Полупроводникови сензори за изображения как се получава цветът

"Класически" FPCD и CMOS сензори [1]

Сами по себе си те не са в състояние да различават цветовете: разликата във дължините на вълните (а именно дължината на вълната и цветът се определя) на падащите върху тях фотони се възприема като разлика в енергиите (E

hv). Вариациите както на енергията на фотоните, така и на техния брой по време на експозицията водят до промяна само в едно количество - заряда в клетката за PCCD или напрежението за CMOS. Следователно на изхода имаме монохромно изображение, т.е. сиви скали.

Необходими са допълнителни аксесоари, за да може сензорът да различава цветовете. И какво е "цвят", най-общо казано? Във физиката светлината има спектър - набор от дължини на радиационните вълни. Този спектър уникално определя цветно-психофизиологичното усещане. Между другото, обратното твърдение не е вярно - няколко различни спектъра могат да дадат едно и също цветово усещане.

Тъй като от гледна точка на колориметрията цветът е триизмерна векторна величина, тогава е необходимо по някакъв начин да се отделят три [2] компонента от светлинния поток, падащ върху сензора. Възможността за триизмерно описание на цвета [3] се обяснява не с физическите свойства на самата светлина, а с механизмите на цветово възприятие на окото.

Същността на "класическия" сензор: с един пиксел по време на експозицията можем да направим само едно спектрално измерване (изключения - вижте по-долу).

Понастоящем съществуват следните подходи:

1. Разделете светлината след лещата (например чрез призма) на три области - червена, зелена и синя и я подайте към три отделни монохромни сензора.

Той осигурява отлична цветова и пространствена ("острота") разделителна способност, без да увеличава времето за получаване на изображение. Времето за придобиване на кадър е може би най-краткият от всички подходи, тъй като няма нужда да се извършва цветна интерполация (виж по-долу). Става възможно да се "настрои" всеки сензор към неговия собствен диапазон, например чрез въвеждане на специална примесна добавка в силиция, за да се промени спектралната чувствителност на сензора. Балансът на бялото в крайното изображение се свежда до регулиране на усилването и нивата на черно на всеки от трите сензора.

Този подход обаче изисква сложно подравняване на цялата система и често - специална оптика (поради появата на доста голям блок призми пред сензора). В същото време широкоъгълните лещи не са най-щастливите. Добавете към това троен набор от сензори и техния електронен сноп. Всичко това в крайна сметка увеличава цената, размерите на системата и нейната консумация на енергия (особено ако сензорите са FPZS).

Технологията за производство на FPCD сензори е перфектно отстранена, както и устройства за разделяне на светлината, поради което по отношение на качество и скорост разглежданият подход няма равен.

2. Инсталирайте светлинни филтри пред сензора.

Ако времето за получаване на изображението не е критично, можете да използвате последователна експозиция на сензора през барабан със светлинни филтри. Минус - отнема три пъти повече време. Следователно този метод не е подходящ за заснемане на движещи се обекти. Всички останали предимства на предишния подход обаче са запазени и не са необходими три матрици с призма.

3. Инсталирайте светлинни филтри директно над всеки пиксел на сензора.

Ако сензорът използва микролинзи [4], тогава между микролинзите и клетката са инсталирани светлинни филтри. Разпределението на такива филтри по повърхността на сензора - набор от цветни филтри (CFA = Color Filter Array) може да бъде различно.

3.1. Например линейна (използва се в някои плоски скенери - има само три линии за всеки цвят):
R R R R R
G G G G G
B B B B B

3.2. Най-популярен е Bayer, според цветния модел на Bayer (B. Bayer [5]), предложен в началото на 70-те години на миналия век. В противен случай - RGBG филтър. Всички масиви, построени по принципа на Байер, се наричат мозайки.

Елементарен модел на масив се получава от четири клетки с три вида светлинни филтри. Филтърът на Bayer и повечето други се основават на принципа на вземане на проби от канала за осветеност с по-висока честота от двата останали цветни канала. Зеленото се приема като канал за осветеност, тъй като кривата на чувствителност на яркостта на човешкото око има максимум близо до точката от 550 nm, което съответства на зеленото. А броят на чувствителните към зелено рецептори на ретината е два пъти по-голям от този на червения или синия.

Печалбата в скоростта и цената на опцията с масив от цветни филтри се "компенсира" от загубата в пространствена и цветна разделителна способност. Данните от един пиксел от крайното изображение се "размазват" върху няколко клетки. За да се получат RGB стойностите на всеки пиксел, е необходимо да се извърши цветна интерполация. Вижте илюстрацията:

Най-забележимите артефакти от такава цветна интерполация се появяват, когато цветът се променя бързо спрямо пространствените координати на изображението (някакъв контрастен, ритмичен модел в малки детайли) - има изкривявания на цветовете и контурите, изчезването на малки детайли, муара. Например в нашата сцена има малка бяла точка на черен фон. Той може да удари само една синя клетка. В този случай тя ще бъде представена със син пиксел в изображението. Описаният ефект се нарича псевдоним. Тя може да бъде елиминирана само чрез размазване на изображението: с помощта на филтър за изглаждане или дефокусиране. Филтрирането срещу сглаждане (по същество ефект на размазване, подобен на размазване) допълнително намалява пространствената разделителна способност.