Фото-датчик

Фото-датчикабоФотодатчик, або Фотосенсор— це світлочутливий квантовий пристрій (Датчик або сенсор (від англ. sensor або чутливий), що складається з головного елемента Фотоелектричної матриці, корпусу з монтажними проводами (див. рис.1), місцями кріплення та приєднання, призначений для перетворення спроектованого на матрицю оптичного зображення в електричний сигнал та його сканування.[1] [2]

Датчик- це термін систем управління, первинний перетворювач, елемент вимірювального, сигнального, регулюючого або керуючого пристрою системи, що перетворює контрольовану величину в зручний для використання сигнал або електричний імпульс. [3]
Фото-датчик- це світлочутливий квантовий пристрій, що складається з головного елемента Фотоелектричної матриці, призначеної для перетворення спроектованого на матрицю оптичного зображення електричний сигнал і його сканування.
Фото-електричний датчик- це пристрій для виявлення відстані, відсутність або присутність об'єкта за допомогою системи світлової передачі та фотоелектричним приймачем (фото-електричним датчиком), наприклад, детектором (див. рис.1).

Зміст

Фото-датчики (Фотосенсори) класифікуються в залежності від фотоматриць.

Основні елементи фотоматриць (див. рис.3) - Фотодіоди пікселі - приймачі видимих променів оптичного зображення. Коли фотон поглинається пікселем, він генерує електронно-діркові пари. Коли електрон потрапляє в електричне поле між шарами, будуть зметені позитивно заряджені н-шари, де можуть бути виведені у зовнішній ланцюг (дроти). Фотопотік пропорційний яскравості, з якою діод горить. Такимчином він визначає та передає інформацію, що являє собою оптичне зображення. Він робить це шляхом перетворення змінної згасання світлових хвиль (як вони проходять або відбиваються від предметів) на сигнали, в невеликі сплески струму, які передають інформацію. Хвилями можуть бути світло чи інше електромагнітне випромінювання. Датчики зображення використовуються в електронних пристроях обробки зображень як аналогового, так і цифрового типів, включаючи цифрові камери, модульні камери, медичну візуалізацію при роботі обладнання, обладнанні нічного бачення, наприклад, в тепловізійних приладах, радарах, сонарі та інших. Цифрова обробка зображень, зазвичай, служить заміни аналогових зображень, одержуваних, наприклад, під час роботи з фотоплівками, фотопластинками тощо.

Фотосенсори відрізняються

Залежно від шарування розташування фотодіодів у фотоматрицях:

У фотосенсорах ПЗЗ-сенсор(CCD), КМОП-сенсор(CMOS) одношарове розташування фотодіодів у фотоматриці;
У фотосенсорах Foveon X3-сенсор, 3CCD-сенсор багатошарове розташування фотодіодів у фотоматриці;

Залежно від наявності світлофільтрів, що накривають фотодіоди у фотоматрицях:

У фотосенсорах Foveon X3-сенсор відсутні світлофільтри у фотоматриці, де фотодіоди (пікселі) розташовані в трьох шарах стовпцями по три типи фотоплівок.
У трисойних фотосенсорах 3CCD-сенсор – триматричний фотосенсор на базі дихроїчної призми, де одношарові одноколірні RGB фотоматриці.

В даний час в основному в цифровій фотографії експлуатуються:

Фотосенсор ПЗЗ (CCD) [4] - з електронною схемою послідовного зчитування сигналів предметних точок оптичного зображення,спроектованого на фотодатчик.
Фотосенсор КМОП (CMOS) [5][6] — з електронною схемою оцифрування сигналів предметних точок оптичного зображення, спроектованого на фотодатчик — на Датчик зображення (датчик-сенсор від англ. sensor, звідки фотосенсор).
Фотосенсор Foveon X3-сенсор[7] — з електронною схемою обробки сигналів предметних точок оптичного зображення, спроектованого на фотодатчик у режимах ПЗЗ або КМОП . Він відрізняється від ПЗЗ і КМОП відсутністю фільтрів Байєра (RGB) і будовою фотодіода. Фотодіод є трирівневим напівпровідником, що сприймає колірний сигнал зображення предметної точки RGB в режимі роботи кольорової фотоплівки одним пікселем послідовно — синій, зелений, червоний. Принцип фотосенсора Foveon X3-сенсор в аналоговому режимі [8] забезпечує отримання оцифрованого зображення близького до оригіналу. [9] [10] .
3CCD-сенсор - триматричний фотосенсор на базі дихроїчної призми [11] [12] .

Фотоелектричний датчик або (англійською-фотосенсор) (як єдиний термін) у світових ЗМІ використовується у всіх сферах діяльності в тому числі і цифрової фотографії як застосування світлочутливих матеріалів (фотоматеріалів). Матриця (фото) - основний елемент Фотоелектричного датчика, що представляє матрицю (напівкродниковий матеріал з кремнію), що складається з фотодіодів, накритих мікролінзами і т.д., яка вбудовується як основний елемент фотодачік. Вона являє собою пластину прямокутної форми з фотодіодами (частіше квадратної форми) з розмірами сторін близько 9 мкм. При цьому по периметру матриці розташовані фотодіоди, що не працюють, в центрі - працюючі фотодіоди або пікселі.

Розгляд матеріалів окремо (матриць та фотодатчиків) дає можливістьрозвантажити обсяг основних статей і докладніше їх висвітлювати.

З цього часу розпочався розвиток фотодатчиків різного типу на основі ПЗЗ фотодатчика.

У Байєрівській схемі кожен піксель матриці накритий світлофільтром одного з кольорів складових RGB. Дана схема мозаїчного світлофільтра має позначення наприклад, RGGB (red-green-green-blue, червоний-зелений-зелений - синій).

Фотосенсори за способом кольору зображень розрізняються:

Спеціальні фотосенсори застосовуються:

Фотодатчики для відображення нагрітих об'єктів;
Фотодатчики для створення багатоспектральних зображень;
Фотодатчики для гама камер;
Фотодатчики чутливі до рентгенівських випромінювань;
Спеціальні високочутливі фотодатчики для космічних спостережень; [19]

ПЗЗ-сенсор за технологією ПЗЗ чи CCD; [20][21]
КМОП-сенсор з технології КМОП або (CMOS); [22]
RGBW-сенсори або (CFAK, де "K" скор. - Kodak) ;
Foveon X3-сенсор; [23]
3CCD-сенсори та ін [24] [25]

Розмір фотодатчика (матриці (фото) вимірюється по діагоналі, у частках дюйма (4/3", 2/3", 1/1,8", 1/2,2") для кадру 4:3. У кадрі 3:2 реальна діагональ дорівнює приблизно 2/3 на відміну від зазначеної кадру 4:3.

Стандарт кадру 4:3 застосовується у аматорських цифрових фотоапаратах, стандарт кадру 3:2 застосовується у дзеркальних цифрових фотоапаратах. (Деякі дзеркальні фотокамери налаштовуються на розмір 4:3)

Завдяки невеликим лінійним розмірам фотодатчика (матриці) об'єктиви таких камер менші та легші. [26] [27]

В даний час типорозміри фотосенсорів та їх матриці за своєю чутливістю приблизно зрівнялися. Однак великі фотосенсори (та їх матриці) дзеркальних фотокамер маютьвищої ISO, що дозволяє здатністю і фотографічної широтою.

1/2,5" чи 1/2,7" , тобто. 5,27×3,96 мм (співвідношення сторін 4:3) використовуються у більшості камер із не змінною оптикою.

1/1,8", співвідношення сторін 4:3

Фотосенсори з їх матрицями розміру 1/1,8", тобто 5,32×7,18 мм, використовуються в більшості компактних камер з незмінною оптикою.

Фотодатчики (їх матриці) розміру 2/3", тобто 6,6×8,8 мм, іноді використовуються в дорогих компактних камерах з незмінною оптикою.

Фотосенсори (та їх матриці) розміру 4/3", тобто 13,5×18 мм

Стандарт 4/3 розроблений компаніями Olympus, Кодак та кількома іншими. Переслідувалися цілі зниження вартості виробництва, ваги камер та об'єктивів. Зараз (2007) камери з фотодатчиками (матрицями) такого формату виробляють фірми Олімпус і Панасонік.

Фотосенсори DX (матриці), APS-C формату 22.3 x 14.9 мм (CMOS sensor Canon)

має співвідношення сторін 3:2 але кадр можна налаштувати зі співвідношенням сторін 4:3.

Фотосенсори (та їх матриці) таких розмірів найчастіше зустрічаються у цифрових дзеркальних фотоапаратах. Вони відповідають «напівкадра» 35 мм кадру.

Переважна більшість аматорських, напівпрофесійних і навіть професійних камер використовують фотодатчики з матрицями такого розміру через те, що вони відносно дешеві у виробництві і при цьому розмір пікселя залишається досить великим навіть при роздільній здатності більше 12 мегапікселів.

APS-H формат, 27×18 мм, співвідношення сторін 3:2
Повнокадровий фотосенсор із матрицею формату 36×24 мм із співвідношенням сторін 3:2 або повнокадровий фотосенсор (36×24 мм) відповідає класичному 35 мм кадру (3:2). На ринку представлено вже багато моделей фотоапаратівз фотосенсором із матрицею такого розміру (фірмами: Canon, Nikon, Kodak, Sigma, Sony). Такі фотосенсори дорогі та складні у виробництві.

Середньоформатний фотосенсор із матрицею 60×45 мм має співвідношення сторін 3:2.

Фотосенсори з мптрицами таких розмірів зшиваються з матриць меншого розміру, що позначається на їх вартості. Застосовуються у дорогих камерах.

Закони геометричної оптики визначають залежність ГРІП від фізичного розміру матриці. Тести після зйомок трьома фотоапаратами з різним фізичним розмірами фотосенсорів з однаковою кількістю пікселів одного і того ж об'єкта під одним і тим же кутом зору, одним і тим же значенням діафрагми налаштованих об'єктивів і оброблених з цією технологією показали: ГРИП на знімку, зробленому фотоапаратом з найбільшою матрицею буде найбільшою (більше предметів у кадрі буде показано різко), а фотоапарат з найменшою матрицею покаже найменшу ГРІП (предмети не в зоні різкості будуть сильніше розмиті).

У деяких фотоапаратах, наприклад Pentax K10D, K100D, Sony A100, A200, A700, проблему зйомки з рук при недостатньому освітленні інженери вирішили за допомогою зміщення фотосенсора відповідно до показань вбудованого гіроскопів або акселерометрів. Таким чином, стабілізація зображення у фотоапаратах працює з усіма об'єктивами, незалежно від вбудованої стабілізації зображення у них. [28] [29]