26. Датчики изображения

Датчики изображения - полупроводниковые устройства, преобразующие световой поток в электрическое напряжение с последующим получением его значения в цифровом виде. Твердотельный датчик изображения - фотосканер. Прибор с зарядовой связью (ПЗС) –прибор, воспринимающий изображение и осуществляющий его разложение на элементарные фрагменты, сканирование и формирование на выходе видеосигнала. Датчики изображения создаются на основе ПЗС- и КМОП-технологии. КМОП- имеют ряд дополнительных преимуществ:

– архитектура КМОП позволяет расположить на одном кристалле процессор обработки изображения и аналого-цифровой преобразователь;

– геометрические размеры КМОП-датчиков значительно меньше ПЗС;

– экономичность с точки зрения энергопотребления.

У ПЗС большая светочувствительность, динамический диапазоно и меньшие шумы.

Датчики изображения создаются на основе кремния. Технология считывания свободных электроновопределяет конструкциюдатчиков, а качество и чистота кремниевой подложки – квантовую эффективность кристалла.

Датчик изображения состоит из набора пикселов( светочувствительныx элементов). Область, на которую падает свет, называется апертурой.Светочувствительная область пикселов, преобразовывающая полученные кванты света в электроны, называется фотодетектором. Электроны фотодетектора накапливаются в зарядовом колодце или потенциальной яме (рис. 1.1). Величина заряда зависит от интенсивности света, падающего на поверхность фотодетектора.

Основными характеристиками датчиков изображения являются:

– размер пиксела (например, 14 × 14 мкм или 3,1 × 3,1 мкм):

– количество пикселей определяет разрешающую способность датчика

– оптический формат – размер диагонали активной области матрицы фотоэлементов в дюймах;

– чувствительность –отношение величины электрического сигнала, вырабатываемого датчиком, к его освещенности; В/(люкс/с).

– квантовая эффективность – отношение числа зарегистрированных фотонов к их общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы датчика

– динамический диапазон –отношение максимального выходного сигнала датчика к его собственному уровню шума, дБ.

– отношение сигнал/шум – дБ; приемлемым считается величина не менее 50 дБ.

КМОП- или ПЗС-датчик изображения выполняет пять основных функций: поглощение квантов света; преобразование их в электрический заряд; накопление электрического заряда; передачу этого заряда и преобразование его в напряжение.

ПЗС получил своё название по способу передачи заряда между зарядовыми колодцами и вывода заряда из матрицы. Заряды сдвигаются от одного горизонтального ряда пикселов к последующему горизонтальному ряду, сверху вниз построчно. Когда перемещается одна из строчек зарядов, на освободившееся место передвигаются все заряды из строчки выше. Последняя строчка в самой нижней позиции - горизонтальный сдвиговый регистр. В этой строчке все заряды последовательно покидают датчик.

Существуют четыре основных типа ПЗС-датчиков: линейные; чересстрочные; полноформатные; с покадровым переносом.

В линейном все пикселы расположены на единственной строке. Используются в планшетных сканерах и цифровых блоках-насадках к плёночным камерам.

В чересстрочных электрический заряд пиксела быстро сдвигается на соседнюю накапливаемую область заряда, по которой он перемещается вниз к горизонтальному сдвиговому регистру

В полноформатных пиксел служит только для «захвата» изображения, во время передачи заряда пиксел не принимает фотоны во избежание размазывания изображения (устройство снабжено механическим затвором.) Достоинство - высокое разрешение.

В ПЗС с покадровым переносом для временного хранения заряда отводится половина матрицы. Эта область называется матрицей хранения.

КМОП-технология позволяют создавать на одном кристалле датчики, которые преобразовывают фотоны в электроны, перемещают их, обрабатывают полученное изображение, выделяют контур, минимизируют, устраняют шумы, выполняют аналого-цифровые преобразования. Создаются программируемые

В ПЗС фоточувствительная область занимает большую часть площади активного элемента, определяющаяся фактором заполнения, который может достигать 100%. В КМОП FF составляет 30–35%. Для повышения фоточувствительности КМОП используются микролинзы. Датчик изображения определяет градации серого. Для создания цветного изображения на кремний с помощью фотолитографии наносится слой цветных фильтров, который помещается между микролинзами и светочувствительными элементами. Каждый пиксел отвечает за «свой» цвет, для чего над ним помещается фильтр. Фильтры расположены в шахматном порядке. Расположение обеспечивает цветовую равномерность изображения независимо от расположения датчика во время съёмки. В ПЗС суммирование цветов для получения цветного изображения выполняется вне датчика, в КМОП непосредственно на кристалле.

Одной из характеристик датчика изображения является разрешение. В компьютере разрешение - количество пикселов, которое можно отобразить на экране. Чем больше пикселов, тем больше файл. Кроме оптического разрешения, существует также разрешение, поддерживаемое программными средствами. Другой характеристикой является динамический диапазон, который характеризует способность «захватывать» оттенки изображения от самых тёмных до самых светлыхтонов. Чем шире этот диапазон, тем больше оттенков изображения фиксируется датчиком.