Farvefilter array - Color filter array
I digital billedbehandling er et farvefilterarray ( CFA ) eller farvefiltermosaik ( CFM ) en mosaik af små farvefiltre placeret over pixelsensorerne på en billedsensor for at indfange farveinformation .
Udtrykket bruges også med henvisning til e-papirindretninger , hvor det betyder en mosaik af små farvefiltre placeret over gråskalaens displaypanel for at gengive farvebilleder.
Oversigt over billedsensorer
Farvefiltre er nødvendige, fordi de typiske fotosensorer registrerer lysintensitet med ringe eller ingen bølgelængdespecificitet og derfor ikke kan adskille farveinformation. Da sensorer er lavet af halvledere , adlyder de solid-state fysik .
De farvede filtre filtrere lyset ved bølgelængdeområde, således at de separate filtrerede intensiteter indeholde oplysninger om farven af lys. For eksempel giver Bayer-filteret (vist til højre) oplysninger om lysintensiteten i røde, grønne og blå (RGB) bølgelængderegioner. De rå billeddata, der er fanget af billedsensoren, konverteres derefter til et fuldfarvebillede (med intensiteter af alle tre primære farver repræsenteret ved hver pixel) ved hjælp af en demosaiseringsalgoritme, der er skræddersyet til hver type farvefilter. Den spektrale transmission af CFA-elementerne sammen med demosaiseringsalgoritmen bestemmer i fællesskab farvegengivelsen. Sensorens passbånds kvanteeffektivitet og span af CFA's spektrale respons er typisk bredere end det synlige spektrum , så alle synlige farver kan skelnes. Svarene fra filtrene svarer generelt ikke til CIE- farvetilpasningsfunktionerne , så der kræves en farveoversættelse for at konvertere tristimulusværdierne til et fælles, absolut farveområde .
Den Foveon X3 sensor benytter en anden struktur, således at en pixel udnytter egenskaberne af multi-kryds at stable blå, grønne og røde sensorer oven på hinanden. Dette arrangement kræver ikke en demosaiseringsalgoritme, fordi hver pixel har information om hver farve. Dick Merrill fra Foveon skelner mellem fremgangsmåderne som "lodret farvefilter" for Foveon X3 versus "lateralt farvefilter" for CFA.
Liste over farvefilterarrays
| Billede | Navn | Beskrivelse | Mønsterstørrelse (pixels) |
|---|---|---|---|
|
Bayer-filter | Meget almindeligt RGB- filter. Med en blå, en rød og to grønne. | 2 × 2 |
|
RGBE filter | Bayer-lignende med et af de grønne filtre modificeret til "smaragd"; brugt i et par Sony-kameraer. | 2 × 2 |
|
RYYB filter | En rød, to gul og en blå; | 2 × 2 |
|
CYYM-filter | En cyan, to gule og en magenta; brugt i et par kameraer fra Kodak. | 2 × 2 |
|
CYGM-filter | En cyan, en gul, en grøn og en magenta; brugt i et par kameraer. | 2 × 2 |
|
RGBW Bayer | Traditionel RGBW svarende til Bayer og RGBE mønstre. | 2 × 2 |
|
RGBW # 1 | Tre eksempler på RGBW-filtre fra Kodak med 50% hvide. ( Se Bayer filter # Ændringer ) | 4 × 4 |
|
RGBW # 2 | ||
|
RGBW # 3 | 2 × 4 | |
|
X-Trans | Fujifilm- specifikt RGB-matrixfilter , med et stort mønster, undersøgt for faldende Moiré-effekt . | 6 × 6 |
| Quad Bayer | Svarende til Bayer-filter, dog med 4x blå, 4x rød og 8x grøn.
Brugt af Sony , også kendt som Tetracell af Samsung og 4-celle af OmniVision . |
4 × 4 | |
| RYYB Quad Bayer | Svarende til Quad Bayer-filter, men med RYYB i stedet for RGGB. dvs. 4x blå, 4x rød og 8x gul.
Først brugt i Leica-kamerasensoren på Huawei P30- seriens smartphones. |
||
| Nonacell | Svarende til Bayer-filter, dog med 9x blå, 9x rød og 18x grøn. | 6 × 6 | |
.svg)
|
RCCC | Anvendes i bilindustrien. En monokrom sensor ønskes for maksimal følsomhed, hvor den røde kanal kræves til områder af interesse såsom trafiklys og baglygter. | 2x2 |
|
RCCB | Anvendes i bilindustrien. Svarende til Bayer-sensoren, bortset fra at de grønne pixels er klare, hvilket giver mere følsomhed ved svagt lys og mindre støj. | 2x2 |
RGBW-sensor
En RGBW-matrix (fra rød, grøn, blå, hvid) er en CFA, der inkluderer "hvide" eller gennemsigtige filterelementer, der gør det muligt for fotodioden at reagere på alle lysfarver; det vil sige, at nogle celler er "panchromatic", og mere af lyset detekteres snarere end absorberes sammenlignet med Bayer-matrixen. Sugiyama indgav patent på et sådant arrangement i 2005. Kodak annoncerede flere RGBW CFA-patenter i 2007, som alle har den egenskab, at når de panchromatiske celler ignoreres, er de resterende farvefiltrerede celler arrangeret således, at deres data kan behandles med en standard Bayer- demosaiseringsalgoritme .
CYGM-sensor
En CYGM-matrix (cyan, gul, grøn, magenta) er en CFA, der for det meste bruger sekundære farver , igen for at tillade, at mere af det indfaldende lys opdages i stedet for at absorberes. Andre varianter inkluderer CMY- og CMYW-matricer.
Fremstilling af billedsensoren CFA
Diazonaphthoquinon (DNQ) - novolac fotoresist er et materiale, der bruges som bærer til fremstilling af farvefiltre fra farvefarver eller pigmenter. Der er en vis forstyrrelse mellem farvestofferne og det ultraviolette lys, der er nødvendigt for korrekt eksponering af polymeren, selvom der er fundet løsninger på dette problem. Farvede fotoresists, der undertiden anvendes, inkluderer dem med kemiske monikere CMCR101R, CMCR101G, CMCR101B, CMCR106R, CMCR106G og CMCR106B.
Et par kilder diskuterer andre specifikke kemiske stoffer, der deltager i optiske egenskaber og optimale fremstillingsprocesser for farvefilterarrays.
For eksempel sagde Nakamura, at materialer til on-chip farvefilterarrays falder i to kategorier: pigment og farvestof . Pigmentbaserede CFA'er er blevet den dominerende mulighed, fordi de tilbyder højere varmebestandighed og lysmodstand sammenlignet med farvestofbaserede CFA'er. I begge tilfælde er tykkelser på op til 1 mikrometer let tilgængelige.
Theuwissen siger "Tidligere blev farvefilteret fremstillet på en separat glasplade og limet til CCD (Ishikawa 81), men i dag er alle single-chip farvekameraer forsynet med en billedbehandling, der har farvefilteret behandlet på chip (Dillon 78) og ikke som en hybrid. " Han giver en bibliografi med fokus på antal, typer, aliaseffekter , moire- mønstre og rumlige frekvenser af de absorberende filtre.
Nogle kilder indikerer, at CFA kan fremstilles separat og anbringes, efter at sensoren er fremstillet, mens andre sensorer får CFA'en fremstillet direkte på billedets overflade. Theuwissen nævner ikke de anvendte materialer til CFA-fremstilling.
Mindst et tidligt eksempel på et on-chip design anvendte gelatinfiltre (Aoki et al., 1982). Gelatinen sektioneres via fotolitografi og farves derefter. Aoki afslører, at der blev anvendt et CYWG-arrangement, hvor G-filteret var en overlapning af Y- og C-filtrene.
Filtermaterialer er producentspecifikke. Adams et al. tilstand "Flere faktorer påvirker CFA's design. For det første er de enkelte CFA-filtre normalt lag af transmissive (absorberende) organiske farvestoffer eller pigmentfarver. Sikring af, at farvestofferne har de rigtige mekaniske egenskaber - som nem påføring, holdbarhed og modstandsdygtighed over for fugtighed og andre atmosfæriske belastninger - er en udfordrende opgave. Dette gør det i bedste fald vanskeligt at finjustere den spektrale respons. ".
I betragtning af at CFA'erne er deponeret på billedsensoroverfladen ved BEOL (bagenden af linjen, de senere faser af den integrerede kredsløbsproduktionslinje ), hvor en lavtemperaturregime skal overholdes stift (på grund af den lave smeltetemperatur i aluminiummetaliserede "ledninger" og substratmobiliteten af de dopanter, der er implanteret i bulk-silicium), ville organiske stoffer være foretrukket frem for glas. På den anden side er nogle CVD-siliciumoxidprocesser processer med lav temperatur.
Ocean Optics har indikeret, at deres patenterede dichroic filter CFA-proces (alternerende tynde film af ZnS og Cryolite ) kan anvendes til spektroskopiske CCD'er. Gersteltec sælger fotoresists, der har farvefilteregenskaber.
Nogle pigment- og farvestofmolekyler, der anvendes i CFA'er
I USP nr. 4.808.501 citerer Carl Chiulli brugen af 5 kemikalier, hvoraf tre er CI # 12715, AKA Solvent Red 8; Opløsningsmiddel gul 88; og CI # 61551, Solvent Blue 36. I USP # 5.096.801 Koya et al. fra Fuji Photo Film-firmaet opregner nogle 150-200 kemiske strukturer, hovedsageligt azofarvestoffer og pyrazolon-diazenyl, men leverer ikke kemiske navne, CAS-registreringsnumre eller farveindeksnumre.
Optisk effektiv CFA-implementering
Nakamura giver et skematisk og bibliografisk element , der illustrerer vigtigheden af mikrolinser , deres f-nummer og samspillet med CFA og CCD- arrayet. Derudover tilbydes en kort diskussion af antirefleksionsfilm, skønt Janesicks arbejde ser ud til at være mere optaget af foton-silicium-interaktion. Tidligt arbejde med mikrolinser og på tre-CCD / prisme-kameraer understreger vigtigheden af en fuldt integreret designløsning til CFA'er. Det kamera -system, som en helhed, nyder godt af en grundig gennemgang af CFA-teknologier og deres samspil med andre sensor egenskaber.
E-papir CFA
Der er tre primære metoder til at gengive farver på e-papirskærme. Man bruger mikrosfærer i forskellige pigmenter, såsom det begrænsede farveområde tre pigment Spectra-skærme eller mere trofast fire pigment Advanced Color ePaper, begge af E Ink . Denne metode lider ofte af langsomme opdateringshastigheder, da displayet skal udføre opdateringer for hvert pigment med flere pigmenter. Som med gråskalaenheder kræver enheden ikke strøm for at holde billedet på skærmen, når skærmen er opdateret.
Den anden almindelige metode, såsom i E Ink Kaleido, bruger en typisk gråskala e-papirvisning bag et gennemsigtigt farvelag. Farvelaget er en LCD- baseret CFA. Når der vises gråskalabilleder, kører enheden i sin oprindelige opløsning, for eksempel 300 pixels per tomme (PPI). Men på grund af CFA falder enhedens opløsning, når der vises farvebilleder, siger til 100 PPI. Når det billede, der skal vises, består af både en farvet og en sort og hvid sektion, for eksempel når en bogside indeholder almindelig tekst såvel som et farvefoto, kan nogle e-bogsenheder muligvis vise fotoet i den reducerede opløsning, mens teksten er ved den normale opløsning. Da CFA er LCD-baseret, kræver CFA konstant strøm til at køre og bruger mere energi.
Den tredje metode, som i ClearInk, bruger en CFA bestående af et forreste lag af brønde med halvkuglebunden over et væskelag indeholdende sorte ladede kugler. Når sfærerne er væk fra halvkuglerne, reflekterer halvkuglerne stærkt på grund af total intern refleksion . Når de sorte kugler flyttes tæt på halvkuglerne, falder refleksionsmængden. Opdateringshastigheden på videoversioner af disse enheder er hurtig nok til videoafspilning (33 Hz på enheden sammenlignet med 25 Hz for PAL- tv eller 29,97 Hz for NTSC- tv). De kræver mere energi til at fungere end en almindelig E Ink-skærm, men meget mindre end en LCD-baseret skærm.