep ako je brzina prijenosa visoka.
Drugi razlog je sam mehanizam preljeva. U prvom trenutku dolazi do prijenosa naboja u jakom električnom polju – zanošenje E... Međutim, kako naboji teku, jačina polja se smanjuje i proces drifta izumire, tako da se posljednji dio pomiče zbog difuzije, 100 puta sporije od drifta. Čekanje zadnje porcije znači usporavanje izvedbe. Drift daje preko 90% prijenosa. No upravo su posljednji postoci glavni u određivanju gubitaka.
Neka je koeficijent prijenosa jednog ciklusa prijenosa k= 0,99, uz pretpostavku da je broj ciklusa N= 100, određujemo ukupni omjer prijenosa:
0,99 100 = 0,366
Postaje očito da s velikim brojem elemenata čak i beznačajni gubici na jednom elementu postaju od velike važnosti za lanac u cjelini.
Stoga je pitanje smanjenja broja prijenosa naboja u CCD matrici posebno važno. U tom pogledu, dvofazna CCD matrica će imati nešto veći koeficijent prijenosa naboja od trofaznog sustava.
Što je CCD matrica?
CCD / Charge-Coupled Device ili CCD / Charge Coupled Device je analogni integrirani krug koji sadrži fotoosjetljive fotodiode izrađene od silicija ili kositrenog oksida. Načelo rada ovog mikrosklopa temelji se na tehnologiji uređaja s nabojno spojenim uređajem (CCD).
Povijest CCD matrice
Prvi put su George Smith i Willard Boyle u Bell Laboratories najveće američke korporacije AT&T Bell Labs 1969. godine koristili uređaj spojen na punjenje. Proveli su istraživanja na području video telefonije i tzv. "semiconductor bubble memory". ".
Ubrzo su minijaturni uređaji postali široko rasprostranjeni i počeli se koristiti kao memorijski uređaji, u kojima je naboj stavljen u ulazni registar mikrosklopa. S vremenom je sposobnost memorijske ćelije da primi naboj zbog fotoelektričnog efekta postala glavni cilj korištenja CCD uređaja.
Godinu dana kasnije, 1970., istraživači iz istog Laboratorija uspjeli su snimiti slike pomoću najjednostavnijih linearnih uređaja, što su zapravo usvojili inženjeri tvrtke Sony. Ova tvrtka do danas aktivno radi na području CCD tehnologija, ulažući velika financijska ulaganja u ovo područje, na sve moguće načine razvijajući proizvodnju CCD matrica za svoje video kamere. Inače, CCD čip je instaliran na nadgrobni spomenik glave Sonyja, Kazua Iwame, koji je umro 1982. godine. Uostalom, on je bio na početku masovne proizvodnje CCD-matrice.
Doprinos izumitelja CCD matrice nije prošao nezapaženo pa su 2006. Willard Boyle i George Smith dobili nagradu američke Nacionalne inženjerske akademije za razvoj u ovom području, a 2009. godine dobili su Nobelovu nagradu za fiziku .
Kako radi CCD
CCD matrica je gotovo u cijelosti izrađena od polisilicija, koji je originalno odvojen od silicijevog supstrata posebnom membranom. Kada se napon dovede na membranu pomoću polisilikonskih vrata, električni potencijali koji se nalaze u blizini elektroda vodiča jako se mijenjaju.
Prije izlaganja i dovoda određenog napona na elektrode, svi naboji koji su nastali ranije se isprazne, te se opaža transformacija svih elemenata u identično ili izvorno stanje.
Kombinacijom napona na elektrodama stvara se potencijalna rezerva, odnosno tzv. bunar, gdje se nakupljaju elektroni, koji su se tijekom ekspozicije pod utjecajem svjetlosnih zraka pojavili u određenom pikselu matrice. Ovisno o intenzitetu svjetlosnog toka, nalazi se i volumen akumuliranih elektrona u potencijalnoj bušotini, dakle, što je veći, to će biti veća snaga konačnog naboja određenog piksela.
Nakon završetka ekspozicije dolazi do uzastopnih promjena napona napajanja elektroda u svakom pojedinom pikselu, pored kojeg se uočava raspodjela potencijala, uslijed čega se naboji kreću u zadanom smjeru - do izlaznih piksela CCD-a. matrica.
Sastav elemenata CCD-matrice
Općenito, dizajn CCD elementa može se predstaviti kao silikonska podloga p-tipa opremljena poluvodičkim kanalima n-tipa. Iznad ovih kanala nalaze se elektrode od polikristalnog silicija s izolacijskom membranom od silicij 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 pogodi silicij izaziva stvaranje elektrona, koji potencijalnom zamkom privlače i ostaju u njoj. Veliki broj fotona ili jakog svjetla osigurava snažan naboj zamku, nakon čega je potrebno izračunati i povećati vrijednost rezultirajućeg naboja, koji stručnjaci nazivaju fotostruja.
Proces očitavanja fotostruja CCD elemenata provodi se takozvanim sekvencijalnim pomačnim registrima, koji pretvaraju niz naboja na ulazu u niz impulsa na izlazu. Ovaj tok impulsa je zapravo analogni signal koji se dovodi u pojačalo.
Tako se linijski naboji iz CCD elemenata mogu pretvoriti u analogni signal pomoću registra. U praksi se sekvencijalni pomakni registar u CCD matricama izvodi pomoću istih CCD elemenata, izgrađenih u jednom redu. U ovom slučaju, rad ovog uređaja temelji se na sposobnosti uređaja s nabojom da razmjenjuju naboje svojih potencijalnih zamki. Ovaj se proces provodi zbog prisutnosti specijaliziranih prijenosnih elektroda, koje se postavljaju između susjednih CCD-elemenata. U trenutku kada se povećani potencijal primijeni na najbližu elektrodu, naboj prolazi ispod nje iz potencijalne jame. Istodobno, između CCD elemenata obično postoje dvije do četiri elektrode za prijenos, čiji broj određuje fazu registra pomaka, koja se naziva dvofazna, trofazna ili četverofazna.
Opskrba prijenosnim elektrodama različitih potencijala sinkronizirana je na način da se prijenos naboja potencijalnih zamki svih CCD elemenata registra obavlja 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, ekstremni CCD element daje svoj naboj pojačalu, koje se nalazi na izlazu registra. Stoga postaje sasvim očito da je registar serijskog pomaka serijski izlazni i paralelni ulazni uređaj.
Nakon što je proces očitanja apsolutno svih naplata iz registra dovršen, postaje moguće unijeti novi redak na njegov ulaz, zatim još jedan i tako dalje. Rezultat je kontinuirani analogni signal baziran na dvodimenzionalnom toku fotostruja. Nakon toga, ulazni paralelni tok u serijski pomakni registar osigurava mnoštvo okomito orijentiranih serijskih pomačnih registara koji se nazivaju paralelni pomakni registar. Sav ovaj sklop u sastavljenom obliku upravo je uređaj koji se danas zove CCD-matrica.
CCD matrica(skraćeno od “ P instrument sa s aryadova S ligatura") ili CCD matrica(skraćeno od Engleski Ccd, "Charge-Coupled Device") - specijalizirani analogni integrirani krug koji se sastoje od fotoosjetljivih fotodiode na temelju silicij korištenjem tehnologije CCD- uređaji povezani s punjenjem.
CCD-ove proizvode i aktivno koriste tvrtke Nikon, Kanon, Sony, Fuji, Kodak, Matsushita, Philips i mnogi drugi. U Rusiji se CCD-matrice trenutno razvijaju i proizvode u ZAO NPP ELAR, St. Petersburg.
1 povijest CCD-a 2 Opći uređaj i princip rada 3 Klasifikacija puferiranja 4 Sweep klasifikacija 5 Veličine fotografskih matrica 6 Neke posebne vrste matrica 7 Osjetljivost na svjetlost 8 vidi također 9 Bilješke (uredi) |
povijest CCD-a
Uređaj s nabojnim spojem izumljen je u 1969 godina Willard Boyle i George Smith u Bell Labs (AT&T Bell laboratorije). Laboratoriji su radili na videotelefoniji ( Engleski slika telefon) i razvoj "memorije poluvodičkih mjehurića" ( Engleski poluvodič mjehurić memorija ). Uređaji s nabojom započeli su život kao memorijski uređaji u kojima se naboj mogao staviti samo u ulazni registar uređaja. Međutim, sposobnost memorijskog elementa uređaja da primi naboj zbog fotoelektrični efekt ovu primjenu CCD uređaja učinio glavnom.
V 1970 godina istraživači Bell laboratorije naučio snimati slike pomoću jednostavnih linearnih uređaja.
Nakon toga, pod vodstvom Katsua Iwame ( Kazuo Iwama) društvo Sony aktivno se uključio u CCD-ove, uloživši u njih velika sredstva, te uspio uspostaviti masovnu proizvodnju CCD-ova za svoje videokamere.
Iwama je umro u kolovozu 1982 godina... Čip CCD postavljen je na njegovu nadgrobnu ploču u spomen na njegov doprinos.
U siječnju 2006 godina za rad na CCD-u W. Boyle i J. Smith bili nagrađeni Nacionalna inženjerska akademija SAD-a (Engleski Nacionalna Akademija od Inženjering).
V 2009 godina ovi su tvorci CCD-a nagrađeni Nobelova nagrada za fiziku.
Opći uređaj i princip rada
CCD se sastoji od polisilicij odvojeno od silikonske podloge, u kojoj se, kada se napon dovede kroz polisilikonske kapije, električni potencijali se mijenjaju blizu elektrode.
Prije izlaganja, obično primjenom određene kombinacije napona na elektrode, otpuštaju se svi prethodno formirani naboji i svi elementi se dovode u identično stanje.
Nadalje, kombinacija napona na elektrodama stvara potencijalnu jamu u kojoj se mogu akumulirati elektroni nastali u danom pikselu matrice kao rezultat izlaganja svjetlosti. Što je svjetlosni tok intenzivniji tijekom izlaganje, što se više nakuplja elektrona u potencijalnoj bušotini, to je veći konačni naboj dane piksela.
Nakon izlaganja, uzastopne promjene napona na elektrodama formiraju u svakom pikselu i pored njega raspodjelu potencijala, što dovodi do strujanja naboja u zadanom smjeru do izlaznih elemenata matrice.
Primjer CCD podpiksela s n džepom
Arhitektura piksela je drugačija za proizvođače.
Shema podpiksela CCD-matrice n-tipa (na primjeru crvenog fotodetektora)
Legenda dijagrama podpiksela CCD:
1 - Fotoni svjetlosti, prošli kroz leću kamere;
2 - Podpikselna mikroleća;
3 - R - subpiksel crveni filter, fragment Bayer filter;
4 - Prozirna elektroda od polikristalni silicij ili kositrov oksid;
5 - Izolator (silicijev oksid);
6 - silikonski kanal n-tipa. Zona generiranja nositelja (zona unutarnjeg fotoelektričnog efekta);
7 - zona potencijalne bušotine (džep n-tipa), gdje se skupljaju elektroni iz zone generiranja nosača;
8 - silikonski supstrat p-tipa;
Klasifikacija puferiranja
[Matrice prijenosa punog okvira
Matrice s međuspremnikom okvira
Puferirane matrice stupaca
Veličine fotografskih matrica
Koordinatni i kutni senzori
Matrice s pozadinskim osvjetljenjem
U klasičnom CCD krugu koji koristi polikristalne silicijeve elektrode, osjetljivost na svjetlost je ograničena zbog djelomičnog raspršenja svjetlosti s površine elektrode. Stoga se pri snimanju u posebnim uvjetima koji zahtijevaju povećanu osjetljivost na svjetlo u plavom i ultraljubičastom području spektra koriste pozadinsko osvijetljene matrice ( Engleski leđa- osvijetljena matrica). U senzorima ovog tipa, zabilježeno je svjetlo pada na podlogu, ali za traženi unutarnji fotoefekt podloga se melje na debljinu 10-15 mikrona... Ova faza obrade značajno je povećala cijenu matrice, uređaji su se pokazali vrlo krhkima i zahtijevali su povećanu njegu tijekom montaže i rada. A kada se koriste svjetlosni filteri koji prigušuju svjetlosni tok, sve skupe operacije za povećanje osjetljivosti postaju besmislene. Stoga se uglavnom koriste matrice s pozadinskim osvjetljenjem astronomska fotografija.
Osjetljivost na svjetlost
Fotoosjetljivost matrice je zbroj fotoosjetljivosti svih njegovih foto senzori(piksela) i općenito ovisi o:
integralna fotoosjetljivost, što je omjer količine fotoefekt Do svjetlo tok (u lumenima) iz izvora zračenja normaliziranog spektralnog sastava;
monokromatska fotoosjetljivost"- omjer veličine fotoefekt na vrijednost svjetlo energija zračenja (u milielektronvoltima) koja odgovara određenoj valnoj duljini;
skup svih vrijednosti monokromatske osjetljivosti za odabrani dio spektar svjetlo je spektralna osjetljivost- ovisnost fotoosjetljivosti o valnoj duljini svjetlosti;
Senzor je glavni element digitalnog fotoaparata
Srce svake digitalne video ili foto kamere (danas se granice između ovih vrsta uređaja postupno brišu) je senzor osjetljiv na svjetlost. Pretvara vidljivu svjetlost u električne signale za daljnju obradu pomoću elektroničkih sklopova. Iz školskog kolegija fizike poznato je da se svjetlost može promatrati kao tok elementarnih čestica – fotona. Fotoni, koji padaju na površinu nekih poluvodičkih materijala, mogu dovesti do stvaranja elektrona i rupa (podsjetimo da se rupa u poluvodičima obično naziva slobodnim mjestom za elektron, koje nastaje kao rezultat prekida kovalentnih veza između atomi poluvodičke tvari). Proces stvaranja parova elektron-rupa pod utjecajem svjetlosti moguć je samo kada je energija fotona dovoljna da "otrgne" elektron iz "nativne" jezgre i prenese ga u vodljivi pojas. Energija fotona izravno je povezana s valnom duljinom upadne svjetlosti, odnosno ovisi o takozvanoj boji zračenja. U rasponu vidljive (odnosno, koju percipira ljudsko oko) energija fotona dovoljna je za stvaranje parova elektron-rupa u poluvodičkim materijalima kao što je silicij.
Budući da je broj generiranih fotoelektrona izravno proporcionalan intenzitetu svjetlosnog toka, postaje moguće matematički povezati količinu upadne svjetlosti s količinom naboja koju ona stvara. Na ovom jednostavnom fizičkom fenomenu temelji se princip rada fotoosjetljivih 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 zadaće pohranjivanja i nakupljanja fotoelektrona. Osim toga, razne metode se mogu koristiti za pretvaranje pohranjenih elektrona u električni napon (analogni signal), koji se zauzvrat pretvara u digitalni signal.
CCD senzori
Povijesno gledano, prvi koji su koristili takozvane CCD-ove kao fotoosjetljive elemente za videokamere bili su masovna proizvodnja koja je započela 1973. godine. Skraćenica CCD je skraćenica za Charge Coupled Device; u engleskoj literaturi koristi se izraz CCD (Charge-Coupled Device). Najjednostavniji CCD senzor je kondenzator sposoban pohraniti električni naboj kada je izložen svjetlu. Konvencionalni kondenzator, koji se sastoji od dvije metalne ploče odvojene dielektričnim slojem, ovdje neće raditi, stoga se koriste takozvani MOS kondenzatori. Po svojoj unutarnjoj strukturi, takvi kondenzatori su sendvič od metala, oksida i poluvodiča (ime su dobili po prvim slovima korištenih komponenti). Kao poluvodič koristi se p-tip dopirani silicij, odnosno poluvodič u kojem nastaju suvišne rupe zbog dodavanja atoma nečistoća (doping). Iznad poluvodiča je tanki sloj dielektrika (silicijev oksid), a na vrhu je sloj metala koji djeluje kao kapija, prema terminologiji tranzistora s efektom polja (slika 1.).
Kao što je već navedeno, parovi elektron-rupa nastaju u poluvodiču pod utjecajem svjetlosti. No, uz proces generiranja događa se i suprotan proces – rekombinacija rupa i elektrona. Stoga treba poduzeti korake da se nastali elektroni i rupe odvoje i zadrže traženo vrijeme. Uostalom, broj nastalih fotoelektrona nosi informaciju o intenzitetu apsorbirane svjetlosti. Tome služe vrata i izolacijski dielektrični sloj. Pretpostavimo da je pozitivan potencijal primijenjen na vrata. 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 duboko u poluvodič. Na sučelju poluvodič-izolator nastaje područje osiromašeno većinskim nosiocima, odnosno rupama, a veličina tog područja ovisi o vrijednosti primijenjenog potencijala. Upravo je to osiromašeno područje "skladište" za fotoelektrone. Doista, ako je poluvodič izložen svjetlu, tada će se rezultirajući elektroni i rupe kretati u suprotnim smjerovima - rupe duboko u poluvodič, a elektroni u osiromašeni sloj. Budući da u ovom sloju nema rupa, elektroni će tamo biti pohranjeni bez procesa rekombinacije potrebno vrijeme. Naravno, proces nakupljanja elektrona ne može trajati beskonačno. Kako se broj elektrona povećava između njih i pozitivno nabijenih rupa, nastaje inducirano električno polje, usmjereno suprotno polju koje stvaraju vrata. Kao rezultat, polje unutar poluvodiča smanjuje se na nulu, nakon čega proces prostornog odvajanja rupa i elektrona postaje nemoguć. Kao posljedica toga, formiranje para elektron-rupa prati njegova rekombinacija, odnosno broj "informacijskih" elektrona u osiromašenom sloju prestaje rasti. U ovom slučaju možemo govoriti o prekoračenju kapaciteta senzora.
Senzor koji smo razmatrali sposoban je obavljati dva važna zadatka - pretvaranje fotona u elektrone i njihovo pohranjivanje. Ostaje riješiti problem prijenosa ovih informacijskih elektrona u odgovarajuće pretvorbene jedinice, odnosno problem dohvaćanja informacija.
Zamislite ne jednu, već nekoliko blisko raspoređenih vrata na površini istog dielektrika (slika 2). Neka se elektroni akumuliraju ispod jedne od vrata kao rezultat fotogeneracije. Ako se na susjedna vrata primijeni veći pozitivni potencijal, tada će elektroni početi strujati u područje jačeg polja, odnosno kretati se od jednog vrata do drugog. Sada bi trebalo biti jasno da ako imamo lanac vrata, onda primjenom odgovarajućih kontrolnih napona na njih, možemo pomicati lokalizirani paket naboja duž takve strukture. Na ovom jednostavnom principu temelje se CCD uređaji.
Izvanredno svojstvo CCD-a je da su za pomicanje akumuliranog naboja dovoljne samo tri vrste vrata - jedna odašiljačka, jedna prijemna i jedna izolirajuća, koja razdvajaju parove prijema i odašiljanja jedan od drugog, a kapija istog imena takvih trojke se mogu međusobno povezati u jedan sat sabirnicu za koju je potreban samo jedan vanjski terminal (slika 3). Ovo je najjednostavniji trofazni pomakni registar na CCD-u.
Do sada smo CCD senzor razmatrali samo u jednoj ravnini - uz bočni rez. Izvan našeg vidnog polja je mehanizam zadržavanja elektrona u poprečnom smjeru, u kojem je zatvarač poput dugačke trake. S obzirom da je osvjetljenje poluvodiča neujednačeno unutar takve trake, brzina formiranja elektrona pod utjecajem svjetlosti će varirati duž duljine vrata. Ako se ne poduzmu mjere za lokalizaciju elektrona u blizini područja njihovog formiranja, tada će se kao rezultat difuzije koncentracija elektrona izjednačiti i informacije o promjeni intenziteta svjetlosti u uzdužnom smjeru će se izgubiti. Naravno, bilo bi moguće napraviti istu veličinu zatvarača i u uzdužnom i u poprečnom smjeru, ali bi to zahtijevalo izradu previše CCD zatvarača. Stoga se za lokalizaciju generiranih elektrona u uzdužnom smjeru koriste tzv. stop kanali (slika 4.), koji su uska poluvodička traka s povećanim sadržajem dopanta. Što je veća koncentracija nečistoće, to se unutar takvog vodiča stvara više rupa (svaki atom nečistoće dovodi do stvaranja rupe). Ali koncentracija rupa određuje pri kojem specifičnom naponu na vratima se ispod njega formira područje iscrpljivanja. Intuitivno je jasno da što je veća koncentracija rupa u poluvodiču, to ih je teže otjerati u dubinu.
Struktura CCD matrice koju razmatramo naziva se CCD s površinskim kanalom za prijenos, budući da 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 ulazeći u zamršenosti fizike čvrstog stanja, napominjemo da takvo ograničenje dovodi do stvaranja energetskih zamki za elektrone. Kao rezultat toga, elektroni nakupljeni pod utjecajem svjetlosti mogu biti zarobljeni ovim zamkama, umjesto da se prenose s jednih vrata na druga. Između ostalog, takve zamke mogu nepredvidivo osloboditi elektrone, i to ne uvijek kada je to stvarno potrebno. Ispostavilo se da poluvodič počinje "praviti buku" - drugim riječima, broj elektrona nakupljenih ispod vrata neće točno odgovarati intenzitetu apsorbiranog zračenja. Moguće je izbjeći takve pojave, ali za to se sam kanal za prijenos mora pomaknuti u dubinu vodiča. Ovo rješenje implementirali su stručnjaci tvrtke Philips 1972. godine. Ideja je bila da se u području površine poluvodiča p-tipa stvori tanak sloj poluvodiča n-tipa, odnosno poluvodiča u kojem su elektroni glavni nositelji naboja (slika 5.).
Dobro je poznato da kontakt dvaju poluvodiča s različitim vrstama vodljivosti 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 samo područje iscrpljivanja, odnosno kapacitet za fotoelektrone, nije smješteno na površini, pa stoga nema površinskih zamki za elektrone. Takav prijenosni kanal naziva se prikriveni, a svi moderni CCD-ovi se proizvode s prikrivenim prijenosnim kanalom.
Osnovni principi rada CCD senzora koji smo razmatrali koriste se za konstruiranje CCD matrica različite arhitekture. Strukturno se mogu razlikovati dvije glavne matrične sheme: s prijenosom okvira i s međulinijskim prijenosom.
U matrici prijenosa okvir po kadar, postoje dva ekvivalentna odjeljka s istim brojem redaka: akumulacija i pohrana. Svaki red u ovim odjeljcima čine tri vrata (predajna, prijemna i izolacijska). Osim toga, kao što je gore navedeno, svi redovi su odvojeni s mnoštvom zaustavnih kanala, koji tvore ćelije nakupljanja u horizontalnom smjeru. Dakle, najmanji strukturni element CCD matrice (piksel) nastaje iz tri horizontalna vrata i dva vertikalna stop kanala (slika 6.).
Tijekom ekspozicije u akumulacijskom dijelu nastaju fotoelektroni. Nakon toga, taktni impulsi primijenjeni na gejte prenose akumulirane naboje iz odjeljka za akumulaciju u zasjenjeni dio za pohranu, odnosno prenosi se, zapravo, cijeli okvir. Stoga se ova arhitektura naziva CCD za prijenos okvira po kadar. Nakon prijenosa, akumulacijski dio se briše i može ponovno akumulirati naboje, dok naboji iz memorijskog dijela ulaze u horizontalni registar čitanja. Struktura horizontalnog registra slična je strukturi CCD senzora - ista tri vrata za prijenos naboja. Svaki element horizontalnog registra ima nabojnu vezu s pripadajućim stupcem memorijske sekcije, a za svaki taktni impuls iz akumulacijske sekcije cijeli red ulazi u registar za čitanje koji se potom prenosi u izlazno pojačalo na daljnju obradu.
Razmatrana shema CCD matrice ima jednu nedvojbenu prednost - visok faktor punjenja. Ovaj se pojam obično naziva omjerom fotoosjetljive površine matrice i njezine ukupne površine. Za matrice s prijenosom okvira faktor punjenja doseže gotovo 100%. Ova značajka omogućuje izradu vrlo osjetljivih uređaja na njihovoj osnovi.
Uz razmatrane prednosti, matrice s prijenosom okvir po okvir imaju i niz nedostataka. Prije svega, napominjemo da se sam proces prijenosa ne može provesti odmah. Upravo ta okolnost dovodi do niza negativnih pojava. U procesu prijenosa naboja iz odjeljka za akumulaciju u dio za skladištenje, prvi ostaje osvijetljen i u njemu se nastavlja proces nakupljanja fotoelektrona. To dovodi do činjenice da svijetla područja slike imaju vremena doprinijeti paketu izvanzemaljskog naboja čak i u kratkom vremenu tijekom kojeg prolazi kroz njih. Kao rezultat toga, u kadru se pojavljuju karakteristična izobličenja u obliku okomitih pruga koje se protežu preko cijelog kadra od svijetlih područja slike. Naravno, za suzbijanje takvih pojava mogu se koristiti razni trikovi, ali najradikalniji način je odvojiti dio za akumulaciju i prijenosni dio tako da se prijenos odvija u zasjenjenom području. Matrice ove arhitekture nazivaju se CCD-ovi s međulinijskom crticom (slika 7).
Za razliku od prethodno opisane matrice prijenosa okvir po kadar, fotodiode se ovdje ponašaju kao elementi za pohranu naboja (fotodiode će biti detaljnije raspravljene kasnije). Naboji akumulirani fotodiodama prenose se na zasjenjene CCD ćelije, koje provode daljnji prijenos naboja. Imajte na umu da se prijenos cijelog okvira s fotodioda na vertikalne CCD prijenosne registre događa u jednom taktu. Postavlja se prirodno pitanje: zašto je ova arhitektura dobila naziv interlaced hyphenation (postoji i izraz "interlaced hyphenation")? Da bismo razumjeli podrijetlo naziva međulinija, kao i prijenosa okvir po kadar, prisjetimo se osnovnog principa prikazivanja slike na ekranu za formiranje video signala. Signal okvira sastoji se od linijskih signala razdvojenih razmakom između redova, odnosno vremena potrebnom da elektronska zraka koja skenira ekran prijeđe od kraja jednog retka do početka sljedećeg. Tu su i međuokvirne praznine - vrijeme potrebno za pomicanje grede s kraja zadnje linije na početak prve linije (prijelaz na novi okvir).
Ako se prisjetimo arhitekture CCD matrice s prijenosom između okvira, postaje jasno da se prijenos okvira iz odjeljka za akumulaciju u dio za pohranu događa tijekom međuokvirnog jaza video signala. To je razumljivo, jer će za prijenos cijelog okvira biti potrebno dosta vremena. U arhitekturi s međulinearnim prijenosom, okvir se prenosi u jednom taktu, a za to je dovoljan kratak vremenski interval. Tada slika ulazi u horizontalni pomakni registar, a prijenos se odvija red po red tijekom razmaka između redaka video signala.
Uz dvije razmatrane vrste CCD-a, postoje i druge sheme. Na primjer, shema koja kombinira mehanizam između okvira i međuredova (prijenos od reda do okvira) dobiva se dodavanjem odjeljka za pohranu u CCD matricu. U ovom slučaju, prijenos okvira sa fotoosjetljivih elemenata događa se u jednom ciklusu tijekom međulinijskog intervala, a tijekom interframe intervala okvir se prenosi u odjeljak za pohranu (međuokvirni prijenos); iz odjeljka za pohranu, okvir se prenosi u horizontalni pomakni registar tijekom razmaka između redaka (prijenos između okvira).
Nedavno su takozvani super-CCD (Super CCD) postali široko rasprostranjeni, koristeći originalnu arhitekturu saća, koju čine osmerokutni pikseli. Time se povećava radna površina silicija i povećava gustoća piksela (broj CCD piksela). Osim toga, osmerokutni oblik piksela povećava površinu površine osjetljive na svjetlost.
CMOS senzori
Temeljno drugačiji tip senzora je tzv. CMOS senzor (CMOS - komplementarni metal oksidni poluvodič; u engleskoj terminologiji - CMOS).
Unutarnja arhitektura CMOS senzora može varirati. Dakle, fotodiode, fototranzistori ili foto ventili mogu djelovati kao fotoosjetljivi element. Bez obzira na vrstu fotoosjetljivog elementa, princip razdvajanja rupa i elektrona dobivenih u procesu fotogeneracije ostaje nepromijenjen. Razmotrimo najjednostavniji tip fotodiode, na primjeru koje je lako razumjeti princip rada svih fotoćelija.
Najjednostavnija fotodioda je kontakt poluvodiča n- i p-tipa. Na kontaktnoj granici ovih poluvodiča formira se područje iscrpljenosti, odnosno sloj bez rupa i elektrona. Takvo područje nastaje kao rezultat difuzije većine nositelja naboja u međusobno suprotnim smjerovima. Rupe se kreću od p-poluvodiča (tj. iz područja u kojem su u suvišku) do n-poluvodiča (tj. u područje gdje je njihova koncentracija niska), a elektroni se kreću u suprotnom smjeru, tj. je, od n-poluvodiča do p-poluvodiča. Kao rezultat ove rekombinacije, rupe i elektroni nestaju i stvara se područje iscrpljivanja. Osim toga, ioni nečistoća su izloženi na granicama područja iscrpljenosti, a u n-području ioni nečistoća imaju pozitivan naboj, a u p-području su negativni. Ti naboji, raspoređeni duž granice područja iscrpljivanja, tvore električno polje slično onom stvorenom u ravnom kondenzatoru koji se sastoji od dvije ploče. To je polje koje obavlja funkciju prostornog odvajanja rupa i elektrona nastalih u procesu fotogeneracije. Prisutnost takvog lokalnog polja (naziva se i potencijalna barijera) temeljna je točka u svakom fotoosjetljivom senzoru (ne samo u fotodiodi).
Pretpostavimo da je fotodioda osvijetljena svjetlošću, a svjetlost pada na n-poluvodič, a pn-spoj je okomit na svjetlosne snopove (slika 8). Fotoelektroni i fotorupe će difundirati u unutrašnjost kristala, a neki od njih, koji nisu imali vremena rekombinirati, doći će do površine pn spoja. No, za elektrone je postojeće električno polje nepremostiva prepreka – potencijalna barijera, pa elektroni neće moći prevladati pn spoj. Rupe se, s druge strane, ubrzavaju električnim poljem i prodiru u p-područje. Kao rezultat prostornog razdvajanja rupa i elektrona, n-područje je nabijeno negativno (višak fotoelektrona), a p-područje je pozitivno nabijeno (višak fotorupa).
Glavna razlika između CMOS senzora i CCD senzora nije u načinu nakupljanja naboja, već u načinu njegovog daljnjeg prijenosa. CMOS tehnologija, za razliku od CCD-a, omogućuje izvođenje više operacija izravno na kristalu na kojem se nalazi fotoosjetljiva matrica. Osim što oslobađaju elektrone i odašilju ih, CMOS senzori također mogu obraditi slike, poboljšati konture slike, smanjiti šum i izvesti analogno-digitalne pretvorbe. Štoviše, moguće je izraditi programabilne CMOS senzore, stoga se može dobiti vrlo fleksibilan višenamjenski uređaj.
Tako širok raspon funkcija koje obavlja jedan mikro krug glavna je prednost CMOS tehnologije u odnosu na CCD. Time se smanjuje broj potrebnih vanjskih komponenti. Korištenje CMOS senzora u digitalnom fotoaparatu omogućuje vam da na oslobođeni prostor instalirate druge čipove - na primjer, procesore digitalnih signala (DSP) i analogno-digitalne pretvarače.
Brzi razvoj CMOS tehnologije započeo je 1993. godine, kada su stvoreni senzori aktivnih piksela. Uz ovu tehnologiju, svaki piksel ima svoje tranzistorsko pojačalo za očitavanje, koje omogućuje pretvaranje naboja u napon izravno na pikselu. Osim toga, postalo je moguće nasumično pristupiti svakom pikselu senzora (slično kako radi RAM s slučajnim pristupom). Naboj iz aktivnih piksela CMOS senzora čita se paralelno (slika 9.), što omogućuje čitanje signala iz svakog piksela ili iz stupca piksela izravno. Nasumični pristup omogućuje CMOS senzoru čitanje ne samo cijele matrice, već i uzorkovanih područja (metoda prozora).
Unatoč očitim prednostima CMOS matrica u odnosu na CCD (od kojih je glavna niža cijena), one također imaju niz nedostataka. Prisutnost dodatnih sklopova na CMOS čipu dovodi do pojave niza smetnji, poput rasipanja tranzistora i dioda, kao i efekta zaostalog naboja, odnosno CMOS matrice su danas "bučnije". Stoga će se u bliskoj budućnosti visokokvalitetni CCD-ovi koristiti u profesionalnim digitalnim fotoaparatima, a CMOS senzori ovladavaju tržištem za jeftinije uređaje, što posebno uključuje web kamere.
Kako se dobiva boja
Gore spomenuti fotoosjetljivi senzori sposobni su reagirati samo na intenzitet apsorbirane svjetlosti - što je intenzitet veći, to se više naboja nakuplja. Postavlja se logično pitanje: kako se dobiva slika u boji?
Kako bi se omogućilo kameri da razlikuje boje, niz filtara u boji (CFA, nizovi filtera boja) primjenjuje se izravno na aktivni piksel. Princip filtera u boji vrlo je jednostavan: propušta samo svjetlost određene boje (drugim riječima, samo svjetlost određene valne duljine). Ali koliko je ovih filtara potrebno ako je broj različitih nijansi boja praktički neograničen? Ispada da se bilo koja nijansa boje može dobiti miješanjem nekoliko primarnih (osnovnih) boja u određenim omjerima. Najpopularniji aditivni RGB model (crvena, zelena, plava) ima tri takve boje: crvenu, zelenu i plavu. To znači da su potrebna samo tri filtera u boji. Imajte na umu da RGB nije jedini model boja, ali ga koristi velika većina digitalnih web kamera.
Najpopularniji su nizovi filtera Bayerovih uzoraka. U ovom sustavu crveni, zeleni i plavi filteri su raspoređeni, a broj zelenih filtara je dvostruko veći od crvenih ili plavih. Redoslijed je takav da se crveni i plavi filteri nalaze između zelenih (slika 10.).
Ovaj omjer zelenih, crvenih i plavih filtera objašnjava se osobitostima ljudske vizualne percepcije: naše su oči osjetljivije na zelenu boju.
U CCD kamerama, tri kanala u boji se poravnavaju u uređaju za obradu slike nakon pretvaranja signala iz analognog u digitalni. U CMOS senzorima, ovo poravnanje se također može dogoditi izravno u čipu. U svakom slučaju, primarne boje svakog filtra se matematički interpoliraju uzimajući u obzir boju susjednih filtara. Stoga, da bi se dobila prava boja slikovnog piksela, potrebno je znati ne samo intenzitet svjetlosti koja je prošla kroz filter ovog piksela, već i vrijednosti intenziteta svjetlosti koja je prošla kroz filtere okolnih piksela.
Kao što je već napomenuto, RGB model boja koristi tri primarne boje, s kojima 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 24-bitni RGB 24 model dodjeljuje 8 bita za svaku boju. Uz 8 bita, 256 različitih tonova boja može se odrediti za crvenu, zelenu, odnosno plavu. Svakoj nijansi dodijeljena je vrijednost od 0 do 255. Na primjer, crvena može imati 256 stupnjevanja: od čiste crvene (255) do crne (0). Maksimalna vrijednost koda odgovara jednobojnoj boji, a kod za svaku boju obično je raspoređen sljedećim redoslijedom: crvena, zelena i plava. Na primjer, čisti crveni kod je napisan kao (255, 0, 0), zeleni kod je (0, 255, 0), a plavi kod je (0, 0, 255). Žuta se može dobiti miješanjem crvene i zelene, a njezin kod se piše kao (255, 255, 0).
Uz RGB model, široku primjenu imaju i modeli YUV i YSrCb koji su međusobno slični i temelje se na razdvajanju signala svjetline i krominacije. Y signal je signal osvjetljenja koji je definiran miješanjem crvene, zelene i plave boje. 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 modela (YCrCb) je da ova metoda kodiranja, iako je složenija od RGB-a, zahtijeva manju propusnost. Činjenica je da osjetljivost ljudskog oka na Y-komponentu svjetline i komponente razlike u boji nije ista, stoga se čini sasvim prihvatljivim izvesti ovu transformaciju s decimacijom (preplitanjem) komponenti razlike u boji, kada je Y -komponente se izračunavaju za grupu od četiri susjedna piksela (2 × 2), a komponente razlike u boji se dijele (tzv. shema 4:1:1). Lako je izračunati da vam već shema 4: 1: 1 omogućuje prepolovljenje izlaznog toka (umjesto 12 bajtova, šest je dovoljno za četiri susjedna piksela). U YUV 4:2:2 kodiranju, signal svjetline se prenosi za svaku točku, a signali razlike u boji U i V prenose se samo za svaku drugu točku u liniji.
Kako digitalno funkcionira
Web kamere
Princip rada svih vrsta digitalnih fotoaparata je približno isti. Razmotrimo tipičan izgled najjednostavnije web kamere, čija je glavna razlika od ostalih vrsta kamera prisutnost USB sučelja za povezivanje s računalom.
Osim optičkog sustava (leće) i fotoosjetljivog CCD ili CMOS senzora, potreban je analogno-digitalni pretvarač (ADC) koji pretvara analogne signale fotoosjetljivog senzora u digitalni kod. Osim toga, potreban je i sustav slikanja u boji. Drugi važan element kamere je sklop koji je odgovoran za komprimiranje podataka i pripremu za prijenos u željenom formatu. Na primjer, u razmatranoj web kameri video podaci se prenose na računalo putem USB sučelja, stoga na njegovom izlazu mora biti prisutan kontroler USB sučelja. 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 njegov kapacitet. Kapacitet ADC-a je broj bitova koji se koriste za predstavljanje svakog uzorka u signalu. Na primjer, ako se koristi 8-bitni ADC, tada se za predstavljanje signala koristi 8 bitova, što omogućuje razlikovanje 256 gradacija izvornog signala. Kada se koristi 10-bitni ADC, moguće je razlikovati već 1024 različite gradacije analognog signala.
Zbog niske propusnosti USB 1.1 (samo 12 Mbps, od čega web kamera ne koristi više od 8 Mbps), podaci se moraju komprimirati prije prijenosa na računalo. Na primjer, uz razlučivost okvira od 320 × 240 piksela i dubinu boje od 24 bita, nekomprimirana veličina okvira bit će 1,76 Mbps. Uz USB propusnost od 8 Mbps, maksimalna brzina prijenosa nekomprimiranih signala iznosi samo 4,5 sličica u sekundi, dok je brzina prijenosa od 24 ili više sličica u sekundi potrebna za visokokvalitetni video. Dakle, postaje jasno da je bez hardverske kompresije prenesenih informacija normalan rad kamere nemoguć.
U skladu s tehničkom dokumentacijom, ova CMOS matrica ima rezoluciju 664 × 492 (326 688 piksela) i može raditi pri brzini do 30 sličica u sekundi. Senzor podržava progresivno i horizontalno skeniranje i pruža omjer signal-šum veći od 48 dB.
Kao što se vidi iz blok dijagrama, jedinica za oblikovanje boja (analogni procesor signala) ima dva kanala - RGB i YSrCb, a za model YSrCb signali svjetline i razlike u boji izračunavaju se po formulama:
Y = 0,59G + 0,31R + 0,11B,
Cr = 0,713 × (R - Y),
Cb = 0,564 × (B - Y).
Analogne signale RGB i YCrCb koje generira analogni signalni procesor obrađuju dva 10-bitna ADC-a, od kojih svaki radi brzinom od 13,5 MSPS za sinkronizaciju sa brzinom piksela. Nakon digitalizacije, podaci idu u digitalni pretvarač, koji generira video podatke u 16-bitnom YUV 4:2:2 ili 8-bitnom Y 4:0:0, koji se šalju na izlazni port preko 16-bitnog ili 8-bitnog -bit bus.
Osim toga, razmatrani CMOS senzor ima širok raspon mogućnosti korekcije slike: balans bijele boje, kontrolu ekspozicije, gama korekciju, korekciju boje itd. Senzorom se može upravljati preko sučelja SCCB (Serial Camera Control Bus).
Mikrokrug OV511 +, čiji je blok dijagram prikazan na Sl. 13 je USB kontroler.
Kontroler vam omogućuje prijenos video podataka preko USB sabirnice brzinom do 7,5 Mbit/s. Lako je izračunati da takva širina pojasa neće dopustiti prijenos video toka prihvatljivom brzinom bez preliminarne kompresije. Zapravo, kompresija je glavna svrha USB kontrolera. Pružajući potrebnu kompresiju u stvarnom vremenu do omjera kompresije od 8:1, kontroler može prenositi video stream brzinom od 10-15 sličica u sekundi pri razlučivosti od 640 × 480 i brzinom od 30 sličica u sekundi pri razlučivosti od 320 × 240 i niže.
OmniCE blok je odgovoran za kompresiju podataka, koji implementira vlasnički algoritam kompresije. OmniCE pruža ne samo potrebnu brzinu video streama, već i brzu dekompresiju uz minimalno opterećenje CPU-a (barem prema programerima). Omjer kompresije koji osigurava OmniCE jedinica kreće se od 4 do 8 ovisno o potrebnoj brzini video streama.
ComputerPress 12 "2001
