Sensorer i digitalkameror Kretskort Minneskort Sensor
Detektorelement (pixel). Typisk storlek: 2-5 m Typiskt antal: 5-20M
Sensortyper i digitalkameror CCD (Charge Coupled Device) CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) CMOS: Låg strömförbrukning Låg tillverkningskostnad Sensor + kringelektronik på samma chip Lämplig för video och höghastighetsfoto CCD: Högre bildkvalitet Eller, så var det!? Utvecklingen har gjort prestanda mer likvärdiga
Typiska sensorstorlekar Kompaktkamera: 4.5 mm x 6.2 mm (10-20 Mpixel) Pixelstorlek ca. 1.5 m x 1.5 m Systemkamera: 16 mm x 24 mm (16-24 Mpixel) eller 24 mm x 36 mm (16-36 Mpixel) Pixelstorlek från ca. 5 m x 5 m upp till 7.5 m x 7.5 m Antal Mpixlar inte bra kvalitetsmått Sensorstorlek bra kvalitetsmått!
CCD: Pixel = Photogate Foton + Tunnfilmselektrod (transparent) Utarmningsvolym - - + E Kiseldioxid (isolator) p-dopat kisel + Inget E-fält utanför utarmningsvolymen. Elektron/hål par som bildas här rekombinerar 0 + 0 0 + 0 Elektroder Tvärsnitt genom CCD SiO 2 p-dopat kisel Pixel 1 Pixel 2
0 + 0 Efter exponering ------- Total laddning är ett mått på exponering 0 + + Överföring av laddning - - - - - - - 0 0 + -------
CCD (Charge Coupled Device) Pixlar exponerade för ljus Utläsningsregister (täckta pixlar) Laddningsöverföring mellan pixlar. Utläsning en linje i taget. Till ADC (Analog-to- Digital Converter) Charge transfer efficiency typ. 0.999995
Uppgift 23 i exempelsamlingen En CCD är uppbyggd enligt figuren. 2000 pixlar 2000 pixlar (detektorelement) pixelvärde = 187 2000 pixlar Utläsningsregister (en rad med 2000 element) 2000 pixlar För att testa sensorns charge transfer efficiency, så exponeras den perfekt jämnt över hela ytan i en experimentuppställning. Den resulterande digitala bilden fick då ett utseende som visas till höger. Output pixelvärde = 200 Bestäm sensorns charge transfer efficiency (cte), dvs hur stor andel av laddningen som (i medeltal) överförs mellan två intilliggande detektorelement under utläsningen av data (ex: cte = 0.99 innebär att i medeltal 99 % av elektronerna överförs från ett element till nästa). Antag att ett pixelvärde i den digitala bilden är proportionellt mot den laddningsmängd som läses från motsvarande detektorelement. (OBS! Detta är en av få tentauppgifter där man måste ange många siffror i svaret)
Olika typer av CCD Ljuskänsliga pixlar Full frame Utläsningsregister Används huvudsakligen i vetenskaplig utrustning Interline transfer Buffer column Används i digitalkameror och videokameror. Exponering och datautläsning kan ske parallellt
Aktiv pixel i CMOS sensor Fotoner Infallande fotoner skapar laddning Laddning omvandlas till spänning lokalt i varje pixel Man kan utifrån styra vilka pixelvärden som ska läsas ut
CMOS: Snabbare än CCD. Används ofta för video (även höghastighetsvideo) Individuellt adresserbara pixlar. Full flexibilitet angående vilka pixelvärden som ska läsas ut. n Row select register (choice: n) m Column select register (choice: m) Output = pixel value (m,n)
ISO-tal = Ljuskänslighet Sensorns ISO-tal ligger vanligen i intervallet 100-200 (det är konstant!) Men i menyn kan man välja högre ISO, ofta uppåt 10 000 eller mer. (Sensorn underexponeras och efterföljande förstärkning ökas.) Högre ISO = mera brus! Ju större sensor-area desto högre ISO är användbart. ISO-skalan är linjär, dvs dubblering av ISO-talet betyder att hälften så hög exponering behövs.
Gammakorrektion Pixelvärde Med gammakorrektion (jpeg, tiff) Utan gammakorrektion (RAW-format) Exponering Gammakorrektion gör att vi klarar oss med färre bitar i den digitala signalen (t.ex. 8 bitar istället för 12) RAW format använder fler bitar och ingen gammakorrektion
Färgfotografering med elektroniska sensorer RGB färgmosaik Mer om färgfoto lite senare!
MOIRÉ-EFFEKTER pga PIXELLERING (vikningsdistorsion) På engelska: Aliasing DEMO!!
Exempel på moiré (From Wikipedia) Utan moiré Med moiré
Moiré-effekter kan vara vackra Orientalisk matta?
Linjemönster som blir tätare mot bildcentrum Nej, moiré på grund av pixellering
Hur man undviker moiré Minst två pixlar per mönsterperiod Nätt och jämnt uppfyllt här = Mönstrets ortsfrekvens (enhet m -1 or mm -1 ) s = Samplingfrekvens (antal pixlar per m eller mm) Samplingkriteriet: s > 2
Uppgift 33 i exempelsamlingen. I vissa digitalkameror finns så kallade antialiasing-filter för att man ska undvika, eller i varje fall minimera, moiré-effekter som kan uppstå på grund av att pixeltätheten är för låg. Undersök om det för nedanstående kamera behövs något antialiasing-filter eller om det är så att moiré-effekter inte kan uppstå. Kameran har en 10 Mpixel-sensor med dimensionerna 5.4 mm x 8.1 mm. Objektivets MTF ges av nedanstående kurva. MTF Ortsfrekvens i bildplanet (mm -1 )
MTF för elektroniska sensorer 1 MTF 0.8 Ideal sensor 0.6 0.4 Typisk verklig sensor 0.2 0 Nyquistfrekvens 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Ortsfrekvens. (perioder/pixel)!!! Detektor-element (pixel). Typiskt 2-8 m bredd 1 period/pixel 0.5 perioder/pixel Nyquistfrekvens = Högsta frekv. som kan registreras utan att ge moiré
Anti-aliasing filter (Finns i vissa kameror framför sensorn.) MTF Typisk sensor Sensor + Anti-aliasing filter OK Moiré Anti-aliasing filter Ortsfrekvens. (perioder/pixel) Resultat: Mycket mindre moiré-effekter (men dom försvinner inte helt) OCH filtret ger märkbart oskarpare bild