Bildomvandlare

Beroende på omvandlarens typ kan funktionsprincipen variera. Den utför emellertid samma funktion överallt - den omvandlar en ljusstråle som kommer in genom objektivet till en elektrisk signal som i huvudsak innehåller all information om ljusstyrkan på inspelade bilden. Trots framträdanden är omvandlarens typ av stor betydelse för kvaliteten på utgångsbilden.

Bild 1. CMOS-baserad bildomvandlare från kamera APTI-24C2-36W

Oftast använder man två typer av omvandlare - CCD och CMOS (bild 2a och 2b). I industriella kameror förekommer oftare den andra typen på grund av dess uppbyggnad och möjligheter som den erbjuder. CCD-omvandlare förekommer oftast i allt mindre populära analoga kameror som fungera i PAL-standard. Nedan finns en kort beskrivning och funktionsprincip av varje av dem.

Bild 2a. CCD-baserad omvandlare

Bild 2b. CMOS-baserad omvandlare

CCD-omvandlare (Charge Coupled Device) – en laddningskopplad enhet.

I allmänhet, en CCD-omvandlare fungerar genom att ackumulera elektrisk laddning på motsvarande sektorer i omvandlarens matris, så kallade bildpunkter. Detta beror på att fotoner (ljus) faller på enskilda isolerade från varandra bildpunkter och slår ut elektroner ur dem (bild 3). En enda bildpunkt kan visualiseras som en behållare där samlas de nyskapade elektronerna. Deras antal är proportionellt mot ljusintensiteten och exponeringstiden (bild 4).

På så sätt, genom att ackumulera på matrisen varierande antal elektroner, skapas en karta som på något sätt är en återspegling av en bild som ses av kameran. Det är värt att nämna här, att omvandlarens matris själv fångar bara ljusintensiteten utan färger av enskilda delar av bilden, vilket kommer att diskuteras senare.

Avläsning av de ackumulerade elektronerna från varje bildpunkt utförs sekventiellt. Detta innebär att vidareöverföring av elektroner till elektroniska kretsar sker endast från avläsningsregistren, vilka är placerade längs en rad i matrisen. Efter avläsning av elektronerna från den första raden av matrisen, hoppar nästa elektroner från nästa rad, och deras plats i sin tur tas av elektroner från nästa rad. Hela proceduren upprepas tills alla bildpunkter är avlästa (bild 5).

På så sätt överförs laddning från varje bildpunkt till elektroniska kretsar som omvandlar den till elektrisk spänning som motsvarar antal det ”fångade” ljuset. Dessutom tilldelas till varje värde koordinater för en bildpunkt på omvandlarens matris. Så i ett nötskal ser det ut när en omvandlare fångar ut en bild.

Men hur går det till att en bild har olika färger? För att förklara detta ska man återvända till matrisens uppbyggnad (bild 6). Den är belagd med RGB-filter (röd, grön, blå), ett för varje bildpunkt enligt ett bestämt schema. Varje filter släpper igenom ljuset i bara en färg. Som resultat registrerar varje bildpunkt mängden ljus i viss färg beroende på filtret. Tack vare detta att bildpunkter har sina koordinater vet man vilken ljusintensitet och färg varje av dem har. Resten tas hand om av elektronik. Enhetens grafikprocessor har en programmerad karta över filter i samma system som på matrisen vilket gör att den kan återspegla den registrerade bilden av omvandlaren till en digital version.

Bild 6. CCD-matrisen är belagd med RGB-filter som släpper igenom ljus i relevant färg

Det är intressant att nämna, att antalet bildpunkter med filter som släpper igenom grön färg är två gånger större än resten av färger. Detta beror på att bildomvandlaren har skapats som en modell av ett mänskligt öga, vilket av alla grundfärgerna är mest känsligt för grön färg.

Filtren har en mycket viktig funktion till - skyddar mot infrarött ljus som avges från praktiskt taget varje föremål vid en temperatur över den absoluta nollpunkten. Omvandlaren är känslig mot hela bandet för ett synligt ljus och till skillnad mot den mänskliga ögat mot ett infrarött ljus som påverkar negativt återspegling av färger och ljusstyrka.

Dessutom baserat på färgerna på 9 bildpunkter i ett 3x3-system, bestämmer processorn den resulterande färgen och lagrar den på plats av centrumbildpunkten (bild 7), och sedan tar hänsyn till följande nio bildpunkter genom att flytta ramen med en, och bestämmer färgen på nästa inre bildpunkt. Processen kallas för interpolation och tack vare detta är bilden närmare verkligheten.

Den beskrivna metoden för interpolering, det vill säga att bestämma den resulterande (medelvärde) färgen baserat på de omgivande färgerna, kommer inte att fungera för bildpunkter som ligger vid kanterna av matrisen. Naturligtvis, med tanke på den nuvarande storleken på matriser som används i industriella kameror har det ingen betydelse alls. Men tillverkare av kameror, särskilt dessa mer avancerade, anger ofta, bortsett från antalet bildpunkter, antalet effektiva bildpunkter. Detta är antalet bildpunkter som faktiskt används för att få en bild, exklusive bildpunkter som ligger vid kanterna av matriser eller andra hjälpbildpunkter.

CMOS-omvandlare (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Halvledare som finns i dessa omvandlare baserar både när det gäller uppbyggnad och överföringsmetod på masslagringsarkitektur. Den kännetecknas främst av driftshastighet och mindre energiförbrukning i jämförelse med CCD-omvandlare. Driftprincipen är analogisk som i CCD-omvandlare med den skillnad att alla bildpunkter avläsas oberoende, inte sekventiellt. Detta händer eftersom varje bildpunkt i CMOS-matrisen har en egen laddningsomvandlare till spänning och sitt adress. Som en följd av detta kan alla bildpunkter avläsas på en gång (bild 8).

Tyvärr har detta system också nackdelar. På grund av behovet av att placera ytterligare komponenter inuti omvandlaren, är avståndet mellan bildpunkter mycket större än i CCD-omvandlare. De är inte så nära varandra och därför är omvandlaren större. Som ett resultat är hela matrisen mindre känslig på grund av att en del av ljuset faller inte på de ljuskänsliga elementen utan mellan dem. En annan stor nackdel är att det inte är möjligt att tillverka flera miljoner identiska ljuskänsliga element, i vilka varje omvandlare arbetar med samma noggrannhet. Så småningom kan det visa sig att bilden, som bör vara enhetlig i färg, kommer att innehålla särskilda band som kallas brus. Naturligtvis, beroende på klassen av enheten, kan elektroniken som ansvarar för vidare bearbetning av bilden lösa detta problem till en större eller mindre utsträckning.

Storlek på omvandlaren monterad i en kamera anges i tum. Oftast ju större omvandlare desto fler bildpunkter finns på den och samtidigt desto bättre bildkvalitet. De mest vanligaste storlekarna på omvandlare för industriella kameror är 1/3" och 1/4". Det är intressant att nämna, att det har lite att göra med den faktiska storleken på omvandlaren. Det är en kvarleva från den tid när som en omvandlare i videokameror fungerade katodlampa av glas. Storleken gällde inte bara själva lampan utan dess glasskyddets diameter.

Till exempel, omvandlarens storlek 1” betyder att den är av storleken på katodlampan placerad inuti glasskyddet med en diameter på 1 tum. För att underlätta kan man anta att omvandlarens diagonal är lika med två tredjedelar av sin beteckning. Noggranna värden anges i storlektabell.