Przetworniki obrazu dla systemów embedded

Przetwarzanie obrazu na sygnał elektryczny znane jest od dawna, pierwsze komponenty realizujące taką funkcję datuje się na lata 60-te XX wieku. Jednak w artykule pominiemy historię ewolucji technologicznej przetworników obrazu, odwołamy się tylko do niektórych istotnych fragmentów. Skupimy się na omówieniu aktualnie dostępnych podzespołów należących do tej grupy, a w szczególności na opisaniu znaczenia ich parametrów. Oprócz tych czysto elektronicznych, niektóre parametry są ściśle powiązane z optyką czy uwarunkowane przez branżę fotograficzną i w efekcie nie takie oczywiste dla elektronika.

Podstawowym elementem przetwornika obrazu jest matryca światłoczuła. Rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje matryc: CCD i CMOS. Pierwszy typ przez wiele lat dominował w kamerach, aparatach i wszystkich pozostałych zastosowaniach. Matryce typu CMOS, pomimo tego, że wyróżniały się m.in. dużą szybkością działania czy niewielkim zapotrzebowaniem na energię, to oferowały gorsze parametry obrazu i przez to miały ograniczone zastosowanie. Jednak były one stale udoskonalane, aż w końcu dorównały jakością obrazu matrycom CCD i ostatecznie zdominowały rynek. Dziś praktycznie wszystkie nowe przetworniki obrazu wyposażone są w matryce CMOS. Dla zachowania chronologii, ale także dla tego, że matryce CCD ciągle działają w wielu systemach, urządzeniach czy na liniach produkcyjnych, zaczniemy opis właśnie od nich.

Przetwornik CCD

Skrót CCD (Charge Coupled Device) oznacza przetwornik wizyjny o sprzężeniu ładunkowym, wygląd kompletnego modułu przetwornika CCD został pokazany na fotografii 1.

Fotografia 1. Kompletny moduł przetwornika obrazu CCD

Matryca ma postać krzemowej płytki składającej się, przede wszystkim, z regularnego układu odizolowanych, światłoczułych komórek, które będziemy nazywali pikselami. Jej uproszczona budowa została pokazana na rysunku 1.

Rysunek 1. Uproszczona budowa matrycy CCD

Piksele mogą być wykonane jako fotodiody, w których struktura krzemowa typu P-N jest spolaryzowana zaporowo (rysunek 2a). Padające światło powoduje generowanie elektronów o całkowitym ładunku proporcjonalnym do padającego światła, które zostają zatrzymane w warstwie zubożonej. Jednak częściej jest spotykane rozwiązanie z pikselami wykonanymi jako kondensatory MOS (rysunek 2b).

Rysunek 2. Sposoby wykonania struktur światłoczułych

Jedną okładzinę stanowi przewodząca i jednocześnie przepuszczająca światło warstwa krzemu. Pełni ona rolę elektrody sterującej – przyłożenie dodatniego potencjału powoduje powstanie obszaru zubożonego. W reakcji na padające światło, podobnie jak w fotodiodzie, generowane są elektrony i zatrzymywane w warstwie zubożonej. Jest ona nazywana studnią potencjału (rysunek 3).

Rysunek 3. Fragment budowy matrycy CCD ze skazaniem studni potencjału

Ładunek, jaki może zgromadzić, jest proporcjonalny do natężenia promieniowania oświetlającego, czasu akumulacji i wartości przyłożonego napięcia. W przypadku przekroczenia któregoś z tych parametrów może dojść do przelania ładunku do sąsiednich, niezapełnionych studni. Czasami efekt taki widać na zdjęciach bardzo jasnych obiektów – źródło światła zajmuje wtedy większy obszar niż w rzeczywistości, jest to tzw. blooming.

Fotografia 2. Efekt wywołany zjawiskiem przelania ładunku ze studni potencjału na sąsiednie piksele (źródło http://bit.ly/2NQPf6g)

Przykład został pokazany na fotografii 2, gdzie dobrze widać także inne zjawisko w postaci pionowych smug. Mechanizm jego powstawania zostanie wyjaśniony przy opisie matryc FT. Dla wyeliminowana efektu blooming piksele mają dodatkowo tzw. bramkę nadmiaru ładunku (OFG – Overflow Gate) połączoną z drenem nadmiarowym (OFD – Overflow Drain) umożliwiającym bezpieczne odprowadzenie nadmiarowego ładunku.

Po zakończeniu akumulacji następuje transfer ładunku przez kolejne elementy pojemnościowe, aż do komórki pamięci znajdującej się w rejestrze odczytu. Najpierw przykładany jest potencjał o odpowiedniej wartości do elektrody sąsiadującej z tą, pod którą znajduje się studnia potencjału, co powoduje częściowe przesunięcie ładunku. Następnie odłączany jest potencjał elektrody znad studni i w efekcie następuje całkowite przeniesienie ładunku. Sekwencyjne powtarzanie tego procesu pozwala na transfer ładunku na zewnątrz matrycy, aż do elektrody odczytującej. Proces ten może zachodzić na kilka sposobów: w cyklu dwufazowym, trójfazowym i czterofazowym, a także pseudodwufazowym i jednofazowym. Wszystkie różnią się liczbą przykładanych jednocześnie potencjałów oraz liczbą bramek składających się na pojedynczy piksel. Matryce odczytywane w taki sposób są określane jako Full Frame Transfer Matrix i wymagają zastosowania tzw. migawki. Odpowiada ona za odcięcie dostępu promieniowania do matrycy w czasie transferu, w przeciwnym razie obraz staje się rozmazany.

CCD FT

Transfer jest procesem czasochłonnym, dlatego powstały różne rozwiązania mające na celu zabezpieczenie zawartości pikseli przed wpływem oświetlania w czasie transferu oraz przyspieszające transfer. Najprostszą metodą było podzielenie obszaru matrycy np. na 4 części i dodanie oddzielnych kanałów transferu ładunku, co umożliwiało równoczesny odczyt wszystkich obszarów (rysunek 4).

Rysunek 4. Przyspieszenie odczytu matrycy CCD poprzez podzielenie na obszary z niezależnymi torami odczytu

Lepszym rozwiązaniem, wymagającym jednak bardziej złożonej konstrukcji, jest matryca z transferem ramki FT (Frame Transfer), której uproszczony schemat budowy został pokazany na rysunku 5. Oprócz sekcji czujników na których jest rejestrowany obraz, zawiera dodatkową sekcję pamięci zasłoniętą przed oświetleniem, o takiej samej liczbie komórek jak matryca sensorów. Po zebraniu ładunków, następuje ich przesuniecie do sekcji pamięci. Proces ten uwalnia sensory, umożliwiając im gromadzenie ładunku pochodzącego z oświetlenia następnej ramki. Zawartość pamięci jest w tym czasie przesuwana do rejestru wyjściowego jak w trakcie normalnego transferu.

Rysunek 5. Schematyczna budowa matrycy FT

Struktura matrycy FT stwarza problemy związane z pojawianiem się pionowych smug powyżej i pod jasnymi plamkami obrazu – smearing (fotografia 2). Dzieje się tak, ponieważ oświetlona matryca czujników może przechwytywać niewielkie, fałszywe ładunki z sekcji pamięci w momencie transferu. W związku z tym konieczne jest stosowanie migawki uniemożliwiającej naświetlanie sekcji fotoczujników w trakcie transferu ładunków, co komplikuje całą konstrukcję.

CCD IT

Opisane zakłócenia można eliminować przez stosowanie matrycy z przesuwem międzyliniowym IT (Interlinie Transfer). Sensory podłączone do elementów magazynujących (studni potencjału) są umieszczone w pionowych kolumnach naprzemiennie z komórkami pamięci pionowego rejestru przesuwnego (rysunek 6).

Rysunek 6. Schematyczna budowa matrycy IT

Po naświetleniu pojedynczej ramki ładunki zgromadzone przez czujniki w każdej kolumnie są przesuwane do sąsiadującego rejestru. W ten sposób sensor jest szybko uwalniany i gotowy do zbierania ładunków następnej ramki, natomiast ładunki są transferowane do rejestru poziomego i odczytywane jako sygnał video. Skuteczny czas naświetlenia dla każdego fotosensora może być skrócony przez zastosowanie elektronicznej migawki, co spowoduje transfer elektronów wytworzonych w czasie trwania tylko części każdej ramki. W podstawowym kształcie tej struktury, komórki rejestru pionowego znajdują się na poziomie fotosensorów i muszą być osłonięte przed działaniem światła. W efekcie tylko 30...50% powierzchni matrycy to warstwa światłoczuła. Jest to naturalna wada matrycy typu IT.

CCD FIT

Uzyskanie matrycy CCD o wysokiej czułości, charakterystycznej dla przesuwu ramkowego, ale z odpornością na powstawanie smug i bez konieczności stosowania mechanicznej migawki, charakterystycznej dla struktury z przesuwem międzyliniowym. wymagało opracowania nowego rozwiązania. Tak powstała matryca z przesyłem ramkowo-międzyliniowym FIT (Frame Interlinie Transfer). Część obrazowa zbudowana jest podobnie jak w matrycy FT, jednak transfer ładunków do części pamięciowej odbywa się za pomocą odpowiedniego kanału (drenu), który jest otwierany sygnałem na bramce wyboru (rysunek 7).

Rysunek 7. Schematyczna budowa matrycy FIT

Ładunki z czujników szybko przesuwają się do odpowiednich sekcji pamięci i uwalniają sensory, umożliwiając im gromadzenie ładunku pochodzącego z oświetlenia następnej ramki. W takiej strukturze sygnał z wyjścia każdego fotosensora musi być przełączany po kolei w czasie odczytywania każdej ramki, co wymagana bardzo dużej szybkości taktowania, rzędu dziesiątek MHz. Ponieważ impedancje obwodów CCD mają charakter pojemnościowy to powoduje to przepływ znacznego prądu. Przetworniki CCD typu FIT, ze względu na swą złożoność są kosztowne i stosowane głównie w kamerach profesjonalnych.

CCD HAD

Ograniczony obszar aktywny każdego piksela zmniejsza rozdzielczość przestrzenną i czułość całego przetwornika. Jest to problem, który dotyczy wszystkich rodzajów matryc i i z tego powodu wprowadzono kilka metod zwiększania czułości CCD. Często stosowane rozwiązanie bazuje na fotosensorach w postaci fotodiody ze złączem P-N o bardzo wysoko domieszkowanej warstwie P. Przetworniki takie określane są jako matryce CCD typu HAD. Ich dodatkowym usprawnieniem jest także zastosowanie pionowego kanału odprowadzania ładunku (w standardowych wersja kanał ten jest umieszczony poziomo), co poprawia stosunek powierzchni światłoczułej do całkowitej powierzchni struktury, a więc wpływa na zwiększenie czułości.

Zastosowanie przetwornika CCD typu HAD umożliwia wyposażenie kamer w elektroniczną migawkę o regulowanych czasach otwarcia, co ma istotne znaczenie przy filmowaniu w pomieszczeniach oświetlanych migającym źródłem światła, np. świetlówkami. Otwierając migawkę synchronicznie z fazą zasilania oświetlenia można uzyskać stały średni poziom światła podczas rejestracji obrazu.

Rysunek 8. Konstrukcja przetwornika HAD z dodatkową warstwą mikrosoczewek

Czułość matrycy CCD można zwiększyć również dzięki zamocowaniu z przodu matrycy warstwy mikrosoczewek, po jednej na każdym fotoczujniku. Soczewki skupiają światło, pochodzące z obrazu na obszar piksela. Tym samym następuje zwiększenie czułości (skuteczności). Przetworniki HAD z dodatkową warstwą mikrosoczewek nazywane są Hyper HAD lub Super HAD. Przykład konstrukcji takiego czujnika został pokazany na rysunku 8, a wygląd powierzchni przetwornika z mikrosoczewkami pokazuje fotografia 3.

Fotografia 3. Wygląd przetwornika obrazu typu HAD obserwowanego pod mikroskopem

EMCCD

Tradycyjne przetworniki CCD oferowały wysoką czułość przy niskim poziomie szumów ale kosztem wolnego odczytu, dlatego często nazywano je wolno skanującymi (slow scan). Aby osiągnąć wysoką prędkość działania, szerokość pasma wzmacniacza ładunku musi być jak najszersza, ale poziom szumu skaluje się z szerokością pasma wzmacniacza, stąd wzmacniacze o wyższych prędkościach mają wyższy szum. Dla zapewnienia wysokiej czułości przy dużej szybkości opracowano matryce z powielaniem elektronów EMCCD (Electron Multiplying CCD).

Są one czujnikami obrazu zdolnymi do wykrywania pojedynczych fotonów bez wzmacniacza obrazu. Technologia ta została osiągnięta dzięki unikalnej strukturze zwielokrotniającej elektrony wbudowanej w przetwornik. Wzmacniając sygnał przed wzmacniaczem ładunku, przetwornik osiąga niespotykaną czułość przy dużych prędkościach. Jednocześnie szum odczytu jest skutecznie omijany.

Rysunek 9. Schematyczna budowa przetwornika EMCCD

Struktura przetwornika EMCCD została pokazana na rysunku 9. Jest rozbudowaną wersją przetwornika CCD FT. Podczas akwizycji obszar czujnika jest wystawiany na działanie światła i rejestruje obraz, który jest następnie automatycznie przesuwany do osłoniętego obszaru przechowywania. Przy odczytywaniu czujnika, ładunek jest przesuwany przez rejestr odczytowy i przez rejestr mnożenia, gdzie następuje powielenie ładunku jeszcze przed wzmocnieniem i odczytem.

Prawdopodobieństwo zwielokrotnienia ładunku zmienia się wraz z temperaturą – im niższa temperatura, tym większe prawdopodobieństwo. Aby zwiększyć czułość strukturę EMCCD schładza się do temperatury np. –100°C. Dodatkowo niezbędna jest dobra stabilizacja chłodzenia, bo zmiana temperatury o 1°C może powodować zmianę wzmocnienia o około 7%. System chłodzenia wiąże się z dodatkowymi kosztami dla kamery EMCCD i często powoduje poważne problemy z kondensacją pary.

Prawdopodobieństwo zwielokrotnienia ładunku zależy również od napięcia przyłożonego do rejestru mnożenia – rośnie wraz ze wzrostem napięcia. Dostosowując temperaturę i napięcie przyłożone do czujnika, przetwornik EMCCD może osiągnąć wzmocnienie od praktycznie jedności do tysięcy. Kamery z przetwornikiem EMCCD są w stanie rejestrować pojedyncze fotony, dlatego są szeroko stosowane np. w urządzeniach do obserwacji astronomicznych.

ICCD

Innym rodzajem przetwornika CCD, który również odznacza się wysoką czułością to przetwornik ze wzmacniaczem obrazu ICCD (Intensified CCD). Wzmacniacz obrazu jest zamontowany przed matrycą CCD. Zawiera trzy elementy funkcjonalne: fotokatodę, płytkę mikrokanalikową MCP (Micro-Channel Plate) i ekran fosforowy, zamontowane jeden za drugim (rysunek 10).

Rysunek 10. Budowa przetwornika ze wzmacniaczem obrazu ICCD

Fotony pochodzące ze źródła światła padają na fotokatodę, generując w ten sposób elektrony. Elektrony są przyspieszane w kierunku MCP przez odpowiednie napięcie sterujące, a następnie są pomnażane wewnątrz MCP i przyspieszane w kierunku ekranu fosforowego. Ekran fosforowy ostatecznie przekształca zwielokrotnione elektrony w fotony, które są kierowane do CCD przez światłowód lub soczewkę.

Wzmacniacz obrazu z natury zawiera funkcję migawki dzięki kontrolowanemu napięciu na wzmacniaczu obrazu. Jeśli napięcie zmieni polaryzację, to elektrony przyspieszają w kierunku fotokatody, a nie MCP. Zapobiega to przedostawaniu się fotonów przez wzmacniacz do CCD – jest tzw. bramkowanie.

Fotografia 4. Przykładowe wykonanie wzmacniaczy obrazu

Oprócz niezwykle wysokiej czułości kamer ICCD, które umożliwiają detekcję pojedynczych fotonów, możliwość bramkowania jest jedną z głównych zalet ICCD nad kamerami EMCCD. Kamery ICCD są nieco droższe niż kamery EMCCD, ponieważ wymagają drogiego wzmacniacza obrazu. Z drugiej strony kamery EMCCD wymagają układu chłodzenia. Przetworniki ICCD są używane w noktowizorach oraz w różnych zastosowaniach naukowych, przykładowe wykonania zostały pokazane na fotografii 4.

emICCD

Czujniki ICCD są w stanie obrazować z czasem ekspozycji poniżej nanosekund. Mechanizm bramkujący jest sterowany napięciem na wzmacniaczu i można go łatwo kontrolować w bardzo dokładnych, krótkich przedziałach czasowych. Głównym ograniczeniem technologii ICCD jest liniowość, która zostaje zniekształcana z powodu efektu nasycenia MCP. Jest to efekt uboczny stosowania dużego wzmocnienia przez długi czas, jednak można go rozwiązać za pomocą przetworników emICCD, które łączą w sobie technologię ICCD i EMCCD, aby zapewnić efekt podwójnego zwielokrotniania elektronów. Pozwala to na maksymalne wzmocnienie, zapewniając wysoką czułość, liniowość i zakres dynamiczny. Czujniki tego rodzaju są idealne do zastosowań wymagających detekcji pojedynczego fotonu.

Technologie CCD i CMOS

Przetworniki obrazu wykonane na bazie półprzewodników określane jako CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) to technologia, która istnieje od lat 90. Ogólna zasada działania jest identyczna jak dla CCD, polega na zamianie ładunku nagromadzonego pod wpływem oddziaływania światła na impuls elektryczny. Zasadnicza różnica matryc CMOS w stosunku do CCD polega na sposobie konwersji i transmisji sygnału. W matrycy CCD sygnały z pikseli odczytywane są całymi rzędami, nie ma możliwości odczytania tylko pojedynczego piksela. Następnie trafiają do jednego przetwornika A/D, na wyjściu którego dostajemy dane cyfrowe. Zatem odczyt całej zawartości matrycy odbywa się przez jeden węzeł wyjściowy.

Rysunek 11. Porównanie budowy przetwornika CCD i CMOS

Matryce CMOS także gromadzą dane o intensywności światła w postaci ładunku elektrycznego. Jednak każdy piksel wyposażony jest we wzmacniacz sygnału i klucz, które są połączone z szynami adresowymi wierszy i kolumn (rysunek 11). Takie rozwiązanie pozwala przede wszystkim na zwiększenie prędkości odczytu danych ale też odznacza się dużo mniejszym zapotrzebowaniem na energię.

CMOS PPS i APS

Najprostszy rodzaj matrycy CMOS jest zbudowany z pikseli pasywnych PPS (passive pixel sensor). Jest to układ złożony tylko z detektora i tranzystora przełączającego (rysunek 12a).

Rysunek 12. Schemat piksela pasywnego i aktywnego

Charakteryzuje się dużym, sięgającym 80% współczynnikiem wypełnienia matrycy powierzchnią aktywną ale też mniejszą szybkością odczytu. Nowocześniejszym rozwiązaniem jest matryca z pikselami aktywnymi APS (active pixel sensor). Taki układ składa się z detektora, wzmacniacza przetwarzającego ilość ładunku na napięcie i tranzystora przełączającego (rysunek 12b). Umieszczenie przedwzmacniacza w pikselu aktywnym powoduje zwiększenie wymiarów matrycy i zmniejszenie współczynnika wypełnienia matrycy do wartości 30...50% ale przyspiesza odczyt treści matrycy.

CMOS FSI i BSI

Konstrukcja matrycy może różnić się w zależności od położenia elementów światłoczułych w strukturze przetwornika. Matryca CMOS FSI (Front–Illuminated Structure) to tradycyjny rodzaj architektury przetwornika CMOS z fotodiodami ułożonymi pod warstwą przewodów i tranzystorów (rysunek 13a).

Rysunek 13. Konstrukcja matrycy typu FSI i BSI

Powoduje dużą utratę fotonów, które muszą najpierw przebić się przez tę warstwę zanim dotrą do matrycy światłoczułej. Lepsze rozwiązanie zastosowano w matrycach CMOS BSI (Back–Illuminated Structure). Jest to nowy rodzaj architektury, w którym warstwy metalu i dielektryków zostały umieszczone pod warstwą światłoczułą, tworząc w ten sposób bardziej bezpośrednią drogę dla światła w kierunku piksela (rysunek 13b).

CMOS Exmor, Exmor R i Exmor RS

Podstawową wadą sensorów CMOS był wysoki poziom szumów przez co obraz (zwłaszcza zdjęcia) był gorszej jakości. Część tych zakłóceń powstawała podczas transportu sygnału analogowego z pikseli do przetwornika. Inżynierowie Sony podjęli działania w celu opracowania struktury o zminimalizowanych szumach. Efektem prac była technologia CMOS Exmor. Zasadniczym udoskonaleniem było zastosowanie niezależnych układów redukcji szumów i przetwarzania analogowo cyfrowego dla każdej kolumny matrycy. Porównanie budowy klasycznej matrycy CMOS i Exmor CMOS zostało pokazane na rysunku 14.

Rysunek 14. Porównanie budowy klasycznej matrycy CMOS i Exmor CMOS

Nowy rodzaj matryc był intensywnie rozwijany i powstawały kolejne generacje, które różniły się przede wszystkim grubością warstwy półprzewodnikowej (rysunek 15).

Rysunek 15. Kolejne generacje matryc typu Exmor

Miało to istotne znaczenie ponieważ były to matryce typu FSI. Istotną zmianę przyniosła piąta generacja tego typu matryc. Została wykonana jako matryca typu BSI (rysunek 16) przez co rejestruje ona więcej światła. Jest to technologia szczególnie ważna dla niewielkich matryc smartfonów czy aparatów kompaktowych. Nowe rozwiązanie zostało nazwane CMOS Exmor r.

Rysunek 16. Piąta generacja matrycy CMOS Exmor wykonana jako matryca typu BSI

Wraz z upowszechnianiem się przetworników CMOS w urządzeniach przenośnych istotnym parametrem stała się powierzchnia matrycy. Obwody półprzewodnikowe znajdujące się na tej samej warstwie co elementy światłoczułe wpływały na powiększanie powierzchni i jednocześnie bardzo niski współczynnik wypełnienia matryc CMOS (rysunek 17a). Sytuację zmieniła technologia CMOS Exmor RS, czyli przetwornik obrazu o unikalnej strukturze warstwowej. Warstwę obwodów półprzewodnikowych przeniesiono pod warstwę elementów światłoczułych, w miejsce podłoża pomocniczego (rysunek 17b).

Rysunek 17. Porównanie budowy matrycy Exmor i Exmor RS

Wyższa warstwa zawiera jedynie piksele, a więc cała powierzchnia wystawiona na światło jest aktywna. Dzięki temu stopień wypełnienia matrycy osiąga ponad 80%. Przykładowe przetworniki tego typu zostały pokazane na fotografii 5.

Fotografia 5. Przykładowe przetworniki obrazu typu Exmor RS

Przetworniki obrazu kolorowego

Rozpatrywaliśmy przetworniki obrazu jako elementy, które pozwalają uzyskać jedynie dane o natężeniu promieniowania, lecz nie informacje na temat barw. Aby otrzymać obraz kolorowy należy użyć filtrów barwnych zawierających trzy podstawowe kolory: czerwony, zielony i niebieski. Stosuje się trzy techniki uzyskiwania kolorowego obrazu:

• Poprzez rejestrację obrazu przez trzy przetworniki, z których każdy zawiera filtr w jednej z trzech barw – rozwiązanie to zapewnia dużą rozdzielczość, ale jest najbardziej skomplikowane technicznie i kosztowne;
• Dzięki filtrom napylonym w trakcie procesu produkcji na elementy światłoczułe lub umieszczone nad nimi, jak to zostało pokazane na rysunku 13. Każdy piksel ma przypisany jeden filtr o danym kolorze, struktura matrycy CMOS wygląda tak, jak na rysunku 18. Jest to najczęściej stosowane rozwiązanie.
• Ostatnim, już nie stosowanym, rozwiązaniem jest wirujący zestaw filtrów przesuwany nad kolejnymi pikselami jednego przetwornika. Ta metoda była stosowana głównie do rejestracji obrazów statycznych lub wolnozmiennych ze względu na niską efektywną częstotliwość przetwarzania.

Rysunek 18. Struktura matrycy CMOS z pikselami zawierającymi filtry barwowe

Ponieważ dopiero teraz poruszamy kwestię przetwarzania obrazu kolorowego musimy jeszcze wrócić do przetworników CCD. Tam również stosowanie są filtry podstawowych barw, przy czym producenci skupili się na maksymalizacji współczynnika wypełnienia matrycy, a tym samym na pokryciu przestrzeni obrazu jak największą liczbą wrażliwych pikseli. Jednak wzrost liczby pikseli dla uzyskania lepszej rozdzielczości prowadzi do pogorszenia stosunku sygnału do szumu oraz zmniejszenia czułości z powodu mniejszych pikseli. Z tego powodu opracowano matryce o innym kształcie pikseli, rozlokowanymi według niestandardowej siatki.

Rysunek 19. Rozmieszczenie i kształt pikseli matrycy Super-CCD

Fotoelement o kształcie ośmiokąta i rozmieszczeniu w kształcie plastra miodu pozwoliły na uzyskanie większej powierzchni dla każdego fotoelementu niż dla konwencjonalnej matrycy CCD tej samej wielkości (rysunek 19). W ten sposób powstały matryce serii Super-CCD, a standardowa wersja określana jest jako Super-CCD HR. Dla uzyskania szerszego zakresu natężenia światła opracowano kolejne wersje przetworników tego typu wyposażonych w dwa różne typy fotoczujników. Elementy S mają większą powierzchnię i są bardzo czułe, uchwycą ciemniejsze i słabo widoczne elementy obrazu. Natomiast elementy R mają mniejszą powierzchnię i są mniej czułe ale mogą dostrzec szczegóły w jaśniejszych obszarach. W zależności od sposobu rozmieszczenia tych pikseli rozróżniamy matryce w wersji SR i SR II (rysunek 20).

Rysunek 20. Porównanie rozmieszczenia i kształtu pikseli matryc HR, SR i SR II

Z połączenia wersji HR i SR powstała matryca Super-CCD EXR. Jej konstrukcja bazuje na grupowaniu sąsiednich pikseli dla tego samego koloru. Przy czym mają one różne czułości, wysoką dla jednej połowy fotoczujników i niską dla drugiej połowy. Zatem piksele A rejestrują szczegóły w ciemnych odcieniach, natomiast piksele B rejestrują wyraźne odcienie (rysunek 21). Połączenie obu obrazów pomaga zachować dobrą dynamikę oświetlenia całego obrazu.

Rysunek 21. Zasada działania matrycy Super-CCD EXR

Parametry przetworników obrazu

Niezależnie od budowy i typu, przetworniki obrazu charakteryzuje wiele parametrów. Wymienimy te, które są najistotniejsze dla przetworników obrazu dla systemów wbudowanych. Wyjaśnimy też, jaki jest wpływ tych parametrów na działanie kamery.

Rozmiar

Parametr ten jest wyrażany w calach i definiuje wielkość geometryczną przetwornika. Metoda oznaczania wywodzi się z czasów pierwszych doświadczeń z aparatami fotograficznymi i kamerami i na początku może wprowadzić w błąd. Należy pamiętać, że jest to oznaczenie symboliczne oznaczające wielkość, ale nie jest to rozmiar przetwornika. Z tej wartości nie można w prosty sposób obliczyć prawdziwej wielkości matrycy.

Przeważnie im większa matryca przetwornika tym lepsza jakość obrazu, ponieważ pozwala na ulokowanie większej liczby pikseli lub o większej powierzchni aktywnej. Rozmiar przetwornika określa, także rodzaj obiektywu, który można zastosować. Możliwe jest użycie obiektywu takiego samego lub większego. W tabeli 1 zestawiono popularne oznaczenia rozmiaru z rzeczywistymi wymiarami matryc.

Rozdzielczość

Określa zdolność przetwornika do odwzorowywania drobnych szczegółów obrazu. Im większa rozdzielczość tym obraz dokładniej odwzorowany. Zwykle wyrażana jest w ilości pikseli w osiach poziomej i pionowej przetwornika, jednak czasami podawana jest jako ilość wszystkich pikseli przetwornika. Im większa rozdzielczość, tym większy obraz wytwarza kamera. W tabeli 2 zestawiono przykładowe rozdzielczości przetworników zapisane na oba sposoby.

Rozmiar piksela

W odniesieniu do przetworników obrazu piksele oznaczają elementarne struktury światłoczułe którymi pokryta jest matryca. Wyrażane są jako wymiar poziomy i pionowy piksela a jednostką jest µm, np. 1,55 (H) × 1,55 (V) µm dla przetwornika Sony IMX412C lub 6,90 (H) × 6,90 (V) µm dla przetwornika Sony IMX297. Większe piksele są w stanie zebrać więcej fotonów i w efekcie zwiększają czułość matrycy. Mniejsze piksele umożliwiają osiągnięcie wyższej rozdzielczości, ale wychwytują mniej fotonów.

Migawka

W klasycznych aparatach migawka jest urządzeniem zamontowanym przed matrycą światłoczułą i zasłania ją przed światłem wpadającym przez obiektyw. W momencie robienia zdjęcia migawka odsłania matrycę na określony czas i wówczas obraz rzucany przez obiektyw jest rejestrowany przez elementy światłoczułe. Migawka wyznacza czas naświetlania elementu światłoczułego, inaczej – czas ekspozycji. Dlaczego możliwość skrócenia czasu ekspozycji jest tak ważna? Przede wszystkim pozwala zamrażać ruch szybko poruszających się obiektów i rejestrować zjawiska zachodzące w ułamku sekundy, które mogą być niedostrzegalne gołym okiem.

W rozwiązaniach cyfrowych migawka pełni taką samą rolę ale realizowana jest zupełnie inaczej. W dużym uproszczeniu jest to sygnał sterujący, który na określony czas uaktywnia elementy światłoczułe matrycy. Wyrażany jest w ułamkach sekundy np. 1/4000 sekundy.

Rozróżniamy dwa typy migawki elektronicznej: globalną (global shutter) – wszystkie piksele matrycy jednocześnie rozpoczynają i kończą naświetlanie; szczelinową tzw. rolling shutter – naświetlanie i odczytywanie odbywa się w sposób ciągły linia po linii i może powodować zniekształcenia obrazów w ruchu.

Parametry określające jakość obrazu

Jest kilka parametrów, które wpływają na jakość obrazu uzyskiwanego z przetwornika. Szczegółowe wyjaśnienie tych zagadnień wykracza poza zakres artykułu ale warto przynajmniej wymienić niektóre z nich.

• Stosunek sygnału do szumu SNR (Signal to Noise Ratio) definiuje się jako związek między sygnałem użytecznym a szumem generowanym w pikselu. Parametr często jest mylony z poziomem szarości tła obrazu, w rzeczywistości szum jest błędem fundamentalnym i nieuniknionym, ponieważ jest częściowo spowodowany naturalnymi fluktuacjami fotonów w układzie.
• Wydajność kwantowa QE (Quantum Efficiency) mówi o tym, jaki odsetek fotonów padających że urządzenie obrazujące, można przekształcić w elektrony. Wartość QE jest inna dla każdej technologii czujnika, przy czym wysokiej klasy czujniki naukowe osiągają wartości na poziomie 95%. Parametr zależy to od długości fali wykrywanego światła i materiału półprzewodnikowego matrycy światłoczułej.
• Zakres dynamiczny (Dynamic Range) wyraża stosunek największego możliwego do otrzymania sygnału elektrycznego do najmniejszego, który generuje piksel nie oświetlony.

Im większa jest dynamika matrycy, tym lepiej oddane są na jednym zdjęciu obszary ciemne i jasne. Mała dynamika powoduje, że obszary jasne, bardzo jasne i wyjątkowo jasne będą jednakowo jasne a do tego nie wiele jaśniejsze od obszarów ciemnych. Istnieją specjalne techniki obróbki cyfrowej, tzw. HDR, które pozwalają z kilku zdjęć naświetlonych w różnym stopniu uzyskać jedno, na którym widoczne są szczegóły zarówno w obszarach jasnych, jak i ciemnych.

Parametry elektryczne

Ostatnią grupą parametrów są parametry elektryczne, do których należą: rozdzielczość przetwornika ADC (np. 8, 10, 12 bitów), interfejs komunikacyjny (np. CSI wraz z oznaczeniem ilości kanałów, np. CSI-2), prędkość przesyłu danych (np. 1,5 Gb) czy napięcie i prąd zasilania. Są to zagadnienia nieobce elektronikom i nie ma potrzeby ich szczegółowego omawiania.

Damian Sosnowski, EP

Bibliografia:
http://bit.ly/2PmB613
http://bit.ly/2P4lMWO
https://bit.ly/3vNkQa5
https://bit.ly/3f9PyUH
https://bit.ly/3r9zDs0
http://bit.ly/3u1iEKv
https://bit.ly/3d6h2bw
https://bit.ly/3f7B2gl
http://bit.ly/31c9aj2
http://bit.ly/318aZxm
http://bit.ly/3cgZ0UK
http://bit.ly/3cYEszs