TopТехнический словарьДатчик изображения

В зависимости от типа преобразователя, принцип действия может отличаться. Однако всегда исполняет одну и ту же функцию -преобразует световой луч, поступающий через объектив на электрический сигнал, который содержит, прежде всего, информацию о яркости регистрируемого изображения. Вопреки видимости, тип используемого датчика, имеет большое значение для качества выходного изображения.

 

Рис. 1. Датчик изображения типа CMOS с камеры APTI-24C2-36W

 

Чаще всего используется два типа датчиков – CCD i CMOS (рис.2а и рис.2b). В промышленных камерах теперь чаще встречаются другие, из-за их структуры и возможностей, которые они предлагают. В то время, как датчики ССD, как правило, встречаются у все менее популярных аналоговых камерах, работающих в стандарте PAL. Следующие краткие характеристики и функции каждой из них.

 

Рис.2а. Тип преобразователя CCD

 

Рис.2b. Тип преобразователя CMOS

 

Преобразователь CCD (Charge Coupled Device) – устройство с зарядной связью.

 

В целом принцип работы преобразователя CCD основан на накоплении электрического заряда на соответствующих секторах матрицы преобразователя, называемого пикселем. Это происходит из-за фотонов (света), падающего на изолированные друг от друга пикселя, которые выбивают с них электроны (рис.3). Одиночный пиксель можна представить в виде контейнера, в котором собираются вновь созданные электроны. Их число пропорционально до интенсивности света и времени экспонирования (рис.4)

 

Рис.3. Матрица CCD состоит из одиночных пикселей (b) вместе с падающими на них фотонами (a)

 

a — фотон

b — пиксель

Рис. 4. Одиночный пиксель, в котором есть осаждения электронов (b) из фотонов, падающих на него (a)

 

a — фотон

b — электрон

Таким образом, за счет наполнения матрицы различным количеством электронов, создается карта, которая в каком-то смысле является отображением изображения, видимого камерой. Стоит отметить, что матричный преобразователь сам фиксирует только интенсивность света, без цвета отдельных элементов в изображении, о чем будет далее.

 

Чтение количества накопленных электронов в каждом пикселе выполняется последовательно. Это означает, что перенос электронов для дальнейшей электронной схемы наступает только в регистрах чтения, который расположен вдоль одной строки матрицы. После считывания электронов с первой строки матрицы, пропускаются следующие электроны из следующей строки матрицы, а их место, в свою очередь, занимают электроны из следующей строки. Вся процедура повторяется до тех пор, пока не считываются все пиксели (рис.5).

 

Рис.5. Схема последовательного считывания электронов (a) с пикселей через канал ССD (b). Все электроны окончательно войдут в регистр чтения (c), откуда далее транспортируются к электронике

 

a — электрон

b — канал CCD

c — регистр чтения

Таким образом, нагрузки от каждого пикселя передаются на электронные схемы, которые изменяют его на электрическое напряжение, соответствующее количеству «захваченного» света. Кроме того, к каждому значению приписывают координаты данного пикселя на матрицы преобразователя. Так, в сокращении, выглядит захват изображения через преобразователь.

Однако, как это происходит, что изображение цветное? Чтобы это объяснить надо вернуться к построению преобразователя матрицы (рис.6). Она покрыта фильтрами RGB (красный, зеленый, синий), по одному для каждого пикселя в определенной схеме. Каждый фильтр пропускает свет только одного цвета. В результате каждый пиксель записывает количество света определенного цвета в зависимости под каким фильтром находится. Благодаря тому, что пиксель имеет свои координаты, известно, какие есть интенсивность света и цвета каждого из них. Остальным занимается электроника. Графический процессор устройства имеет запрограммированную карту фильтров в той же системе, в которой есть матрица, поэтому может воспроизводить записанное изображение с помощью преобразователя в цифровой версии.

 

Рис. 6. Матрица CCD покрыта фильтрами RGB, каждый из которых пропускает свет соответствующего цвета.

 

Стоит отметить, что количество пикселей с фильтрами, пропускающими зеленый цвет, в два раза выше, чем остальных цветов. Это происходит потому, что процессор обработки изображений был создан по образцу человеческого глаза, который из всех основных цветов является наиболее чувствительным на зеленый цвет.

 

Фильтры выполняют еще одну очень важную функцию – защищают от инфракрасного света, который излучается каждым объектом при температуре выше абсолютного нуля. Преобразователь чувствителен ко всей полосе видимого света и, в отличие от человеческого глаза, на инфракрасный свет, который плохо влияет на воспроизведение цвета и яркости.

 

Кроме того, на основании цветов 9 пикселей в системе 3×3 процессор определяет случайный цвет и сохраняет в месте центрального пикселя (рис. 7), затем принимает во внимание следующие 9 пикселей, перемещая рамку на один, и устанавливает цвет следующего внутреннего пикселя . Этот процесс называется интерполяция и благодаря ему изображение ближе к реальности.

 

Рис. 7. Выбранные пиксели, участвующие в процессе интерполяции (a) и пиксель, цвет которого является следствием остальных окружающих его пикселей (b)

 

a — интерполированные пиксели

b — случайный пиксель

Описанный метод интерполяции, то есть определение случайного (среднего) цвета на основании окружающих его цветов, не будет работать на пиксеях, расположенных на берегах матрицы. Конечно, учитывая текущий размер матриц используемых в промышленных камерах, это не имеет никакого значения. Тем не менее, производители фотоаппаратов и камер, особенно с высшей полки, часто кроме количества пикселей, указывают также число эффективных пикселей. Это число пикселей, которые фактически были использованы для получения изображения без пикселей, расположеных на берегах матрицы или других вспомагательных пикселей.

 

Преобразователь CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

 

Встречающиеся в этих преобразователях полупроводники, с точки зрения конструкции и способа передачи информации, основаны на архитектуре массовой памяти. В основном они характеризуются скоростью действия и снижением потребности энергии по сравнению с преобразователями CCD. Принцип работы аналогичен как в преобразователях CCD, с той разницей, что все пиксели считываются независимо, а не последовательно. Это происходит потому, что каждый пиксель в матрице CMOS имеет свой собственный преобразователь заряда на напряжение и свой адрес положения. В результате, все пиксели могут быть считаны одновременно (рис. 8).

 

Рис. 8. Конструкция матрицы CMOS. Со взгляда на адресные шины (a) расстояние между пикселями больше; кроме того, каждый пиксель имеет свой собственный преобразователь заряда на напряжение (b)

 

a — адресная шина

b — преобразователь заряда

К сожалению, эта система также имеет свои недостатки. Из-за необходимости размещать дополнительные компоненты внутри преобразователя, расстояние между пикселями значительно больше, чем в случае преобразователей CCD. Они не очень близко друг к другу и, таким образом, преобразователь больше. В результате, вся матрица менее чувствительна из-за того, что часть света вместо на светочувствительные элементы попадает между ними. Еще одним важным недостатком является тот факт, что невозможно произвести несколько миллионов одинаковых фоточувствительных элементов, в которых каждый передатчик работает с той же точностью. В конечном итоге, может оказаться, что изображение, которое должно быть в однородном цвете, будет содержать специфические полосы, называемые шумом. Конечно, в зависимости от класса устройства, электроника ответственная за дальнейшую обработку изображения в состоянии справиться с этой проблемой в более или меньшем степени.

 

Размер преобразователя установленного на камере определяется в дюймах. Как правило, чем больше преобразователь, тем больше в нем содержится пикселей, а за этим следует — лучшее качество изображения. Самые популярные размеры преобразователей для промышленных камер это 1/3″ и 1/4″. Стоит отметить, что это не имеет ничего общего с фактическим размером самого сенсора. Это остаток со времен, когда функцию преобразователя в видеокамерах выполняла стеклянная катодная лампа. Однако размер не касался лампы, а только диаметра ее защитной стеклянной оболочки.

 

Затем, например, преобразователь размером 1″ является размером катодной ласпы, которая размещенна внутри стеклянного пузырька диаметром 1 дюйм. Для облегчения, можно предположить, что диагональ преобразователя составляет около две трети его маркировки. Точные значения приведены в таблице размеров.