Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Мозаика цветных фильтров Байера. Каждая субмозаика размером два на два содержит 2 зеленых, 1 синий и 1 красный фильтр, причем каждый фильтр покрывает один пиксельный датчик .

В области цифровой обработки изображений , A массив цветового фильтра ( CFA ), или цветной фильтр мозаика ( CFM ), представляет собой мозаика из крошечных цветных фильтров , расположенных над пиксельными датчиками с датчиком изображения для захвата цвета информации.

Этот термин также используется в отношении электронных бумажных устройств, где он означает мозаику крошечных цветных фильтров, размещенных над панелью отображения шкалы серого для воспроизведения цветных изображений.

Обзор датчика изображения [ править ]

Цветовые фильтры необходимы, потому что типичные фотодатчики обнаруживают интенсивность света с небольшой или нулевой специфичностью по длине волны и, следовательно, не могут разделить информацию о цвете. [1] Поскольку сенсоры сделаны из полупроводников , они подчиняются физике твердого тела .

Цветные фильтры фильтруют свет по диапазону длин волн, так что отдельные отфильтрованные интенсивности включают информацию о цвете света. Например, фильтр Байера (показан справа) дает информацию об интенсивности света в красном, зеленом и синем (RGB) диапазонах длин волн. Необработанные данные изображения, захваченные датчиком изображения, затем преобразуются в полноцветное изображение (с интенсивностью всех трех основных цветов, представленных в каждом пикселе) с помощью алгоритма демозаики , адаптированного для каждого типа цветового фильтра. Спектральное пропускание элементов CFA вместе с алгоритмом демозаики совместно определяют цветопередачу. [2] Полоса пропускания датчика квантовая эффективность и диапазон спектральных характеристик CFA обычно шире, чем видимый спектр , поэтому можно различить все видимые цвета. Ответы фильтров как правило , не соответствуют CIE функции Color Matching , [3] поэтому цвет перевод требуется преобразовать трехцветные значения в общее, абсолютном цветовом пространстве . [4]

Датчик Foveon X3 использует другую структуру , такую , что пиксель использует свойства мульти-переходов в стек синий, зеленый, красный и датчики на верхней части друг друга. Эта компоновка не требует алгоритма демозаики, потому что каждый пиксель имеет информацию о каждом цвете. Дик Меррилл из Foveon различает такие подходы, как «вертикальный цветной фильтр» для Foveon X3 и «боковой цветной фильтр» для CFA. [5] [6]

Список массивов цветовых фильтров [ править ]

ИзображениеИмяОписаниеРазмер рисунка (в пикселях)
Шаблон БайераФильтр БайераОчень распространенный фильтр RGB . Один синий, один красный и два зеленых.2 × 2
RGBE фильтрБайеровский, с одним из зеленых фильтров, измененным на «изумрудный»; используется в нескольких камерах Sony.2 × 2
RYYB фильтрОдин красный, два желтых и один синий;2 × 2
CYYM фильтрОдин голубой, два желтых и один пурпурный; используется в нескольких камерах Kodak.2 × 2
CYGM фильтрОдин голубой, один желтый, один зеленый и один пурпурный; используется в нескольких камерах.2 × 2
RGBW БайерТрадиционный RGBW, аналогичный шаблонам Байера и RGBE.2 × 2
RGBW №1Три примера фильтров RGBW от Kodak с 50% белого. ( См. Фильтр Байера № Модификации )4 × 4
RGBW №2
RGBW №32 × 4
X-TransСпецифический для Fujifilm матричный фильтр RGB с большим рисунком, предназначенный для уменьшения эффекта муара .6 × 6
Quad BayerПодобен фильтру Байера , но с 4-кратным синим, 4-кратным красным и 8-кратным зеленым. [7]

Используется Sony , также известен как Tetracell от Samsung и 4-элементный от OmniVision . [8] [9]

4 × 4
RYYB Quad BayerПохож на фильтр Quad Bayer, но с RYYB вместо RGGB. то есть 4x синих, 4x красных и 8x желтых.

Впервые использован в сенсоре камеры Leica в смартфонах серии Huawei P30 . [10]

NonacellПодобен фильтру Байера , но с 9-кратным синим, 9-кратным красным и 18-кратным зеленым. [11]6 × 6
RCCCИспользуется в автомобильной промышленности. [12] монохромный датчик желательно для достижения максимальной чувствительности, с красного канала , требуемого для областей , представляющих интерес , таких как светофоры и задние фонари. [13] [14] [15]2x2
RCCBИспользуется в автомобильной промышленности. [12] Аналогичен датчику Байера, за исключением того, что зеленые пиксели четкие, что обеспечивает большую чувствительность при слабом освещении и меньший шум. [15]2x2

Датчик RGBW [ править ]

Матрица RGBW (из красного, зеленого, синего, белого) - это CFA, который включает в себя «белые» или прозрачные фильтрующие элементы, которые позволяют фотодиоду реагировать на все цвета света; то есть некоторые клетки являются «панхроматическими», и больше света обнаруживается, а не поглощается, по сравнению с матрицей Байера. Сугияма подал заявку на патент на такое устройство в 2005 году. [16] Kodak объявил о нескольких патентах RGBW CFA в 2007 году, каждый из которых обладает тем свойством, что при игнорировании панхроматических ячеек оставшиеся ячейки с цветовой фильтрацией располагаются таким образом, что их данные могут быть обрабатываться с помощью стандартного алгоритма демозаики Байера .

Датчик CYGM [ править ]

Матрица CYGM (голубой, желтый, зеленый, пурпурный) - это CFA, в котором используются в основном вторичные цвета , опять же, чтобы позволить большему количеству падающего света обнаруживаться, а не поглощаться. Другие варианты включают матрицы CMY и CMYW.

Изготовление датчика изображения CFA [ править ]

Диазонафтохинон (DNQ) - новолачный фоторезист - один из материалов, используемых в качестве носителя для изготовления цветных фильтров из цветных красителей или пигментов. Существует некоторая интерференция между красителями и ультрафиолетовым светом, необходимая для правильного экспонирования полимера, хотя решения этой проблемы были найдены. [17] Иногда используемые цветные фоторезисты включают фоторезисты с химическими названиями CMCR101R, CMCR101G, CMCR101B, CMCR106R, CMCR106G и CMCR106B. [18]

В нескольких источниках [1] [19] обсуждаются другие конкретные химические вещества, связанные с оптическими свойствами, а также оптимальные процессы производства матриц цветных фильтров.

Например, Накамура сказал, что материалы для матриц цветовых фильтров на кристалле делятся на две категории: пигменты и красители . CFA на основе пигментов стали доминирующим вариантом, поскольку они обладают более высокой термостойкостью и светостойкостью по сравнению с CFA на основе красителей. В любом случае легко доступны толщины до 1 микрометра. [1]

Теувиссен говорит: «Раньше цветной фильтр изготавливали на отдельной стеклянной пластине и приклеивали к ПЗС-матрице (Ishikawa 81), но в настоящее время все однокристальные цветные камеры снабжены тепловизором, в котором обработан цветной фильтр на кристалле (Dillon 78), а не как гибрид ». [19] Он предоставляет библиографию, в которой основное внимание уделяется количеству, типам, эффектам наложения спектров , муаровым узорам и пространственным частотам поглощающих фильтров.

Некоторые источники указывают, что CFA может быть изготовлен отдельно и прикреплен после изготовления датчика [20] [21] [22], в то время как другие датчики производят CFA непосредственно на поверхности тепловизора. [22] [23] [24] Тойвиссен не упоминает материалы, используемые при производстве CFA.

По крайней мере, в одном из ранних примеров конструкции на кристалле использовались желатиновые фильтры (Aoki et al., 1982). [25] Желатин разрезают с помощью фотолитографии и затем окрашивают. Аоки показывает, что использовалась схема CYWG, где фильтр G перекрывал фильтры Y и C.

Фильтрующие материалы зависят от производителя. [26] Адамс и др. состояние «Несколько факторов влияют на конструкцию CFA. Во-первых, отдельные фильтры CFA обычно представляют собой слои пропускающих (абсорбирующих) органических или пигментных красителей. Обеспечение того, чтобы красители имели правильные механические свойства, такие как простота нанесения, долговечность и устойчивость к влажности. и другие атмосферные напряжения - сложная задача. В лучшем случае это затрудняет точную настройку спектральной чувствительности ».

Учитывая, что CFA наносятся на поверхность датчика изображения в BEOL (задний конец линии, более поздние этапы производственной линии интегральных схем ), где должен строго соблюдаться низкотемпературный режим (из-за низкой температуры плавления Металлизированные алюминиевые «проволоки» и подвижность подложки легирующих добавок, имплантированных в объемный кремний), органические вещества будут предпочтительнее стекла. С другой стороны, некоторые CVD-процессы с оксидом кремния представляют собой низкотемпературные процессы. [27]

Ocean Optics показало , что их запатентованный дихроичный фильтр CFA процесс (чередование тонких пленок из ZnS и Криолита ) может быть применено к спектроскопическому CCDs. [28] Gersteltec продает фоторезисты , обладающие свойствами цветных фильтров. [29]

Некоторые молекулы пигментов и красителей, используемые в CFA [ править ]

В USP №4808501 Карл Чиулли ссылается на использование 5 химикатов, три из которых - CI # 12715, AKA Solvent Red 8; Solvent Yellow 88; и CI # 61551, Solvent Blue 36. В USP # 5,096,801 Koya et al. , компании Fuji Photo Film, перечислили около 150-200 химических структур, в основном азокрасители и пиразолон-диазенил, но не смогли указать химические названия, номера реестра CAS или номера цветовых индексов.

Оптически эффективная реализация CFA [ править ]

Накамура [1] предоставляет схематические и библиографические элементы, иллюстрирующие важность микролинз , их f-число и взаимодействие с матрицами CFA и CCD . [30] Далее предлагается краткое обсуждение антиотражающих пленок [31], хотя работа Дженесика [32], по- видимому, больше касается взаимодействия фотона с кремнием. Ранние работы по микролинзам [33] и камерам с тремя ПЗС / призмами [34] подчеркивают важность полностью интегрированного проектного решения для CFA. камера Система в целом извлекает выгоду из тщательного рассмотрения технологий CFA и их взаимодействия с другими свойствами датчиков.

Электронная бумага CFA [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Накамура, Джуничи (2005). Датчики изображения и обработка сигналов для цифровых фотоаппаратов . CRC Press. ISBN 978-0-8493-3545-7.
  2. ^ «Цветовая коррекция для датчиков изображения» (PDF) . Решения для датчиков изображения: Примечание по применению . Редакция 2.0. Кодак. 27 октября 2003 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ Сравнение спектрального отклика Nikon D70 и Canon 10D , Christian Buil.
  4. ^ Су-Ук Чан; Ын-Су Ким; Сунг-Хак Ли; Кю-Ик Сон (2005). Адаптивная колориметрическая характеристика цифровой камеры с балансом белого . Конспект лекций по информатике . 3656 . Springer. С. 712–719. DOI : 10.1007 / 11559573_87 . ISBN 978-3-540-29069-8.
  5. ^ "Основы цифровой фотографии # 003:" Цветоделение " " . Цифровое фото глубинки .[ постоянная мертвая ссылка ]
  6. Перейти ↑ Thomas Kreis (2006). Справочник по голографической интерферометрии: оптические и цифровые методы . Wiley-VCH. ISBN 3-527-60492-8.
  7. ^ "Sony выпускает многослойный CMOS-датчик изображения для смартфонов с самыми высокими в отрасли 48 эффективными мегапикселями" . Sony Global - штаб-квартира Sony в мире . Проверено 16 августа 2019 .
  8. ^ «Как Tetracell доставляет кристально чистые фотографии днем ​​и ночью | Глобальный веб-сайт Samsung Semiconductor» . www.samsung.com . Проверено 16 августа 2019 .
  9. ^ «Выпуски продуктов | Новости и события | OmniVision» . www.ovt.com . Проверено 16 августа 2019 .
  10. ^ "Часть 4: Не-Bayer CFA, Фазовый автофокус (PDAF) | TechInsights" . techinsights.com . Проверено 16 августа 2019 .
  11. ^ "108Mp ISOCELL Bright HM1 от Samsung обеспечивает более яркие изображения сверхвысокого разрешения с помощью первой в отрасли технологии, отличной от других производителей" . news.samsung.com . Проверено 14 февраля 2020 .
  12. ^ a b "Файлы RAW | imatest" . Проверено 2021 января .
  13. ^ «Подключение датчиков красного / прозрачного цвета к процессорам ADSP-BF609® Blackfin (EE-358)» (PDF) .
  14. ^ "Датчик | imatest" . Проверено 2021 января .
  15. ^ a b «Канал изображений IISS для альтернативных форматов CFA» (PDF) .
  16. ^ Заявка на патент США 20050231618
  17. ^ Миллер Харрис Р. (1999). Конли, Уилл (ред.). «Матрица цветных фильтров для датчиков изображения CCD и CMOS с использованием химически усиленного, термически отвержденного, предварительно окрашенного фоторезиста положительного тона для литографии 365 нм» . Труды SPIE . Достижения в технологии и обработке резиста XVI. Международное общество оптической инженерии. 3678 (2): 1083–1090. Bibcode : 1999SPIE.3678.1083M . DOI : 10.1117 / 12.350159 . ISSN 0277-786X . 
  18. ^ «Завод по производству микроэлектроники, Гонконгский университет науки и технологий» . Архивировано из оригинала на 2011-07-21. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  19. ^ a b Theuwissen, Альберт (1995). Твердотельное изображение с помощью устройств с зарядовой связью . Kluwer Academic Publishers. ISBN 978-0-7923-3456-9.
  20. ^ Исикава; и другие. (1981). «Воспроизведение цвета однокристальной цветной камерой с ПЗС-матрицей с покадровым переносом». Журнал IEEE по твердотельным схемам . 16 (2): 101–103. Bibcode : 1981IJSSC..16..101I . DOI : 10.1109 / JSSC.1981.1051549 .
  21. ^ Такидзава; и другие. (1983). "Цветная телевизионная камера CCD с полевой интеграцией, использующая метод частотного перемежения". IEEE Transactions on Consumer Electronics (3): 358–364. DOI : 10.1109 / TCE.1983.356322 .
  22. ^ a b Кноп и Морф (август 1985 г.). «Новый класс шаблонов цветового кодирования мозаики для однокристальных камер». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 32 (8): 1390–1395. Bibcode : 1985ITED ... 32,1390K . DOI : 10,1109 / Т-ED.1985.22134 .
  23. ^ Диллон; и другие. (Февраль 1978 г.). «Система формирования цветных изображений с использованием единой матрицы ПЗС». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 25 (2): 102–107. Bibcode : 1978ITED ... 25..102D . DOI : 10,1109 / Т-ED.1978.19046 .
  24. ^ Танака; и другие. (1990). "Цветная однокристальная ПЗС-камера HDTV". IEEE Transactions on Consumer Electronics . 36 (3): 479–485. DOI : 10.1109 / 30.103163 .
  25. ^ Аоки; и другие. (1982). "Одночиповый цветной формирователь изображений MOS формата 2/3 дюйма". Транзакции IEEE на электронных устройствах . 29 (4): 745–750. Bibcode : 1982ITED ... 29..745A . DOI : 10,1109 / Т-ED.1982.20772 .
  26. ^ Адамс; и другие. (1998). «Обработка цвета в цифровых фотоаппаратах» (PDF) . IEEE Micro . 18 (6): 20–31. DOI : 10.1109 / 40.743681 .
  27. ^ Сяо (2001). Введение в производство полупроводников .
  28. ^ "Запатентованная матрица дихроичных фильтров технология нанесения покрытий с рисунком" . Океанская оптика. Архивировано из оригинала на 2008-12-04 . Проверено 17 ноября 2008 .
  29. ^ "Швейцарские функциональные продукты фотоэпоксидной смолы SU-8" . Gersteltec Engineering Solutions . Архивировано из оригинала на 2010-10-10 . Проверено 1 ноября 2010 .
  30. ^ Агранов; и другие. (Январь 2003 г.). «Исследование перекрестных помех и микролинз в цветном датчике изображения CMOS». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 50 (1): 4–11. Bibcode : 2003ITED ... 50 .... 4A . DOI : 10.1109 / ted.2002.806473 . ISSN 0018-9383 . 
  31. ^ Мураками; и другие. (Август 2000 г.). «Технологии повышения фоточувствительности и снижения напряжения затвора VOD для датчиков изображения CCD». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 47 (8): 1566–1572. Bibcode : 2000ITED ... 47.1566M . DOI : 10.1109 / 16.853032 .
  32. ^ Janesick, Джеймс (2001). Научные устройства с зарядовой связью . ШПИОН. ISBN 0-8194-3698-4.
  33. ^ Ishihara, Y .; Танигаки, К. (1983). «Высокочувствительный датчик изображения IL-CCD с линзами из монолитной пластмассы». 1983 Международное совещание по электронным устройствам . С. 497–500. DOI : 10.1109 / IEDM.1983.190552 .
  34. ^ Мурата; и другие. (1983). «Разработка 3-МОП цветной камеры». SMPTE Journal . 92 (12): 1270–1273. DOI : 10,5594 / J04214 .