Фотосенсор

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рис.1. Схема образования и переноса заряда в ПЗС-сенсоре

Фотосенсор или Фото-датчик (от англ. sensor — чувствительный) — светочувствительное квантовое устройство.

Общие сведения[править]

Состоит из главного элемента — фотоматрицы, корпуса с монтажными проводами (см. рис.1), местами крепления и подсоединения; предназначен для преобразования спроецированного на матрицу оптического изображения в электрический сигнал и его сканирования.[1][2]

Вообще:

  • Датчик — это термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал или электрический импульс.[3]
  • Фото-датчик — это светочувствительное квантовое устройство, состоящее из главного элемента Фотоматрицы, предназначенной для преобразования спроецированного на матрицу оптического изображения в электрический сигнал и его сканирования.
  • Фото-электрический датчик — это устройство для обнаружения расстояния, отсутствие или присутствие объекта с помощью системы световой передачи и фотоэлектрическим приемником (фото-электрическим датчиком), например, детектором (см. рис.1).
Рис.2. Фотосенсор, содержащий основной элемент фотоматрицу ПЗС с активной частью работающих фотодиодов — пикселей в зоне прямоугольника слабо-красного цвета и фотодиодов по периметру вне рамки — не работающих. Корпус датчика имеет выход монтажных проводов с фотоматрицей, отверстия для монтажа и крепления датчика в фотокамерах.  
Рис.3. Свет возбуждает электронно-дырочные пары в Пн-переходе.  

Фотосенсоры или Фото-датчики классифицируются в зависимости от фотоматриц.

Главные элементы фотоматриц (см. рис.3) — Фотодиоды пиксели — приемники видимых лучей оптического изображения. Когда фотон поглощается пикселем, он генерирует электронно-дырочные пары. Когда электрон попадает в электрическое поле между слоями, то будут сметены положительно заряженные н-слои, где могут быть выведены во внешнюю цепь (провода). Фотопоток пропорционален яркости, с которой диод горит. Таким образом он определяет и передает информацию, что представляет собой оптическое изображение. Он делает это путем преобразования переменной затухание световых волн (как они проходят или отражаются от предметов) в сигналы, в небольшие всплески тока, которые передают информацию. Волнами могут быть свет или другое электромагнитное излучение. Датчики изображения используются в электронных устройствах обработки изображений, как аналогового, так и цифрового типов, включая цифровые камеры, модульные камеры, медицинскую визуализацию при работе оборудования, оборудовании ночного видения, например, в тепловизионных приборах, радарах, сонари и других. Цифровая обработка изображений, как правило, служит для замены аналоговых изображений, получаемых, например, при работе с фотоплёнками, фотопластинками и т. п.

Фотосенсоры различаются

В зависимости от слойности расположения фотодиодов в фотоматрицах:

В зависимости от наличия светофильтров, накрывающих фотодиоды в фотоматрицах:

  • В фотосенсорах Foveon X3-сенсор отсутствуют светофильтры в фотоматрице, где фотодиоды (пиксели) расположены в трёх слоях столбцами по три по типу фотоплёнок.
  • В трёхсойных фотосенсорах 3CCD-сенсор — трёхматричный фотосенсор на базе дихроической призмы, где однослойные одноцветные RGB фотоматрицы.

Фотосенсор ПЗС-сенсор(CCD), КМОП-сенсор(CMOS), Foveon X3-сенсор, 3CCD-сенсор[править]

В настоящее время в основном в цифовой фотографии эксплуатируются:

  • Фотосенсор ПЗС (CCD)[4] — с электронной схемой последовательного считывания сигналов предметных точек оптического изображения, спроецированного на фотодатчик.
  • Фотосенсор КМОП‎ (CMOS)[5][6] — с электронной схемой оцифровки сигналов предметных точек оптического изображения, спроецированного на фотодатчик — на Датчик изображения (датчик-сенсор от англ. sensor, откуда фотосенсор).
  • Фотосенсор Foveon X3-сенсор[7] — с электронной схемой обработки сигналов предметных точек оптического изображения, спроецированного на фотодатчик в режимах ПЗС или КМОП . Он отличается от ПЗС и КМОП отсутствием фильтров Байера (RGB) и строением фотодиода. Фотодиод представляет собой трехуровневый полупроводник, воспринимающиий цветовой сигнал изображения предметной точки RGB в режиме работы цветной фотопленки одним пикселем последовательно — синий, зеленый, красный. Принцип работы фотосенсора Foveon X3-сенсор в аналоговом режиме[8] обеспечивает получение оцифрованного изображения близкого к оригиналу.[9][10].
  • 3CCD-сенсор — трёхматричный фотосенсор на базе дихроической призмы[11][12].

Используются в осноаном в современных видео- и телевизионных камерах.

Фотоэлектрический датчик или (на английском-фотосенсор) (как единственный термин) в мировых СМИ используется во всех областях деятельности в том числе и цифровой фотографии в качестве применения светочувствительных материалов (фотоматериалов). Матрица (фото) — основной элемент Фотоэлектрического датчика, представляющий матрицу (полупродниковый материал из кремния), состоящий из фотодиодов, накрытых микролинзами и т. д., которая встраивается как основной элемент в фотодачик. Она представляет пластину прямоугольной формы с фотодиодами (чаще квадратной формы) с размерами сторон порядка 9 мкм. При этом по периметру матрицы расположены не работающие фотодиоды, в центре — работающие фотодиоды или пиксели.

Рассмотрение материалов по отдельности (матриц и фотодатчикив) даёт возможность разгрузить объем основных статей и более подробно их освещать.

История создания фотоматриц фотосенсоров[править]

1963 год — год начала истории создания твердотельных фотоматриц (фотосенсоров) изображения. С. Р. Моррисон из компании Honeywell Co. изобрел светочувствительное устройство на базе полупроводниковых материалов из кремния фотосканер.
В 1970 году инженерами Bell Laboratory был изобретен Charge Coupled Device CCD — прибор с зарядовой связью АЦП (CCD).

С этого времени началось развитие фотоматриц разного типа на основе ПЗС фотоматрицы.

В 1993 году лаборатория NASA реализовала твердотельный датчик изображения на основе КМОП Active-Pixel (Основы КМОП устройства были запатентованы еще в 1960 году и явились основой в применении и содании современных видеокамер).
В 1976 году ученым доктором Брайсом Байером, сотрудником концерна Eastman Kodak, была изобретена одноименная схема, которая сейчас называется Фильтром Байера.

В Байеровской схеме каждый пиксель матрицы накрыт светофильтром одного из цветов RGB составляющих. Данная схема мозаичного светофильтра имеет обозначение например, RGGB (red-green-green—blue, красный-зелёный-зелёный — синий).

В развитии Eastman Kodak с !987 года положила начало массового поизводства фотосенсоров на базе схемы фотоматриц КМОП.
В 1997 году Карвером Мидом Carver Mead) создано совместное предприятие National Semiconductor и Synaptics, в последствии компании Foveon. В основе ее деятельности были технологии полупроводниковых микросхем на базе архитектуры VLSI (или СБИС, или условно — схемы сверхбольшой интеграции). Откуда и появилась новая технология фотоиатриц под названием Foveon X3-сенсор.[13][14]
1934 год можно считать условно годом открытия трехматричных фотодатчиков 3CCD-сенсор для видеокамер. Прототипом послужила разработка в 1934 году российским ученым Л. А. Кубецким фотоэлектронных умножители (ФЭУ) или (PMT) — photomultiplier tube) для сканеров. Считывающие элементы сканера — фотоприемники явились прототипом работы современных трехматричных фотодатчиков, при котором луч света сканируeтся в виде трех составляющих RGB c применением АЦП с образованием файла.[15]
1992 год является годом, когда система трех ПЗС-матриц (3CCD) используется в большинстве современных профессиональных видео и телекамер. Это относится и к профессиональным видеокамерам Panasonic. В 1992 годау они были выбраны официальным телевещательним оборудованием для трансляции Олимпийских игр по всему миру.[16]

Цветные фотодатчики[править]

Фотосенсоры по способу цветопередачи изображений различаются:

  • Фотосенсор — Фильтр Байера, который формирует цветное изображение при помощи ячеек, например, из трех пикселей RGB в каждой, создающих мозаику полупроводниковой кремниевой фотоматрицы, которые расположенны в одной плоскости, и при помощи АЦП‎.
  • Фотосенсор Foveon X3 применяет трёхслойные фотодиоды или пиксели, чувчтвительные к составляющим лучам RGB света.
  • Фотосенсор 3CCD-сенсор использует три фотодатчика ПЗС(CCD)[17], встроенных на дихроической призме, диспергирующей лучи света предметных точек изображения на красный, зеленый, синий с последующей оцифровкой преобразователем АЦП. Он характеризуется применением трёх монохромных фотодатчиков RGB без применения светофильтров и передачей аналогового цветного изображения лучшего качества и применяется в основном в видеокамерах.[18]

Специальные фотосенсоры[править]

Специальные фотосенсоры применяются:

  • Фотосенсоры для отображеия нагретых объектов;
  • Фотосенсоры для содания многоспектральных изображений;
  • Фотосенсоры для гамма камер;
  • Фотосенсоры чувствительные к рентгеновским излучениям;
  • Специальные высокочувствительные Фотосенсоры для космических наблюдений;[19]

Виды Фотосенсоров[править]

Физические размеры кадра фотокамер[править]

Размер фотоматриц измеряется по диагонали, в долях дюйма (4/3", 2/3", 1/1,8", 1/2,2") для кадра 4:3. В кадре 3:2 реальная диагональ равна примерно 2/3 в отличие от указанной для кадра 4:3.

Стандарт кадра 4:3 применяется в любительских цифровых фотоаппаратах, стандарт кадра 3:2 применяется в зеркальных цифровых фотоаппаратах. (Некоторые зеркальные фотокамеры настраиваются на размер 4:3)

Благодаря небольшим линейным размерам фотоматрицы объективы таких камер меньше и легче.[26][27]

Типоразмеры[править]

Размеры фотодатчиков с их матрицами цифровых фотокамер и 35-мм плёнки

В настоящее время типоразмеры фотодатчиков и их матрицы по своей светочувствительности примерно сравнялись. Однако большие фотодатчики (их матрицы) зеркальных фотокамер обладают более высокой ISO, разрешаюшей способностью и фотографической широтой.

  • 1/2,5" или 1/2,7", то есть 5,27×3,96 мм (соотношение сторон 4:3) используются в большинстве камер с не сменной оптикой.
  • 1/1,8", соотношение сторон 4:3

Фотосенсоры с их матрицыами размера 1/1,8", то есть 5,32×7,18 мм используются в большинстве компактных камер с несменной оптикой.

  • 2/3", соотношение сторон 4:3

Фотодатчики (их матрицы) размера 2/3", то есть 6,6×8,8 мм иногда используются в дорогих компактных камерах с несменной оптикой.

  • 4/3", соотношение сторон 4:3

Фотодатчики (их матрицы) размера 4/3", то есть 13,5×18 мм

Стандарт 4/3 разработан компаниями Olympus, Кодак и несколькими другими. Преследовались цели снижения стоимости производства, веса камер и объективов. Сейчас (2007) камеры с Фотодатчиками (матрицами) такого формата производят фирмы Олимпус и Панасоник.

  • Фотодатчики DX (их матрицы), APS-C формата 22.3 x 14.9 мм (CMOS sensor Canon)

имеет соотношение сторон 3:2, но кадр можно настроить с соотношением сторон 4:3.

Фотодатчики (матрицы) аких размеров наиболее часто встречаются в цифровых зеркальных фотоаппаратах. Они соответствуют «полукадру» 35 мм кадра.

Подавляющее большинство любительских, полупрофессиональных и даже профессиональных камер используют фотодатчики с матрицами такого размера в силу того, что они относительно дёшевы в производстве и при этом размер пиксела остаётся довольно большим даже при разрешении более 12 мегапикселей..

  • APS-H формат, 27×18 мм, соотношение сторон 3:2
  • Полнокадровый Фотодатчик с матрицей формата 36×24 мм с соотношением сторон 3:2 или полнокадровый Фотосенсор (36×24 мм) соответствует классическому 35 мм кадру (3:2). На рынке представлено уже много моделей фотоаппаратов с фотосенсором с матрицей такого размера (фирмами: Canon, Nikon, Kodak, Sigma, Sony). Такие Фотосенсоры дороги и сложны в производстве.
  • Среднеформатный Фотодатчик с матрицей 60×45 мм имеет соотношение сторон 3:2.

Фотосенсоры с мптрицами таких размеров «сшиваются» из матриц меньшего размера, что сказывается на их стоимости. Применяются в дорогих камерах.

Законы геометрической оптики определяют зависимость ГРИП от физического размера матрицы. Тесты после съёмок тремя фотоаппаратами с разным физическим размерами фотосенсоров с одинаковым количеством пикселей одного и того же объекта под одним и тем же углом зрения, одним и тем же значением диафрагмы настроенных объективов и обработанных с оной технологией показали: ГРИП на снимке, сделанном фотоаппаратом с наибольшей матрицей, будет наибольшей (больше предметов в кадре будет показано резко), а фотоаппарат с наименьшей матрицей покажет наименьшую ГРИП (предметы не в зоне резкости будут сильнее размыты).

Стабилизация изображения[править]

 → Система стабилизации

В некоторых фотоаппаратах, например Pentax K10D, K100D, Sony A100, A200, A700, проблему съёмки с рук при недостаточном освещении инженеры решили при помощи смещения фотосенсора в соответствии с показаниями встроенного гироскопов или акселерометров. Таким образом, стабилизация изображения в фотоаппаратах работает со всеми объективами, независимо от встроенной стабилизации изображения у них.[28][29]

См. также[править]

Источники[править]

  1. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor
  2. ↑ http://bse.sci-lib.com/article092719.html
  3. ↑ http://bse.sci-lib.com/article019769.html
  4. ↑ http://www.sc.eso.org/~ohainaut/ccd/CCD_proc.html
  5. ↑ http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/cmos/cmosdemo.html
  6. ↑ http://www.dpreview.com/learn/?/Glossary/Camera_System/sensors_01.htm
  7. ↑ http://www.foveon.com/article.php?a=67
  8. ↑ http://www.ddisoftware.com/sd14-5d/
  9. ↑ http://www.dalsa.com/shared/content/Photonics_Spectra_CCDvsCMOS_Litwiller.pdf
  10. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Foveon_X3_sensor
  11. ↑ http://www.alt-vision.com/color_prisms_tech_data.htm
  12. ↑ http://www.usa.canon.com/consumer/controller?act=ModelInfoAct&tabact=ModelFeaturesTabAct&fcategoryid=165&modelid=7512&pageno=2
  13. ↑ http://www.ferra.ru/online/digiphoto/71885/
  14. ↑ http://citforum.univ.kiev.ua/hardware/articles/solid_sensor/
  15. ↑ http://ru.infocom.uz/more.php?id=A122_0_1_0_M
  16. ↑ http://www.panasonic-spb.ru/news_view.php?id_news=1873
  17. ↑ http://www.alt-vision.com/color_prisms_tech_data.htm
  18. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor
  19. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor
  20. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor
  21. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device
  22. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Image_sensor
  23. ↑ http://en.wikipedia.org/wiki/Foveon_X3_sensor
  24. ↑ http://www.usa.canon.com/consumer/controller?act=ModelInfoAct&tabact=ModelFeaturesTabAct&fcategoryid=165&modelid=7512&pageno=2
  25. ↑ http://www.alt-vision.com/color_prisms_tech_data.htm
  26. ↑ http://www.ixbt.com/digimage/faq1.shtml
  27. ↑ http://www.openproj.ru/109/1688/
  28. ↑ http://www.ixbt.com/digimage/faq1.shtml
  29. ↑ http://itc.ua/node/25523
Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Фотосенсор&oldid=1897670