Färgfilter array - Color filter array
I digital avbildning är en färgfilteruppsättning ( CFA ), eller färgfiltermosaik ( CFM ), en mosaik av små färgfilter placerade över pixelsensorerna i en bildsensor för att fånga färginformation .
Termen används också med hänvisning till e-pappersanordningar där det betyder en mosaik av små färgfilter placerade över gråskalans displaypanel för att återge färgbilder.
Bildsensoröversikt
Färgfilter behövs eftersom de typiska fotosensorerna detekterar ljusintensitet med liten eller ingen våglängdsspecificitet och därför inte kan separera färginformation. Eftersom sensorer är gjorda av halvledare , följer de fasta tillståndets fysik .
De färg filter filtrerar ljuset genom våglängdsområdet, så att de separata filtrerade intensitet innehålla information om färgen på ljuset. Exempelvis ger Bayer-filtret (visas till höger) information om ljusintensiteten i röda, gröna och blå (RGB) våglängdsområden. Den råa bilddata som fångas av bildsensorn konverteras sedan till en fullfärgsbild (med intensiteter för alla tre primära färger representerade vid varje pixel) av en demosaiseringsalgoritm som är skräddarsydd för varje typ av färgfilter. Den spektrala transmittansen av CFA-elementen tillsammans med demosaiseringsalgoritmen bestämmer gemensamt färgåtergivningen. Sensorns passband kvanteffektivitet och spänn av CFA: s spektrala svar är typiskt bredare än den synliga spektrumet och därför är alla synliga färger kan urskiljas. Svaren från filtren motsvarar vanligtvis inte CIE- färgmatchningsfunktionerna , så en färgöversättning krävs för att konvertera tristimulusvärdena till ett gemensamt, absolut färgutrymme .
Den Foveon X3 sensorn använder en annan struktur så att en pixel utnyttjar egenskaperna hos multi korsningar att stapla blå, gröna och röda sensorer ovanpå varandra. Detta arrangemang kräver ingen demosaiseringsalgoritm eftersom varje pixel har information om varje färg. Dick Merrill från Foveon utmärker tillvägagångssätten som "vertikalt färgfilter" för Foveon X3 kontra "lateralt färgfilter" för CFA.
Lista över färgfilterarrayer
| Bild | namn | Beskrivning | Mönsterstorlek (pixlar) |
|---|---|---|---|
|
Bayer-filter | Mycket vanligt RGB- filter. Med en blå, en röd och två gröna. | 2 × 2 |
|
RGBE-filter | Bayer-liknande med ett av de gröna filtren modifierade till "smaragd"; används i några Sony-kameror. | 2 × 2 |
|
RYYB-filter | En röd, två gul och en blå; | 2 × 2 |
|
CYYM-filter | En cyan, två gula och en magenta; används i några Kodak-kameror. | 2 × 2 |
|
CYGM-filter | En cyan, en gul, en grön och en magenta; används i några kameror. | 2 × 2 |
|
RGBW Bayer | Traditionell RGBW som liknar Bayer och RGBE mönster. | 2 × 2 |
|
RGBW # 1 | Tre exempel RGBW-filter från Kodak, med 50% vita. ( Se Bayer-filter # modifieringar ) | 4 × 4 |
|
RGBW # 2 | ||
|
RGBW # 3 | 2 × 4 | |
|
X-Trans | Fujifilm- specifikt RGB- matrisfilter , med ett stort mönster, studerat för att minska Moiré-effekten . | 6 × 6 |
| Quad Bayer | Liknar Bayer-filter, dock med 4x blått, 4x rött och 8x grönt.
Används av Sony , även känd som Tetracell av Samsung och 4-cell av OmniVision . |
4 × 4 | |
| RYYB Quad Bayer | Liknar Quad Bayer-filter, men med RYYB istället för RGGB. dvs. 4x blå, 4x röd och 8x gul.
Används först i Leica-kamerasensorn på smartphones i Huawei P30- serien. |
||
| Nonacell | Liknar Bayer-filter, dock med 9x blått, 9x rött och 18x grönt. | 6 × 6 | |
.svg)
|
RCCC | Används inom fordonsindustrin. En monokrom sensor önskas för maximal känslighet, med den röda kanalen som krävs för intressanta områden som trafikljus och bakljus. | 2x2 |
|
RCCB | Används inom fordonsindustrin. Liknar Bayer-sensorn förutom att de gröna pixlarna är klara, vilket ger mer känslighet för svagt ljus och mindre brus. | 2x2 |
RGBW-sensor
En RGBW-matris (från rött, grönt, blått, vitt) är en CFA som innehåller "vita" eller transparenta filterelement som gör att fotodioden kan svara på alla ljusfärger. det vill säga vissa celler är "pankromatiska" och mer av ljuset detekteras snarare än absorberas jämfört med Bayer-matrisen. Sugiyama ansökte om patent på ett sådant arrangemang 2005. Kodak meddelade flera RGBW CFA-patent 2007, som alla har egenskapen att när de panchromatiska cellerna ignoreras, är de återstående färgfiltrerade cellerna ordnade så att deras data kan behandlas med en vanlig Bayer- demosaiseringsalgoritm .
CYGM-sensor
En CYGM-matris (cyan, gul, grön, magenta) är en CFA som använder mestadels sekundära färger , igen för att tillåta att mer av det infallande ljuset upptäcks snarare än absorberas. Andra varianter inkluderar CMY- och CMYW-matriser.
Tillverkning av bildsensorn CFA
Diazonaphthoquinone (DNQ) - novolac fotoresist är ett material som används som bärare för framställning av färgfilter från färgfärger eller pigment. Det finns viss störning mellan färgämnena och det ultravioletta ljuset som behövs för att korrekt exponera polymeren, även om lösningar har hittats för detta problem. Färgfotoresister som ibland används inkluderar de med kemiska monikrar CMCR101R, CMCR101G, CMCR101B, CMCR106R, CMCR106G och CMCR106B.
Några källor diskuterar andra specifika kemiska ämnen, närmar sig optiska egenskaper och optimala tillverkningsprocesser för färgfilterarrayer.
Till exempel sa Nakamura att material för färgfiltermatriser på chipet faller i två kategorier: pigment och färgämne . Pigmentbaserade CFA har blivit det dominerande alternativet eftersom de erbjuder högre värmebeständighet och ljusmotstånd jämfört med färgbaserade CFA. I båda fallen är tjocklekar upp till 1 mikrometer lätt tillgängliga.
Theuwissen säger "Tidigare tillverkades färgfiltret på en separat glasplatta och limmades på CCD (Ishikawa 81), men nuförtiden är alla färgkameror med en chip försedda med en bildkamera som har färgfiltret bearbetat på chip (Dillon 78) och inte som en hybrid. " Han tillhandahåller en bibliografi med fokus på antal, typer, aliaseffekter , moiremönster och rumsliga frekvenser hos de absorberande filtren.
Vissa källor indikerar att CFA kan tillverkas separat och anbringas efter att sensorn har tillverkats, medan andra sensorer har CFA tillverkad direkt på bildytan. Theuwissen nämner inte de material som används vid CFA-tillverkning.
Åtminstone ett tidigt exempel på design på chip använde gelatinfilter (Aoki et al., 1982). Gelatinet sektioneras via fotolitografi och färgas därefter. Aoki avslöjar att ett CYWG-arrangemang användes, med G-filtret som en överlappning av Y- och C-filtren.
Filtermaterial är tillverkarspecifika. Adams et al. tillstånd "Flera faktorer påverkar CFA: s design. För det första är de enskilda CFA-filtren vanligtvis lager av transmissiva (absorberande) organiska färgämnen eller pigmentfärger. Säkerställer att färgämnena har rätt mekaniska egenskaper - såsom enkel applicering, hållbarhet och motståndskraft mot fuktighet och andra atmosfäriska påfrestningar - är en utmanande uppgift. Detta gör det i bästa fall svårt att finjustera spektralkänsligheten. ".
Med tanke på att CFA: erna deponeras på bildsensorytan vid BEOL (den bakre änden av linjen, de senare stadierna av tillverkningslinjen för den integrerade kretsen ), där ett lågtemperatursregime måste följas styvt (på grund av den låga "metalltrådar" av aluminium och substratets rörlighet för dopmedlen implanterade i bulk-kislet) skulle organiska ämnen föredras framför glas. Å andra sidan är vissa CVD-kiseloxidprocesser processer med låg temperatur.
Ocean Optics har angett att deras patenterade dikroiska filter CFA-process (alternerande tunna filmer av ZnS och Cryolite ) kan appliceras på spektroskopiska CCD: er. Gersteltec säljer fotoresister som har färgfilteregenskaper.
Vissa pigment- och färgämnesmolekyler som används i CFA
I USP nr 4,808,501 citerar Carl Chiulli användningen av 5 kemikalier, varav tre är CI # 12715, AKA Solvent Red 8; Lösningsmedelsgul 88; och Cl # 61551, Solvent Blue 36. I USP # 5 096 801 Koya et al. , från Fuji Photo Film-företaget, listar cirka 150-200 kemiska strukturer, huvudsakligen azofärgämnen och pyrazolon-diazenyl, men ger inte kemiska namn, CAS-registernummer eller färgindexnummer.
Optiskt effektiv CFA-implementering
Nakamura tillhandahåller schematiska och bibliografiska objekt som illustrerar vikten av mikrolinser , deras f-nummer och samspelet med CFA- och CCD- arrayen. Vidare erbjuds en kort diskussion om antireflexfilmer, även om Janesicks verk verkar mer handlar om foton-kiselinteraktion. Tidigt arbete med mikrolinser och på tre-CCD / prismakameror betonar vikten av en helt integrerad designlösning för CFA. Det kamerasystemet som helhet gynnas av noggrant övervägande av CFA-teknik och deras samspel med andra sensor egenskaper.
E-papper CFA
Det finns tre primära metoder för att återge färg på pappersdisplayer. Man använder mikrosfärer i olika pigment, till exempel det begränsade färgområdet tre pigment Spectra-skärmar eller mer trogen fyrpigment Advanced Color ePaper, båda av E Ink . Denna metod lider av ofta långsamma uppdateringsfrekvenser, eftersom displayen måste utföra uppdateringar för varje pigment med flera pigment. Precis som med gråskalsenheter behöver enheten inte ström för att hålla bilden på skärmen efter att skärmen har uppdaterats.
Den andra vanliga metoden, som i E Ink Kaleido, använder en typisk gråskala e-pappersdisplay bakom ett transparent färgskikt. Färgskiktet är en LCD- baserad CFA. När du visar bilder i gråskala kör enheten med sin ursprungliga upplösning, till exempel 300 pixlar per tum (PPI). Men på grund av CFA sjunker enhetens upplösning när färgbilder visas, säg till 100 PPI. När bilden som ska visas består av både en färgad och en svartvitt sektion, till exempel när en boksida innehåller vanlig text såväl som ett färgfoto, kan vissa e-bokenheter visa bilden med reducerad upplösning medan texten är vid den normala upplösningen. Eftersom CFA är LCD-baserad kräver CFA konstant ström för att köra och använder mer energi.
Den tredje metoden, som i ClearInk, använder en CFA bestående av ett främre lager av brunnar med halvklotiska bottnar ovanför ett lager av vätska som innehåller svarta laddade kulor. När sfärerna är borta från halvklotet reflekterar halvklotet starkt på grund av total inre reflektion . När de svarta sfärerna flyttas nära halvklotet sjunker reflektionsmängden. Uppdateringsfrekvensen på videoversioner av dessa enheter är tillräckligt snabb för videouppspelning (33 Hz på enheten, jämfört med 25 Hz för PAL- TV eller 29,97 Hz för NTSC- TV). De kräver mer energi för att fungera än en vanlig E-bläckdisplay men mycket mindre än en LCD-baserad skärm.