Содержание

 1 Устройство одного пикселя матрицы

• 1.1 Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

• 1.2 Микролинза субпикселя

• 2 Характеристики матриц

  • 2.1 Отношение сигнал/шум

  • 2.2 Чувствительность

  • 2.3 Разрешение

  • 2.4 Физический размер матрицы

  • 2.5 Отношение сторон кадра

  • 2.6 Пропорции пикселя

• 3 Типы матриц по применяемой технологии

  • 3.1 ПЗС-матрица

  • 3.2 КМОП-матрица

  • 3.3 Live-MOS-матрица

  • 3.4 Super CCD-матрица

• 4 Методы получения цветного изображения

  • 4.1 Трёхматричные системы

    • 4.1.1 Достоинства трёх матриц по сравнению с одноматричными

    • 4.1.2 Недостатки трёх матриц по сравнению с одноматричными

  • 4.2 Матрицы с мозаичными фильтрами

  • 4.3 Матрицы с полноцветными пикселами

    • 4.3.1 Многослойные матрицы (Foveon X3)

    • 4.3.2 Полноцветная RGB-матрица Nikon

Устройство одного пикселя матрицы

Архитектура пикселей у производителей разная. Для примера здесь приводится архитектура ПЗС-пикселя.

Пример субпикселя пзс-матрицы с карманом n-типа

Схема субпикселей ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС-матрицы — матрицы с карманом n-типа: 1 — фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата; 2 — микролинза субпикселя; 3 — R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера; 4 — прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова; 5 — оксид кремния; 6 — кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта; 7 — зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда; 8 — кремниевая подложка p-типа.

Микролинза субпикселя

Буферные регистры сдвига на ПЗС-матрице, равно как и обрамление КМОП-пиксела на КМОП-матрице «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате, каждому пикселю достаётся лишь 30 % светочувствительной области от его общей поверхности. У матрицы с полнокадровым переносом эта область составляет 70 %. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС матриц над пикселем устанавливается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает бо́льшую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела.

Характеристики матриц

Светочувствительность (более коротко чувствительность), отношение сигнал-шум и физический размер пикселя однозначно взаимосвязаны (для матриц, созданных по одной и той же технологии). Чем больше физический размер пикселя, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном соотношении сигнал-шум. Физический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют размер пикселя. Размер пикселя напрямую определяет такую важную характеристику, как фотографическая широта.

Отношение сигнал/шум

Всякая физическая величина совершает некоторые колебания от своего среднего состояния, в науке это называется флуктуациями. Поэтому и каждое свойство всякого тела тоже изменяется, колеблясь в некоторых пределах. Это справедливо и для такого свойства, как светочувствительность фотоприемника, независимо от того, что собой представляет этот фотоприемник. Следствием этого является то, что некоторая величина не может иметь какого-то конкретного значения, а изменяется в зависимости от обстоятельств. Если, например, рассмотреть такой параметр фотоприемника, как «уровень чёрного», то есть то значение сигнала, которое будет показывать фотодатчик при отсутствии света, то и этот параметр будет некоторым образом флуктуировать, в том числе эта величина будет меняться от одного фотодатчика к другому, если они образуют некоторый массив (матрицу).

В качестве примера можно рассмотреть обычную фотопленку, где фотодатчики — зерна бромистого серебра, и их размер и «качество» неконтролируемо меняются от точки к точке (изготовитель фотоматериала может обеспечить только среднее значение параметра и величину его отклонения от среднего значения, но не сами конкретные значения этой величины в конкретных позициях). В силу этого обстоятельства пленка, проявленная без экспозиции, покажет некоторое, очень маленькое, но отличное от нуля почернение, которое называется «вуаль». И у фотоматрицы цифрового фотоаппарата наблюдается то же самое явление. В науке такое явление называется шумом, так как оно мешает правильному восприятию и отображению информации, и для того, чтобы изображение хорошо передавало структуру исходного сигнала, необходимо, чтобы уровень сигнала в некоторой степени превосходил уровень шумов, характерных для данного устройства. Это называется отношением сигнал/шум.^[1]