Matrice de filtre de culoare

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Salt la: Navigare, căutare
Mozaicul filtrelor de culoare Bayer. Fiecare submozaic doi-pe-doi conţine două filtre de verde, unul de albastru şi unul de roşu, fiecare acoperind un senzor de pixel.

În domeniul fotografiei, o matrice de filtre de culoare (MFC), sau mozaic de filtre de culoare, este un mozaic de mici filtre de culoare plasate peste senzorii pixel ai unui senzor de imagine pentru a capta informație despre culoare.

Filtrele de culoare sunt necesare deoarece senzorii foto tipici detectează intensitatea luminii cu specificitate a lungimii de undă scăzută sau inexistentă, și prin urmare nu pot separa informația culorii.[1] Din moment ce senzorii sunt făcuți din semiconductoare se supun fizicii stării solide.

Filtrele de culoare filtrează lumina în funcție de lungimea de undă, astfel încât intensitățile filtrate separate includ informații despre culoarea luminii. De exemplu, filtrul Bayer (afișat în dreapta) oferă informații despre intensitatea luminii în regiunile de lungimi de undă roșii, verzi și albastre (RVA). Datele brute ale imaginii captate de senzor sunt apoi convertite într-o imagine complet color (cu intensități ale tuturor celor trei culori primare reprezentate la fiecare pixel) de către un algoritm de demozaicare ce este croit pentru fiecare tip de filtru de culoare. Transmitanța spectrală a elementelor MFC alături de algoritmul de demozaicare determină împreună redarea culorilor.[2] Randamentul cuantic al benzii de trecere a senzorului și anvergura sensibilității spectrale a MFC-ului sunt în mod tipic mai largi decât spectrul vizibil, așadar se pot distinge toate culorile vizibile. Sensibilitatea filtrelor nu corespunde în general cu funcțiile de potrivire a culorii CIE,[3] deci se cere o traducere a culorii pentru a converti componentele tricromatice într-un spațiu de culoare absolut comun.[4]

Senzorul Foveon X3 folosește o structură diferită astfel încât un pixel utilizează proprietăți ale multijoncțiunilor pentru a îngrămădi senzori de albastru, verde și roșu unul peste altul. Acest aranjament nu necesită un algoritm de demozaicare deoarece fiecare pixel are informație despre fiecare culoare. Dick Merrill al Foveon distinge abordările ca „filtru de culoare vertical” pentru Foveon X3 contra „filtru de culoare lateral” pentru MFC.[5][6]

Listă a matricelor de filtre de culoare[modificare | modificare sursă]

Imagine Nume Descriere Mărimea șablonului (pixeli)
Şablon Bayer Filtru Bayer Filtru RVA foarte comun. Cu un albastru, un roșu și doi de verde. 2×2
Şablon RVAS Filtru RVAS Asemănător cu Bayer cu unul dintre filtrele de verde modificat în „smarald”; folosit în câteva camere Sony. 2×2
Şablon CGGM Filtru CGGM Un cyan, doi de galben, și un magenta; folosit în câteva camere ale Kodak. 2×2
Şablon CGVM Filtru CGVM Un cyan, un galben, un verde, și un magenta; folosit în câteva camere. 2×2
Şablon RVAa RVAa Bayer RVAa tradițional (roșu, verde, albastru, alb) similar cu șabloanele Bayer și RVAS. 2×2
Şablon RVAa RVAa #1 Trei exemple de filtre RVAa de la Kodak, cu 50% alb (vezi Filtru Bayer#Alternative) 4×4
Şablon RVAa RVAa #2
Şablon RVAa RVAa #3 2×4

MFC Bayer[modificare | modificare sursă]

O cerere pentru pantentare din 2005 reprezentând un aranjament de filtre ale senzorilor pentru roşu, verde, albastru şi „alb” menţionate aici ca „Filtre de culoare RVAa având şablonul Bayer”.

MFC Bayer este numită după inventatorul său, Dr. Bryce E. Bayer de la Eastman Kodak. Este realizată prin aplicația filtrelor de culoare peste fotodiodele folosite în senzori, camere, camere video și schenăre, pentru crearea imaginii color.

Senzor RVAa[modificare | modificare sursă]

O matrice RVAa, abreviere pentru Roșu, Verde, Albastru, alb (en. RGBW de la Red, Green, Blue, White), este o MFC care include elemente „albe” sau transparente ale filtrului care permit fotodiodei să fie sensibilă la toate culorile luminii; ceea ce înseamnă că, unele celule sunt „pancromatice”, și este detectată mai multă lumină, mai degrabă decât absorbită, în comparație cu matricea Bayer. Kodak a anunțat mai multe șabloane MFC RVAa în 2007, dintre care toate au proprietatea ca atunci când celulele pancromatice sunt ignorate, celulele fitrate de culoare rămase sunt aranjate în așa fel încât datele lor pot fi procesate cu un algoritm de demozaicare Bayer standard.

Senzor CGVM[modificare | modificare sursă]

O matrice CGVM, abreviere de la Cyan, Galben, Verde, Magenta (en. CYGM - Cyan, Yellow, Green, Magenta) este o MFC care folosește în mare parte culori secundare, din nou pentru a permite ca mai multă lumină incidentă să fie detectată mai degrabă decât absorbită. Alte variante includ matrice CMG (Cyan, Magenta, Galben) (en. CMY - Cyan, Magenta, Yellow) și CMGa (Cyan, Magenta, Galben, alb) (en. CMYW - Cyan, Magenta, Yellow, White).

Fabricarea MFC[modificare | modificare sursă]

Fotorezistul novolac-diazonaftochinonă (DNQ) este un material folosit ca solvent pentru realizarea filtrelor de culoare din coloranți. Există o anumită interferență între coloranți și lumina ultraviolet necesară pentru expunerea în mod corespunzător a polimerului, s-au găsit totuși soluții pentru această problemă.[7] Fotoreziști de culoare folosiți uneori îi includ pe cei cu poreclele chimice CMCR101R, CMCR101G, CMCR101B, CMCR106R, CMCR106G și CMCR106B.[8]

Câteva surse[1][9] discută despre alte substanțe chimice specifice, care prezintă proprietăți optice, și procese de fabricare optimă ale matricelor de filtre de culoare. De exemplu, Nakamura a spus că materialele pentru matricele de filtre de culoare pe-cip se împart în două categorii: pigment și colorant. MFC-urile bazate pe pigmenți au devenit opțiunea dominantă deoarece oferă o rezistență mai ridicată la cădură și lumină în comparație cu MFC-urile bazate pe coloranți. În ambele cazuri, grosimi ajungând până la 1 micrometru sunt ușor accesibile.[1]

Theuwissen spune „Anterior, filtrul de culoare era fabricat pe o plăcuță de sticlă separată și lipit pe DCS (Ishikawa 1981), dar în prezent, toate camerele color cu un singur cip sunt dotate cu un generator de imagini care are un fitru de culoare procesat pe-cip (Dillon, 1978) și nu ca un hibrid.”[9] Acesta furnizează o bibliografie concentrată pe numărul, tipurile, efectele de crenelare, șabloanele moarurilor și frecvențele spațiale ale filtrelor absorbante.

Unele surse indică faptul că MFC-ul poate fi fabricat separat și fixat după ce senzorul a fost fabricat,[10][11][12] în timp ce alți senzori au matricea de filtre de culoare fabricată direct pe suprafața generatorului de imagine.[12][13][14] Theuwissen nu face nicio mențiune în legătură cu materialele folosite în fabricarea MFC.

Cel puțin un exemplu timpuriu de proiectare pe-cip utiliza filtre de gelatină (Aoki et al., 1982).[15] Gelatina este secționalizată (împărțită în regiuni), prin intermediul fotolitografiei, și ulterior vopsită. Aoki dezvăluie că a fost folosit un aranjament CGAV (en. CYWG), cyan, galben, alb, verde, cu filtrul V (verde) fiind o suprapunere a filtrelor G (galben) și C (cyan).

Materialele filtrelor sunt specifice fabricanților.[16] Adams și colab. afirmă „Mai mulți factori influențează proiecția MFC. Mai întâi, filtrele MFC individuale sunt de odicei straturi de coloranți organici transmisivi (absorbanți) sau din pigmenți. Asigurarea că coloranții au proprietățile mecanice corecte—cum ar fi ușurința de aplicare, durabilitatea și rezistența la umezeală și alte intemperii—este o sarcină provocatoare. Aceasta creează dificultate, în cel mai bun caz, în reglarea fină a sensibilității spectrale.".

Dat fiind faptul că MFC-urile sunt depozitate pe suprafața senzorului de imagine la CPAL (capătul posterior al liniei, stagiile mai târzii de pe parcursul liniei de fabricație a circuitelor integrate), unde un regim al temperaturii scăzute trebuie observat cu strictețe (din cauza temperaturii joase de topire ale „firelor” metalizate cu aluminiu și mobilității de substrat a dopanților implantați înăuntrul siliconului vrac), organicele vor fi de preferat în locul sticlei. Pe de altă parte, unele procese DCV (depozitare chimică de vapori) a oxidului de siliciu sunt procese realizate la temperaturi scăzute.[17]

Ocean Optics a indicat că procesul MFC cu filtru dicroic patentat de ei (pelicule subțiri alternante de sulfură de zinc și criolit) pot fi aplicate DCS-urilor spectroscopice.[18] Gersteltec vinde fotoreziști care dețin proprietăți ale filtrelor de culoare.[19]

Câteva molecule de pigment și colorant folosite în MFC[modificare | modificare sursă]

În U.S.P.# 4,808,501, Carl Chiulli citează utilizarea a cinci chimicale, dintre care trei sunt C.I. #12715, cunoscut și ca Solvent Roșu 8; Solvent Galben 88; și C.I. # 61551, Solvent Albastru 36. În U.S.P. # 5,096,801 Koya și colab., de la compania Fuji Photo Film, listează în jur de 150-200 de structuri chimice, în mare parte coloranți azoici și pirazolon-diazenil, dar nu reușesc să furnizeze denumiri chimice, numere ale registrului CAS, sau numere ale indexului de culori.

Implementarea eficientă optic a MFC[modificare | modificare sursă]

Nakamura[1] furnizează un articol schematic și bibliografic ilustrând importanța microlentilelor, numărul f al acestora și interacțiunea cu MFC și matricea DSC.[20] Mai departe, este oferită o scurtă discuție despre peliculele anti-reflecție,[21] deși activitatea lui Janesick[22] pare a fi mai preocupată de interacțiunea foton – siliciu. Activitatea timpurie asupra microlentilelor[23] și camerelor trei-DCS/prismă[24] pun presiuni asupra importanței unei soluții de proiecție pe deplin integrate pentru MFC-uri. Sistemul aparatului de fotografiat, ca un întreg, beneficiază de considerație atentă din partea tehnologiilor MFC și interacțiunea lor cu alte proprietăți ale senzorilor.

Referințe[modificare | modificare sursă]

  1. ^ a b c d Nakamura, Junichi (2005). Image Sensors and Signal Processing for Digital Still Cameras (Senzori de imagine și procesara semnalelor pentru camere digitale fixe). CRC Press. ISBN 9780849335457. http://books.google.com/books?id=aaTyk2USX1MC&pg=PT80 
  2. ^ Color Correction for Image Sensors (Corecția culorii pentru senzorii de imagine)”. Image Sensor Solutions: Application Note (Soluții pentru senzorii de imagine: notă de aplicație). Kodak. 27 octombrie 2003. http://www.kodak.com/ezpres/business/ccd/global/plugins/acrobat/en/supportdocs/ColorCorrectionforImageSensors.pdf. 
  3. ^ Comparison of the spectral response of a Nikon D70 vs. Canon 10D (Comparația sensibilității spectrale a unui Nikon D70 contra unui Canon 10D), Christian Buil.
  4. ^ Soo-Wook Jang, Eun-Su Kim, Sung-Hak Lee, și Kyu-Ik Sohng (2005). Adaptive Colorimetric Characterization of Digital Camera with White Balance (Caracterizare colorimetrică adaptivă a camerei digitale cu balanță de alb). LNCS. 3656. Springer. pp. 712–719. doi:10.1007/11559573_87. ISBN 978-3-540-29069-8 
  5. ^ Digital Photography Essentials #003: "Color Separation" (Elemente de bază despre fotografia digitală #003: „Separația culorii”)”. Digital Outback Photo (Fotografia digitală din interior). http://www.outbackphoto.com/dp_essentials/dp_essentials_03/essay. 
  6. ^ Thomas Kreis (2006). Handbook of Holographic Interferometry: Optical and Digital digitale). Wiley-VCH. ISBN 3527604928. http://books.google.com/books?id=CNMPLjC0li8C&pg=PA77 
  7. ^ Miller Harris R. (1999). „Color filter array for CCD and CMOS image sensors using a chemically amplified, thermally cured, pre-dyed, positive-tone photoresist for 365 nm lithography (Matrice de filtre de culoare pentru CCD și senzori de imagine CMOS folosind un fotorezist cu ton pozitiv, amplificat chimic, tratat termic, pre-vopsit, pentru litografie de 365 nm)”. Proceedings of SPIE (Proceduri ale SPIE) (Societatea Internațională a Ingineriei Optice) 3678 (2): 1083–1090. doi:10.1117/12.350159. ISBN ISSN 0277-786X. http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=17387091. 
  8. ^ Microelectronics Fabrication Facility (Facilitatea fabricării microelectronicelor). Universitatea de Știință și Tehnologie din Hong Kong. http://www.mff.ust.hk/mffdoc/safety/msds.htm. 
  9. ^ a b Theuwissen, Albert (1995). Solid-State Imaging with charge coupled devices (Generarea de imagini în stare solidă cu dispozitive cu cuplaj de sarcină). Kluwer Academic Publishers. ISBN 079233566 
  10. ^ Ishikawa et al. (1981). „Color Reproduction of a Single Chip Color Camera with a Frame Transfer CCD” („Reproducerea culorii pe o cameră color cu un singur cip cu un DCS de transfer al cadrelor”. IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-16, No. 2, April 1981 
  11. ^ Takizawa et al. (1983). „Field Integration Mode CCD Color Television Camera Using Frequency Interleaving Method”. IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-29, No. 3, August 1983 
  12. ^ a b Knop and Morf (1985). „A New Class of Mosaic Color Encoding Patterns for Single-Chip Cameras”. IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-32, No. 8, August 1985 
  13. ^ Dillon et al. (1978). IEEE 
  14. ^ Tanaka et al. (1990). „HDTV Single-Chip CCD Color Camera” (Camera color TVÎD cu DCS cu un singur cip). IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-36, No. 3, August 1990 
  15. ^ Aoki et al. (1982). "2/3-Inch Format MOS Single-Chip Color Imager" („Generator de imagini color cu un singur cip MOS în format 2/3 țoli”). IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-29, No. 4, April 1982 
  16. ^ Adams et al. (1998). "Color Processing in Digital Cameras". IEEE Micro. 1998, Vol. 18, Issue 6. Pgs. 20-31. 
  17. ^ Xiao (2001). "Introduction to Semiconductor Manufacturing" („Introducere în fabricarea semiconductorilor”) 
  18. ^ Dichroic Filter Array Patented Patterned Coatings Technology (Tehnologia învelișurilor șablonate patentate ale matricei de filtre dicroice)”. Ocean Optics. http://www.oceanoptics.com/products//thinfilmsdfa.asp. 
  19. ^ Swiss made SU-8 Photoepoxy Functional Products (Produse funcționale fotoepoxidice SU-8 de fabricație elvețiană)”. Gersteltec Engineering Solutions (Soluții de inginerie ale Gersteltec). http://www.gersteltec.ch/SU-8-Functional. 
  20. ^ Agranov și colab. (1 ianuarie 2003). „Crosstalk and Microlens Study in a Color CMOS Image Sensor (Studiu asupra diafoniei și microlentilelor într-un senzor de imagine CMOS color)”. IEEE Transactions on Electron Devices (Tratative IEEE pe tema dispozitivelor electronice) 50 (1). ISBN 0018-9383. 
  21. ^ Murakami și colab. (2000). "Technologies to Improve Photo-Sensitivity and Reduce VOD Shutter Voltage for CCD Image Sensors" („Tehnologie pentru îmbunătățirea foto-senzitivității și reducerea voltajului obturatorului VOD pentru senzorii de imagine DCS”). IEEE Transactions on Electron Devices (Tratative IIEE pe tema dispozitivelor electronice), Vol. 47, Nr. 8, August 2000. ISBN 0018-9383 
  22. ^ Janesick, James (2001). Scientific Charge Coupled Devices (Dispozitive cu cuplaj de sarcină științifice). SPIE. ISBN 0819436984 
  23. ^ Ishihara și Tanigaki (1983). "A High Photosensitivity IL-CCD Image Sensor with Monolithic Resin Lens Array" („Un senzor de imagine DCS-IL de înaltă fotosenzitivitate cu matrice de lentile monolitice de rășină”). IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Technical Digest (Conferința Internațională pentru Dispozitive Electronice a IIEE. Publicație tehnică informativă). ISBN 0000-0497 
  24. ^ Murata și colab. (1983). "Development of a 3-MOS Color Camera" („Dezvoltarea unei camere color 3-MOS”). SMPTE Journal, Decembrie, 1983 

Vezi și[modificare | modificare sursă]