TopTehnični slovarSenzor slike

Senzor slike

Princip delovanja se lahko razlikuje glede na vrsto pretvornika. Vendar ima povsod enako funkcijo - pretvori svetlobni tok, ki vstopa skozi objektiv, v električni signal, v katerem so vsebovane predvsem informacije o svetlosti posnete slike. Pri tem je vrsta uporabljenega pretvornika dejansko velikega pomena za kakovost izhodne slike.

 

Sl. 1. Pretvornik slike tipa CMOS iz kamere APTI-24C2-36W

 

Najpogosteje se uporablja dve vrsti pretvornikov - CCD in CMOS (sl. 2a in 2b). V današnjih industrijskih kamerah imamo najpogosteje opravka s temi slednjimi, zaradi njihove strukture in možnosti, ki jih nudijo. Medtem ko pretvornike CCD praviloma najdemo v manj priljubljenih analognih kamerah, ki delujejo v standardu PAL. V nadaljevanju sledi kratek opis in princip delovanje vsake od teh dveh vrst.

 

Sl. 2a. Pretvornik tipa CCD

 

Sl. 2b. Pretvornik tipa CMOS

 

Pretvornik CCD (Charge Coupled Device) - nabojsko sklopljeno vezje.

 

Na splošno povedano, temelji princip delovanja pretvornika CCD na akumulaciji električnega naboja v ustreznih sektorjih matrice pretvornika, imenovanih pikslji. To poteka tako, da fotoni (svetlobe) padajo na posamezne medsebojno izolirane pikslje, ki izbijajo iz njih elektrone (sl. 3). Posamezen pikselj si lahko predstavljamo kot posodo, v kateri se zbirajo novo nastajajoči elektroni. Njihovo število je v sorazmerju z intenziteto svetlobe in tudi s časom osvetlitve (sl. 4).

 

Sl. 3. Matrica CCD, zgrajena iz posameznih piksljev (b), skupaj z nanje padajočimi fotoni (a)

 

a - foton

b - piksel

Sl. 4. Posamezni piksel, v katerem prihaja do izbijanja elektronov (b) zaradi nanj padajočih fotonov (a)

 

a - foton

b - elektron

Na ta način se s kopičenjem različnih količin elektronov na matrici ustvarja karta, ki je v nekem smislu zrcalna podoba slike, videne skozi kamero. Treba je tu omeniti, da matrica pretvornika sama v sebi prestreza samo intenzivnost svetlobe, in ne barv posameznih elementov slike, o čemer več v nadaljevanju.

 

Odčitek količine nakopičenih elektronov z vsakega piksla se izvaja zaporedno. To pomeni, da se prenos elektronov na nadaljnje elektronske sisteme izvede le z odčitnih registrov, ki se nahajajo vzdolž ene vrstice matrice. Po odčitku elektronov s prve vrstice matrice sledi preskok naslednjih elektronov z naslednje vrstice, njihovo mesto pa zasedejo elektrone iz naslednje vrstice. Celoten postopek se ponavlja vse do odčitka vseh pikslov (sl. 5).

 

Sl. 5. Shema zaporednega odčitavanja elektronov (a) s piksljev prek kanala CCD (b). Vsi elektroni se na koncu znajdejo v odčitnem (analizatorskem) registru (c), od koder se transportirajo naprej k elektronskim sistemom.

 

a - elektron

b - kanal CCD

c - odčitni register

Na ta način se naboji iz vsakega pikslja transportirajo v elektronske sisteme, ki jih spreminjajo v električno napetost, ustrezajočo količini "prestrežene" svetlobe. Poleg tega se vsaki vrednosti pripišejo koordinate danega piksla na matrici pretvornika. Tako torej, zelo na kratko povedano, izgleda prestrezanje slike s strani pretvornika.

Vendar pa, kako to, da je slika barvna? Za pojasnitev tega se je treba vrniti k sestavi matrice pretvornika (sl. 6). Le-ta je prekrita s filtri RGB (rdeči, zeleni, modri), s po enim za vsak piksel v določeni shemi. Vsak filter prepušča svetlobo le v eni barvi. Posledično, vsak piksel beleži količino svetlobe v dani barvi v odvisnosti od tega, pod katerim filtrom se nahaja. S tem ko imajo pikslji svoje koordinate, vemo, kakšna je intenzivnost svetlobe in barve vsakega izmed njih. Vse drugo postori elektronika. Grafični procesor naprave ima programiran zemljevid filtrov v enakem sistemu, v kakršnem se pojavlja matrica, s čemer lahko reproducira posneto sliko prek pretvornika v digitalno različico.

 

Fig. 6. Matrica CCD, prekrita z RGB filtri, od katerih vsak prepušča svetlobo v ustrezni barvi

 

Kot zanimivost povejmo, da je število pikslov, prepuščajočih zeleno barvo, dvakrat večje od števila pikslov drugih barv. To je tako zato, ker je bil pretvornik slike ustvarjen po vzoru na človeško oko, ki je izmed vseh osnovnih barv najbolj občutljivo ravno na zeleno.

 

Filtri opravljajo še eno pomembno funkcijo - ščitijo pred infrardečo svetlobo, ki jo dejansko oddaja vsak objekt s temperaturo nad absolutno ničlo. Pretvornik je občutljiv na celotni pas vidne svetlobe ter, v nasprotju s človeškim očesom, na infrardečo svetlobo, kar slabo vpliva na reprodukcijo barv in svetlosti.

 

Poleg tega na podlagi barv 9 piksljev v sestavu 3x3 procesor izbere naključno barvo in jo shrani na mestu sredinskega pikslja (sl. 7), nakar vzame v poštev naslednjih 9 piksljev tako da premakne okvir za enega ter določi barvo naslednjega notranjega pikslja. Ta proces se imenuje interpolacija, z njo je slika bližje realnosti.

 

Sl. 7. Označeni pikslji, vključeni v proces interpolacije (a) in piksel, katerega barva je posledica obdajajočih ga pikslov (b)

 

a - interpolirani pikslji

b - posledični piksel

Opisana metoda interpolacije, tj. določanje posledične (srednje) barve na osnovi okoliških barv, ne deluje v primeru pikslov, ki se nahajajo na robovih matrice. Seveda nima, glede na sedanje velikosti matric, ki se uporabljajo v industrijskih kamerah, to nobenega praktičnega pomena. Vendar pa proizvajalci kamer in fotoaparatov, zlasti tistih z višjega cenovnega razreda, zanje pogosto poleg števila pikslov, navajajo tudi število efektivnih pikslov. To je število pikslov, ki so dejansko izkoriščeni za ustvaritev slike, to število ne zajema pikslov, nahajajočih se ob robovih matrice, in tudi ne drugih pomožnih pikslov.

 

Pretvornik CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

 

V teh pretvornikih pojavljajoči se polprevodniki temeljijo tako v pogledu izgradnje, kot tudi način prenosa, na arhitekturi masovnega spomina. Zanje sta značilni predvsem hitrost delovanja in nižja poraba energije v primerjavi s pretvorniki CCD. Princip delovanja je analogen principu pri pretvornikih CCD, s to razliko, da so vsi pikslji berljivi neodvisno in ​​ne zaporedno. To je tako zato, ker ima vsak piksel v matrici CMOS svoj pretvornik naboja v napetost in svoj naslov položaja. Zaradi tega se lahko vse pikslje odčita istočasno v enem trenutku (sl. 8).

 

Sl. 8. Konstrukcija matrice CMOS. Zaradi naslovnega vodila (a) je razdalja med pikslji večja; poleg tega ima vsak piksel svoj pretvornik naboja v napetost (b)

 

a - naslovno vodilo

b - pretvornik naboja

Na žalost ima ta sistem tudi slabosti. Zaradi nujnosti vmeščanja dodatnih elementov znotraj pretvornika, je razdalja med pikslji veliko večja kot v primeru pretvornikov CCD. Le-ti niso več tako blizu eden drugemu in je s tem celotni pretvornik večji. Posledično je celotna matrica manj občutljiva zaradi dejstva, da del svetlobe namesto da bi padal na elemente, občutljive na svetlobo, pada med njimi. Druga velika pomanjkljivost je dejstvo, da ni mogoče proizvesti nekaj milijonov enakih svetlobno občutljivih elementov, kjer bi vsak pretvornik deloval z enako natančnostjo. Na koncu se lahko izkaže, da slika, ki bi morala biti v enotni barvi, vsebuje značilne proge imenovane šum. Seveda lahko, odvisno od razreda naprave, elektronika, ki je odgovorna za nadaljnjo obdelavo slike, ta problem reši v večji ali manjši meri.

 

Velikost pretvornika , vgrajenega v dani kameri, je opredeljena v palcih. Običajno je tako, da večji ko je pretvornik, več pikslov se nahaja na njem, in s tem - ustrezno boljša kakovost slike. Najpriljubljenejši velikosti pretvornikov za industrijske kamere sta 1/3" in 1/4". Kot zanimivost dodajmo, da ima to malo opraviti z dejansko velikostjo samega senzorja. To je ostanek še iz časov, ko je funkcijo pretvornika v video kamerah izpolnjevala steklene katodna luč. A velikost se ni nanašala na samo luč, pač pa na premer njene steklene zaščite.

 

In tako je, na primer, pretvornik velikosti 1" na ravni velikosti katodne luči, nameščene znotraj steklenega balona s premerom 1 palca. Da poenostavimo, diagonala pretvornika znaša približno dve tretjini označene velikosti. Točne vrednosti so podane v tabeli velikosti.