Фільтр Байера

Шаблон Байера-двовимірний масив кольорових фільтрів, якими вкриті фотодіоди матриць (фото), і складається з 25% червоних елементів, 25% синіх і 50% зелених елементів, розташованих як показано на малюнку. Названий на честь його творця, доктора Брайса Е. Байера (англ. Bryce Bayer), співробітника компанії Kodak. Використовується для отримання кольорового зображення в матрицях цифрових фотоапаратів, відеокамер і сканерів. Для відмінності від інших різновидів його називають GRGB, RGBG, або (якщо требапідкреслити діагональне розташування червоного і синього пікселів) RGGB.

Рис. Масив кольорових фільтрів Байера

Принцип дії

Матриця є пристроєм, що сприймає спроектоване на нього зображення. Оскільки напівпровідникові фотоприймачі приблизно однаково чутливі до всіх кольорів видимого спектру, для сприйняття кольорового зображення кожен фотоприймач накривається світлофільтром одного з первинних кольорів: червоного, зеленого, синього (колірна модель RGB). Внаслідок використання фільтрів кожен фотоприймач сприймає лише 1/3 колірної інформації ділянки зображення, а 2/3 відсікається фільтром. Для отримання інших колірних компонент використовуються значення із сусідніх осередків. Відсутні компоненти кольору розраховуються процесором камери на підставі даних із сусідніх осередків в результаті інтерполяції (за алгоритмом demosaicing) Таким чином, у формуванні кінцевого значення кольорового пікселя бере участь 9 або більше фотодіодів матриці. У класичному фільтрі Байєра застосовуються світлофільтри трьох основних кольорів в наступному порядку:  

G R B G При цьому фотодіодів зеленого кольору в кожному осередку в два рази більше, ніж фотодіодів інших кольорів, в результаті роздільна здатність такої структури максимальна в зеленій області спектру, що відповідає особливостям людського зору.

Недоліки системи з мозаїкою кольорових фільтрів:

• Необхідність відновлювати частину колірної інформації призводить до втратипросторової роздільної здатності в кольорових деталях.

• Процедура відновлення породжує ефект кольорового муару і кольорові артефакти. Для зниження ефекту кольорового муару застосовується фільтр нижніх частот (low-pass), що додатково розмиває зображення до його потрапляння на матрицю. Це призводить до додаткового зниження роздільної здатності системи в цілому і зниження мікроконтрасту.

• Зниження різкості в алгоритмі і на low pass фільтрі робить необхідним застосування алгоритмів підвищення різкості.

Foveon X3

Foveon X3 - серія фотоматриць компанії Foveon, в якій кольороподіл на адитивні кольори RGB проводиться пошарово, по товщині напівпровідникового матеріалу, з використанням фізичних властивостей кремнію.

Назва сенсора «Х3» має на увазі як його «тришаровість», так і «тривимірність» структури, щоб підкреслити відмінність від «плоских» матриць з фільтром Байєра.

Керуючі схеми і елементи матриці можуть бути побудовані із застосуванням КМОП та інших технологічних рішень. Проте на даний момент (2008 рік) виробляється тільки КМОН версія.

Рис. Принцип кольороподілу Foveon X3

Принцип дії

Особливістю матриць Foveon є те, що фотодіоди, що формують кольоровий елемент зображення, розташовані один над одним, утворюючи «колонку», перпендикулярну поверхні матриці. Оскільки коефіцієнт поглинання світла в кремнії в оптичному діапазоні монотонно залежить від довжини хвилі, то синя частина спектру поглинається переважно верхнім шаром (товщина 0,4 мкм), зелена середнім (товщина 2 мкм) і червона нижнім шаром (більш 2 мкм), розділених pn -переходами і мають окремі висновки сигналу. Таке компонування дозволяє отримати повну інформацію по трьом колірним каналам в одній точці.

Таке вертикальне компонування радикально відрізняється від матриць з фільтрами Байєра, де кожен елемент кольорового зображення утворюється комбінацією одноколірних сигналів з групи поряд розташованих на поверхні сенсора фотодіодів-субпікселів, «накритих» кольоровими фільтрами. На відміну від Байєрівських фотосенсорів в сенсорах Foveon кольорові фільтри не використовуються і, завдяки збору сигналу по трьом колірним каналам в одній точці, відпадає потреба в інтерполяції сигналів кольорових субпікселів при формуванні зображення.

Завдяки малій (менше 5 мкм) товщині сенсора, можливий вплив хроматичної аберації на зображення мінімальний. Однак, як і в інших різновидах матриць, поглинання червоної частини спектра відбувається на максимальній глибині. В результаті паразитної дифузії фотоелектронів і засвічення косими променями в області максимальних довжин хвиль відбувається додаткове розмиття зображення. Зокрема, цей же ефект ускладнює подальше (у порівнянні з нинішніми матрицями) зменшення розміру елемента і підвищення роздільної здатності.