Optoelektronické senzory • • • • •
Optron Optický senzor Detektor spektrální koherence Senzory se CCD prvky Foveon systém
Optron • obsahuje generátor světla (LED) a detektor • optické prostředí • změna prostředí ⇒ změna podmínek pro přenos signálu ⇒ lze dekovat
Optický senzor Detektor spektrální koherence • generátor světla (IR diody, polovodičový laser) • snímač (Fototranzistor na bázi GaAs/AlGaAs s filtrem) • zrcadlo nad detektorem je ovládáno obvody ⇒ měnit vzdálenost až do 5 µm planární optické senzory a detektory detekce ⇒ chemických látek
Senzory se CCD prvky • • • •
matici fototranzistorů ⇒ ucelený obraz objeveny 1969 v Bellových laboratořích Charge-Coupled Device fotony vyrazí z buňky určité množství elektronů vyražených slabším nebo mocnějším množstvím fotonů, přicházejících z méně nebo více osvětleného snímaného obrazu. Vygenerované elektrony vytváří elektrický náboj v buňkách.
CCD senzor kapacitor • realizovaný technologií MOS • elektrody kapacitoru jsou transparentní, tvořeny dobře vodivým polykrystalickým křemíkem na straně příchodu fotonů a vrstvou Si (P, N) na straně odvrácené • dielektrikum je vrstva SiO2 (potenciálová jáma) – zachycuje elektrony ⇒ asi 40 tisíc elektronů na ploše 9 x 9 µm Φ
SiO2
Polykrystalický transparentní Si
hν
-
Ochuzená vrstva
+
P
CCD senzor PN přechod • spočívá ve vytvoření ochuzené vrstvy v prostoru přechodu • přenos náboje z buňky se provádí registrem • transport náboje v objemu polovodiče ⇒ registry CID (Charge Injection Device) Φ
N -
hν
Ochuzená vrstva
hν
+ P
CCD senzor • dopad světla → velikost elektrického náboje → převedena na napětí převodníkem A/D → číselná hodnota ve dvojkové soustavě • dnes se užívají vylepšené prvky zesilující intenzitu světla – ICCD (Intensified CCD) – EMCCD (Electron-Multiplying CCD)
CCD senzor • CCD prvky převádí snímaný obraz na elektrický signál. • obraz je tvořen z bodů (pixelů) ⇒ jeden čip (1/3 – 2“) může obsahovat 1 – 5 miliónů CCD senzorů. • náboj v buňkách se měří (skenuje) po řadách. • měří intenzitu světla ⇒ pouze černobílý obraz.
Jak získat barevný obraz? • ke každé buňce je vytvořen filtr • základní barvy RGB (červená, zelená, modrá) • každá trojice je ve vzájemném poměru schopna vyjádřit libovolnou barvu spektra • buňky se organizují do čtveřic → zelený filtr je obsažen dvakrát. • velikost elektrického náboje závisí na intenzitě i barevném složení • procesor takto získá první informace o barevné teplotě paprsků, dopadajících na jednotlivé buňky CCD
Metoda vyhodnocování čtveřic • procesor vyhodnocuje informaci z 9 čtveřic • vyhodnocování 1 čtveřice → 2 čtveřice (2 buňky jsou společné s první čtveřicí) → atd. • postupně se vyhodnotí čtyři úplné čtveřice (9 CCD buněk) → hodnoty pro čtyři barevné pixely • Informace z každé buňky se posuzuje několikrát vzhledem k jejím sousedům. 1 2 • krajní buňky nelze, obrázek nemá tolik pixelů, kolik je buněk na CCD čipu
3
4
Zpracování informací ze CCD • čtení náboje - buňky jsou proloženy pomocnými registry ( prokládaný „interlaced“ sken) • náboj → buňka → pomocný registry → hlavní registr → zesilovač → A/D převodník → procesor • FTD (Frame Transfer Device) – náboje přecházejí najednou do přenosového registru náboje (Charge Shift Register) → pak je CCD prvek opět přichystaný k další expozici • FTD CCD prvky jsou dražší, mají lepší zobrazovací schopnosti
SuperCCD • lidské oko citlivěji vnímá vertikály a horizontály, než diagonály (úhlopříčky) → struktura CCD posunuta o 45 stupňů • umožnilo stisknout prvky více k sobě – rozlišení se jeví 1.6 až 2.3 krát větší • SuperCCD obsahuje mikročočky → vyšší citlivost → rychlejší načítání informace (rychlost 30 snímků za vteřinu ve velikém rozlišení)
Foveon systém • Nový revoluční obrazový senzor Foveon X3 • senzory jsou ve třech vrstvách nad sebou s postupným filtrem RGB ⇒ světlo o různé vlnové délce proniká do různé hloubky křemíkových vrstev • všechny tři barevné kanály jsou kompletní, bez interpolace
