Чувствительность матрицы: Вопросы | Что такое светочувствительность матрицы? — Primelens.ru-Зеркальные Фотоаппараты,Компактные Фотоаппараты,Видеокамеры,Объективы,Фотовспышки, и Аксессуары в Москве.

Чувствительность матрицы: Вопросы | Что такое светочувствительность матрицы?

Содержание

Технологии CMOS и чувствительность | Secuteck.Ru

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Похоже, наконец это свершилось! Можно считать, что чувствительность CMOS-сенсоров сравнялась с чувствительностью CCD, а иногда уже и превышает ее. Особенно в новейших технологиях

Николай Чура
Технический консультант компании «Фирма «Видеоскан»

Матрицы CCD всегда характеризовались более высокой чувствительностью, чем CMOS. Для видеонаблюдения этот параметр является важнейшим, поскольку наблюдение, особенно наружное, как правило, должно обеспечиваться круглосуточно вне зависимости от освещенности объекта.

Создать хорошее искусственное освещение на больших и открытых площадях – задача непростая и затратная. Более того, зачастую видимое освещение не всегда допустимо из соображений «световой экологии» или скрытности наблюдения. В таких случаях применяют инфракрасные (ИК) осветители и камеры «день/ночь» или черно-белое изображение. Но в любом случае приходится довольствоваться именно черно-белой картинкой. С одной стороны, это обусловлено отсутствием понятия цвета для ИК-диапазона. С другой, спектральные характеристики цветных камер для разных цветовых составляющих в области ИК-полностью идентичны.

Чувствительность CCD

По мере развития технологий чувствительность CCD для видеонаблюдения непрерывно росла. И это несмотря на постепенный переход к меньшим форматам матриц (2/3, 1/2, 1/3 и 1/4″), а соответственно, и уменьшению площади единичного элемента изображения – пикселя.

Первоначально площадь самих чувствительных элементов составляла 10–15% от полной площади матрицы. Этот процент снижался по мере уменьшения размера матрицы. Остальная площадь использовалась под соединительные элементы, системы переноса и накопления заряда, антиблюминга и другие вспомогательные задачи. Кардинально улучшить чувствительность удалось после применения массива микролинз (Super HAD), существенно увеличившего площадь сбора световой энергии. Постепенно микролинзы менялись по площади, совершенствовались по геометрии, иногда даже превращались в систему линз.

Для цветных вариантов повышали пропускание пиксельных светофильтров. Только один из этапов этого процесса представлен на рис. 1 на примере Super HAD – Super HAD II.

Инфракрасный диапазон

Очень популярным методом, начиная с технологии EXview HAD CCD, является увеличение чувствительности в область ближнего ИК-диапазона (700–1000 нм).

Строго говоря, распространенная технология повышения чувствительности матрицы за счет увеличения чувствительности в области ИК-излучения не относится к чувствительности в люксах. Все фотометрические единицы имеют прямое отношение к взаимодействию света с глазом человека, а поэтому предполагают спектральную характеристику чувствительности, по крайней мере близкую так называемой кривой видности глаза. Но при оценке чувствительности матриц традиционно используются «тепловые» источники света (лампы накаливания) с цветовой температурой 3200K, интенсивно испускающие ИК-излучение с максимумом суммарного спектра излучения около 1000 нм. Именно потому так разнятся «измеренные» и расчетные значения чувствительности. Естественно, это характерно не только для черно-белых CCD, но и для современных камер «день/ночь» с ИК-чувствительностью. Причем это так вне зависимости от типа сенсора. На протяжении всей современной истории развития российского видеонаблюдения на это многократно указывали многие специалисты. Применяя для испытаний камер современные светодиодные осветители, полностью лишенные ИК-излучения, получают совершенно другие, значительно более скромные результаты чувствительности в люксах. Так же, как и используя современное ночное «эффективное» светодиодное освещение «белого света», можно получить не такие результаты, как с «малоэффективным» галогенным прожектором для камеры в ночном режиме. Либо надо создавать освещенность более 30–50 лк и переходить в цветной дневной режим. Но учитывая квадратичную зависимость освещенности от дальности, получить значительные площади наблюдения с искусственным освещением в цвете очень непросто.

Проблемы наблюдения в ИК-диапазоне

Конечно, пользователю в принципе неважно, работает ли его камера от «люксов» или от «ватт на метры квадратные». Главное, чтобы была картинка. Но, во-первых, c ИК-чувствительностью вынужденно используется черно-белое изображение, чтобы не получить сильные цветовые искажения. А во-вторых, ИК-излучения в естественном освещении ночью не так много, поэтому надо использовать ИК-подсветку, что сейчас и делается почти повсеместно. Тем более что современные осветители «белого света» распрощались с лампами накаливания как с обычным, так и с галогенным циклом и перешли на светодиодные, металлогалогенные и ксеноновые излучатели, которые практически не содержат ИК-составляющей.

Наиболее наглядно можно проследить технологическое развитие матриц на примере все той же компании SONY – благодаря огромному ассортименту матриц CCD и CMOS различного назначения и разрешения, единой методики тестирования, а также доступности технических характеристик. По не очень полным описаниям матриц других производителей очевидно, что в той или иной мере они используют похожие технологические решения, поскольку «река технического прогресса» в наше информационное время едина для всех. По мере совершенствования технологий производства CCD их чувствительность выросла почти в 8 раз, а с использованием ИК-области – более чем в 20 раз. Динамический диапазон расширился более чем в 1,5 раза.

Чувствительность CMOS

Аналогичные процессы происходят и с матрицами CMOS. Отличие лишь в том, что эта технология более молодая и дешевая в производстве. Но из-за широкого применения в мегапиксельном наблюдении с малой площадью пикселя вопрос о чувствительности стоит для них особенно остро. Чувствительность CMOS-сенсоров максимально приблизилась к чувствительности CCD после создания технологии Exmor. В целом методы повышения чувствительности CMOS подобны методам для CCD:

Увеличение эффективности микролинз.
Уменьшение поглощения света в материале сенсора, оптических элементах и светофильтрах.
Уменьшение рассеивания на проводниках структуры, для чего используется материал с большей проводимостью (медь вместо алюминия), но меньшего сечения. Это особенно актуально для структуры CMOS, содержащей большое количество элементов, включая усилительные каскады.

На рис. 2 показано развитие структуры пикселей CMOS-сенсоров до современного состояния.

Ключевым моментом, отличающим Exmor от других технологий, является максимальное приближение к самому светочувствительному элементу преобразования аналога в цифру (рис. 3).

То есть вместо общего преобразователя используются отдельные преобразователи для каждого столбца. Это позволило существенно снизить шум сенсора, а следовательно, увеличить его чувствительность. Замена материала соединительных проводников снизила перекрытие светового потока и уменьшила суммарную толщину всего сенсора. Подобное изменение конструкции продемонстрировано на предпоследнем варианте пикселя рис. 2. Кроме того, за последнее время значительно увеличилась возможная разрядность аналого-цифрового преобразования. Вначале до 12, а теперь уже и до 14 бит, что также увеличило динамический диапазон и снизило шум сенсора.

Технология Exmor позволила улучшить чувствительность сенсоров до 50–80 мВ/мкм2. Другими словами, практически совпадает по удельной чувствительности с лучшими образцам CCD-технологий Super HAD II и EXview HAD II. Правда, для безболезненной замены аналоговых камер на мегапиксельные желательно было бы приблизиться по чувствительности от формата CCD SD хотя бы к популярному и наиболее востребованному FullHD. В наиболее распространенных сенсорах с форматом, близким к 1/3″, сторона пикселя не превышает 2,5–2,8 мкм. Другими словами, чтобы эффективно соперничать с недавно популярными камерами 960H, необходимо иметь удельную чувствительность CMOS-сенсоров почти в 4 раза выше CCD.

Новые форматы и технологии

Приход новых форматов изображения 4K и 8K еще более актуализировал рост чувствительности CMOS-сенсоров.

Здесь большие надежды подает технология BSI (или BI – Back-Illuminated Sensor) и ее клоны, которая была впервые предложена компанией Omnivision, однако поначалу имела слишком высокую стоимость. У SONY эта технология получила название Exmor R и Exmor RS. Впервые она широко стала применяться в миниатюрных камерах для мобильных устройств. Вообще этот сегмент, как и другие бытовые направления, является двигателем технического прогресса и в области сенсоров изображений – ввиду масштабности рынка и крайней заинтересованности в нем производителей. Главное отличие этой технологии – принципиальное изменение расположения самого чувствительного элемента с нижнего слоя кремниевой пластины, над которым располагались элементы схемы и соединительные проводники, непосредственно к линзовому массиву с цветными фильтрами RGB. На рис. 2 это последняя технология пикселя, получившая название Starvis. Предполагалось, что чувствительность подобных сенсоров будет иметь по крайней мере двукратное преимущество относительно предыдущих вариантов.

В реальности значения удельной чувствительности CMOS-сенсоров Exmor R варианта Starvis лежат в диапазоне 70–140 мВ/мкм2. Практический аналог этой технологии предлагается Omnivsion под названием BSI-2. Примечательно, что в ней использованы конструктивные решения разводки из меди, аналогичные Exmor, что опять же говорит о единстве технических решений.

Методики оценки чувствительности в разных компаниях несколько различаются, поэтому сравнить модели по этому параметру затруднительно. Но уже показательно, что Omnivision стала указывать чувствительность сенсора в перечне технических характеристик. Спектральные характеристики чувствительности сенсоров пока остаются неведомыми, а в последнее время и у SONY приводятся нерегулярно. Можно только предполагать, что они несильно отличаются друг от друга. Для последнего достижения борьбы за чувствительность CMOS-сенсоров – технологии Starvis, основанной на структуре BSI, – заявляется почти «немыслимая» удельная чувствительность – 2000 мВ/мкм2 и более.

Правда, эта величина дана для времени накопления 1 с, в то время как по типовой методике этого производителя чувствительности обычно нормируются для времени накопления 1/30 с. Другими словами, удельная величина составит более 70 мВ/мкм². Лучшие модели этой технологии имеют максимальное 14-битное преобразование (для 30 кадр/с). В них используется технология брекетинга – съемка одного и того же кадра несколько раз с разными настройками основных параметров. Благодаря этому возможна реализация режима WDR с двойным сканированием (при 60 кадр/с). Широкие функции усиления позволяют отдельную регулировку усиления каждого пикселя по каждому цвету. Возможно также двухканальное усиление от каждого пикселя с последующим суммированием, что реализует корреляционный прием с улучшением отношения сигнал/шум еще в 1,4 раза. Эти меры позволяют обеспечить большое усиление сигнала с минимальным шумом, то есть высокую чувствительность.

Рост эффективности сосветосильной оптикой

Снижение толщины сенсора не только исключает падение эффективности приема при использовании светосильных объективов, но даже увеличивает эффективность и чувствительность приема. Так, например, для обычных сенсоров формата 1/2,8–1/3,2″ с пикселем 2,5 мкм при изменении F-числа объектива c 5,6 до 1,2 эффективность снижается с 1 до 0,6. Для сенсора BSI она несколько увеличивается – до 1,1.

Очевидно, что с сенсорами Starvis можно более эффективно использовать светосильную оптику и тем самым обеспечить высокочувствительный прием изображения.

Таким образом, современные технологии CMOS-матриц достигли значительных успехов в повышении чувствительности и уже практически «победили» CCD.

Опубликовано: Журнал «Системы безопасности» #6, 2016
Посещений: 7530

Автор

Чура Н.И.Технический консультант ООО «Система СБ» и ООО «Микровидео /Группа».

Всего статей: 57

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

5.

Чувствительность матрицы

Чувствительность— способность определенным образом реагировать на световое излучение, характеризуется значением освещенности на объекте в люксах, обеспечивающее заданные параметры качества (полная разрешающая способность) выходного сигнала.

Число светочувствительности пленки можно изменить условиями проявления. В цифровых фотоаппаратах максимальная светочувствительность матрицы является постоянной и зависит от размеров пикселя — чем больше размеры пикселя, тем больше света он воспринимает и тем более чувствительной будет матрица. Увеличение чувствительности может быть достигнуто программными средствами (усилением сигнала при обработке).

Чувствительность матрицы является интегральной величиной, зависящей от чувствительности каждого элемента. Чувствительность пикселя матрицы зависит, во-первых, от площади светочувствительной области, во-вторых, отквантовой эффективности, т.

е. отношения числа зарегистрированных электронов к числу упавших на поверхность сенсора фотонов.

Единицы измерения как интегральной, так и монохромной чувствительности отличаются от принятых обозначений, поэтому производители цифровой фототехники в характеристиках изделия указывают эквивалентную чувствительностьматрицы в единицах ISO.

6. Динамический диапазон матрицы

Динамический диапазон матрицы — величина, характеризующая способность фотоприемника воспроизводить с одинаковой степенью контрастности различия яркостей участков оптического изображения объекта. ДД определяется глубиной потенциальной ямы: потенциальные ямы матрицы должны удерживать минимальное количество электронов при слабой освещенности, а также вмещать большой заряд, получаемый при попадании на сенсор мощного светового потока. Таким образом ДД цифровой камеры может быть описан как соотношение между максимальной регистрируемой интенсивностью света,

когда еще различимы детали в светах (при насыщении пикселя) и минимальной (на уровне погрешности считывания,при котором камера еще «видит» детали в тени). Как правило, чем больше геометрические размеры матрицы (не путать с числом пикселей!), тем шире ДД.

Чем шире ДД камеры, тем более широкий диапазон яркостей она способна без потерь передавать на снимке. При расширении динамического диапазона количество оттенков снимка будет увеличиваться, а переходы между ними будут максимально соответствовать изображению, формируемому объективом. Для матриц ЦФК характерен более узкий ДД по сравнению с негативной пленкой. Если снимать очень контрастный объект, имеющий большой интервал яркости, на камеру с узким ДД, то на фотографии темные детали (тени) окажутся черными, а светлые (света) — белыми — произойдет потеря информации. ЦФК, пока что, теряют детали в светах — в частности, делают небо на снимке молочно белым, хотя, на самом деле, оно голубое.

7. Глубина цвета

Эта величина показывает, сколькими полутонами может быть представлен каждый из цветов. Глубина цветаотражает разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и определяет максимальное число цветовых оттенков по каждому цвету. 3это 16,7х10⁶цветов. Наиболее часто используется 24-битное представление цвета, т.е. значение яркости точкив каждомиз каналов- СЗК- может быть представлено числом от 0 до 255 (2 в 8-ой степени).

Матрица чувствительности | Партнерство НДЦ

Перейти к основному содержанию

JavaScript и файлы cookie должны поддерживаться, чтобы использовать Веб-сайт.

Чтобы иметь возможность использовать все возможности веб-сайта и навигатора функции, загрузите и установите один из следующих браузеров:

Вернуться к поиску

Разработчик или источник: Федеральное управление автомобильных дорог Министерства транспорта США

Матрица чувствительности — это инструмент в виде электронных таблиц, который позволяет транспортным агентствам и другим управляющим инфраструктурой документировать чувствительность дорог, мостов, аэропортов, портов, трубопроводов и железных дорог к 11 климатическим воздействиям: повышение температуры и экстремальная жара, внутренние наводнения, вызванные осадками. , повышение уровня моря/экстремальный прилив, штормовой нагон, ветер, засуха, пыльные бури, лесные пожары, зимние бури, изменения режима замерзания/оттаивания и оттаивание вечной мерзлоты.

Регион: Глобальный

Отрасли и темы: Транспорт

Шкала: Уровень проекта

Уровень экспертизы: Практик

Тип ресурса: Инструменты анализа

Необходимые входные данные: Выберите тип актива Климатический стрессор

Предоставленные результаты: Отчет с информацией о чувствительности для интересующего типа(ов) активов и фактора(ов) климатического стресса

Языки: Английский

Перейти к этому инструменту

Найти дополнительные ресурсы

Аналогичные инструменты

Инструмент оценки уязвимости транспорта

Руководство по оценке критичности Планирование адаптации транспорта

Секторальное внедрение определяемых на национальном уровне вкладов (NDCs) – Транспорт

Гендерный инструментарий: Транспорт

Дополнительные инструменты от этого разработчика

Министерство транспорта США Федеральное управление автомобильных дорог

Инструмент оценки уязвимости транспорта

Руководство по оценке критичности планирования адаптации транспорта

Платформы знаний

90 002 Транспортная инициатива NDC для Азии (NDC-TIA) Ресурсы

Транспортная инициатива NDC для Азии (NDC-TIA) Ресурсы

Открытый учебный кампус (OLC)

Консультационные услуги

Учебный курс The Blue Planning

Глобальная программа поддержки (GSP) для национальных сообщений и двухгодичных отчетов об обновлении В настоящее время нет соответствующих результатов

Вы использовали этот инструмент раньше?

Поделитесь с нами своим опытом!

Подпишитесь на ежемесячный информационный бюллетень Партнерства NDC и получайте новости о работе в стране, предстоящих событиях, ресурсах и многом другом.

NDCPARTNERSHIP.ORG

РАЗМЕЩАЕТСЯ:

WRI
Вашингтон, округ Колумбия, США Офис
10 Г Ст СВ, #800
Вашингтон, округ Колумбия 20002
США

РКИК ООН
Бонн, Германия Офис
Platz der Vereinten Nationen 1
53113 Бонн
Германия

Повышение чувствительности матрицы преобразователя для трехмерной ультразвуковой локализационной микроскопии с большим полем зрения с использованием многолинзового дифракционного слоя: имитационное исследование

. 2022 7 апреля; 67 (8).

дои: 10.1088/1361-6560/ac5f72.

Хью Фавр ¹ , Матье Перно ¹ , Микаэль Тантер ¹ , Клеман Пападаччи ¹

принадлежность

¹ Медицинский институт физики Париж, Inserm U1273, ESPCI Paris-PSL, Cnrs UMR8063, F-75012 Париж, Франция.

PMID: 35313289
DOI: 10.1088/1361-6560/ac5f72

Hugues Favre et al. физ.-мед. биол. 2022 .

. 2022 7 апреля; 67 (8).

дои: 10.1088/1361-6560/ac5f72.

Авторы

Хью Фавр ¹ , Матье Перно ¹ , Микаэль Тантер ¹ , Клеман Пападаччи ¹

принадлежность

¹ Медицинский институт физики Париж, Inserm U1273, ESPCI Paris-PSL, Cnrs UMR8063, F-75012 Париж, Франция.

PMID: 35313289
DOI: 10.1088/1361-6560/ac5f72

Абстрактный

Картирование микропотоков крови всего мозга имеет решающее значение для ранней диагностики церебральных заболеваний. Ультразвуковая локализационная микроскопия (ULM) недавно была применена для картирования и количественной оценки микропотоков крови в 2D в головном мозге взрослых пациентов вплоть до микронного масштаба. Клиническая УЛМ 3D всего мозга остается сложной задачей из-за транскраниальной потери энергии, которая значительно снижает чувствительность визуализации. Датчики с большой апертурой и большой поверхностью могут увеличить как разрешение, так и чувствительность. Однако большая активная поверхность подразумевает наличие тысяч акустических элементов с ограниченным клиническим воплощением. В этом исследовании мы исследуем с помощью моделирования новый высокочувствительный подход к 3D-визуализации, основанный на больших расходящихся элементах в сочетании с адаптированным формированием луча с скорректированными законами задержки для повышения чувствительности. Сначала моделировались поля давления от отдельных элементов разных размеров и форм. Высокая направленность была измерена для изогнутого элемента при поддержании высокого давления передачи. Матричные массивы из 256 элементов размерностью 10×10 см с малыми ( λ /2), большие (4 λ ) и криволинейные элементы (4 λ ) сравнивались посредством анализа точечных функций рассеяния. Большой синтетический фантом микрососудов, заполненный 100 микропузырьками на кадр, был визуализирован с использованием массивов матриц в транскраниальной конфигурации. 93% пузырьков были обнаружены с помощью предложенного подхода, демонстрирующего, что многолинзовый дифракционный слой имеет большой потенциал для включения 3D ULM в большом поле зрения через кости.

Ключевые слова: 3D визуализация; кровоток; супер разрешение; транскраниальная визуализация; преобразователи; ультразвуковая визуализация; ультразвуковая локализационная микроскопия.