Сензор за изображение /матрица/

В зависимост от вида на сензора, принципът на работа може да се различава. Но навсякъде той изпълнява една и съща функция - конвертира светлинния поток влизащ през обектива на електрически сигнал, който съдържа най-вече информация за яркостта на регистрираното изображение. Въпреки всичко вида на използвания сензор има огромно значение за качеството на изходното изображение.

Фиг. 1 Сензор за изображение /матрица/ тип CMOS на камерата APTI-24C2-36W

Най-често използвани са два вида сензори – CCD и CMOS (фиг. 2a и 2b). В промишлените камери в момента, по-често може да срещнете вторите, заради техния дизайн и възможностите, които те предлагат. Докато CCD сензорите по принцип се намират във все по-малко популярните аналогови камери, работещи в PAL стандарт. По-долу кратка характеристика и принцип на действие на всеки от тях.

Фиг. 2a. Матрица тип CCD

Фиг. 2b. Матрица тип CMOS

Матрица CCD (Charge Coupled Device) – устройство със зарядна връзка.

Като цяло, принципът на работа на CCD матрицата се основава на натрупването на електрически заряд върху съответните сектори на матрицата, наречени пиксели. Това се дължи на фотоните (светлина) попадащи върху отделните пиксели изолирани един от друг, които изместват от тях електроните (фиг. 3). Единичният пиксел може да се визуализира като контейнер, в който се натрупват новосъздадените електрони. Техният брой е пропорционален на интензитета на светлината и времето на експозиция (фиг. 4).

По този начин, благодарение на натрупването върху матрицата на различни количества електрони, възниква карта, която в известен смисъл е отражение на изображението виждано от камерата. Заслужава да се отбележи тук, че самата матрица на сензора улавя единствено интензитета на светлината, без цветовете на отделните елементи на изображението, за което ще бъде по-нататък.

Процесът на прочитане на количеството електрони натрупани във всеки пиксел се извършва последователно. Това означава, че преместването на електроните към по-нататъшните електронни схеми се извършва само от регистрите за четене, които са разположени по протежение на един ред от матрицата. След прочитане на електроните от първия ред на матрицата, настъпва прехвърляне на следващите електрони от следващия ред, а мястото им на свой ред се заема от електроните от следващия ред. Цялата процедура се повтаря, докато всички пиксели бъдат прочетени (фиг. 5).

По този начин, зарядите от всеки пиксел са транспортирани до електронните схеми, които ги трансформират в електрическо напрежение отговарящо на количеството "уловена" светлина. Освен това, към всяка стойност се присвояват координати за даден пиксел на матрицата на сензора. Така, накратко изглежда улавянето на изображението от конвертора.

Обаче, как се случва така, че изображението е цветно? За да се обясни това, трябва да се върнем към структурата на матрицата на сензора (фиг. 6). Тя е покрита с филтри RGB (червен, зелен, син), по един за всеки пиксел в определената схема. Всеки филтър пропуска светлина само от един цвят. В резултат на това, всеки пиксел регистрира количеството светлина на определен цвят в зависимост от това, под какъв филтър се намира. Благодарение на това, че пикселите имат своите координати, известно е, какъв е интензитета на светлината и цветовете на всеки един от тях. Останалото е грижа на електрониката. Графичният процесор на устройството има програмирана карта на филтрите в същата система, която се намира на матрицата, чрез което може да пресъздаде регистрираното от конвертора изображение към цифровата версия.

Фиг. 6. CCD матрица покрита с RGB филтри, всеки от които пропуска светлина на съответния цвят

Като любопитен факт е хубаво да споменем, че броят на пикселите с филтри пропускащи зелен цвят е два пъти повече от колкото останала част от цветове. Това става така, защото сензорът на изображението е създаден по модела на човешкото око, което от всички основни цветове е най-чувствително именно към зеления цвят.

Филтрите изпълняват още една много важна функция - предпазват от инфрачервената светлина, която се излъчва от почти всеки обект при температура над абсолютната нула. Сензорът е чувствителен към цялата лента на видима светлина и за разлика от човешкото око, на инфрачервената светлина, която се отразява лошо на пресъздаването на цветовете и яркостта.

Освен това, въз основа на цветовете 9 пиксела в система 3х3 процесорът определя получения /резултатен/ цвят и го записва на мястото на централния пиксел (фиг. 7), след което взима под внимание, следващите 9 пиксела, премествайки рамката с едно и определя цвета на следващия вътрешен пиксел. Този процес се нарича интерполация и благодарение на него, изображението е по-близо до реалността.

Описаният метод на интерполация т.е. определяне на резултантната (средна) на цвета въз основа на заобикалящите цветове, няма да работи за пиксели, разположени в краищата на матрицата. Разбира се при сегашните размери на матриците използвани в промишлените камери това няма никакво значение. Въпреки това, производителите на камери и фотоапарати, особено на тези с по-висок клас, често освен броя на пикселите, дават броя на ефективните пиксели. Това е фактическият брой пиксели използвани за получаване на изображението, не включвайки пикселите разположени в краищата на матрицата или други помощни пиксели.

CMOS сензор (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Полупроводниците, намиращи се в тези сензори, както по отношение на конструкцията и начина на предаване на информацията са базирани на архитектурата за съхранение на данни. Характеризира ги предимно бързо действие и намалени изисквания за мощност в сравнение с CCD матриците. Принципът на действие е подобен на CCD сензорите, с тази разлика, че всички пиксели са независимо прочитани, а не последователно. Това се случва, защото всеки пиксел в матрица CMOS притежава свой собствен преобразувател на заряда в напрежение и свой адрес. В резултат на това всички пиксели могат да бъдат прочетени в един и същи момент (фиг. 8).

За съжаление, тази система има и недостатъци. Поради необходимостта от поставяне на допълнителни компоненти в сензора, разстоянието между пикселите е значително по-голямо от колкото в случай на CCD сензорите. Те не са вече толкова близо един до друг и следователно сензорът е по-голям. В резултат на това цялата матрица е по-малко чувствителна поради факта, че част от светлината не попада на светлочувствителните елементи, а между тях. Друг основен недостатък е фактът, че не е възможно да се произведат няколко милиона идентични светлочувствителни елементи, при което всеки сензор работи със същата точност. В крайна сметка може да се окаже, че образът, който трябва да бъде еднороден на цвят, ще съдържа специфични ивици наречени шум. Разбира се, в зависимост от класа на устройството, електрониката отговорна за по-нататъшна обработка на изображението, ще може да се справи с този проблем в по-голяма или по-малка степен.

Размерът на сензора монтиран в дадена камера се определя в инчове. Обикновено, колкото по-голям сензор толкова повече пиксели, които съдържа и следователно по-добро качество на изображението. Най-популярните размери на сензорите за промишлени камери са 1/3 "и 1/4". Интересно е да се спомене, че това няма нищо общо с действителния размер на сензора. Това е остатък от времето, когато функцията на сензора във видео камерите се изпълняваше от стъклена катодна тръба. Размерът обаче не се е отнасял към самата лампа, а към диаметъра на нейната защитна стъклена колба.

Така, например, сензор с размер от 1" е с големина на катодната лампа разположена в стъклена колба с диаметър 1 инч. За улеснение може да се приеме, че диагоналът на сензора се равнява на около две трети от неговото обозначение. Точните стойности са дадени в таблицата с размери.