В цифровых изображениях матрица цветных фильтров ( CFA ) или мозаика цветных фильтров ( CFM ) представляет собой мозаику крошечных цветных фильтров, размещенных над пиксельными датчиками датчика изображения для захвата информации о цвете .
Этот термин также используется в отношении электронных бумажных устройств, где он означает мозаику крошечных цветных фильтров, размещенных над панелью дисплея с оттенками серого для воспроизведения цветных изображений.
Цветные фильтры необходимы, поскольку типичные фотодатчики определяют интенсивность света с небольшой специфичностью длины волны или вообще без нее и, следовательно, не могут отделить информацию о цвете. [1] Поскольку датчики изготовлены из полупроводников , они подчиняются физике твердого тела .
Цветовые фильтры фильтруют свет по диапазону длин волн, так что отдельные отфильтрованные значения интенсивности включают информацию о цвете света. Например, фильтр Байера (показанный на изображении) дает информацию об интенсивности света в красном, зеленом и синем (RGB) диапазонах длин волн. Необработанные данные изображения, полученные датчиком изображения, затем преобразуются в полноцветное изображение (с интенсивностью всех трех основных цветов , представленных в каждом пикселе) с помощью алгоритма демозаики , адаптированного для каждого типа цветового фильтра. Спектральный коэффициент пропускания элементов CFA вместе с алгоритмом демозаики совместно определяют цветопередачу. [2] Квантовая эффективность полосы пропускания датчика и диапазон спектральных откликов CFA обычно шире, чем видимый спектр , поэтому можно различить все видимые цвета. Ответы фильтров обычно не соответствуют функциям сопоставления цветов CIE , [3] поэтому требуется преобразование цвета для преобразования значений тристимула в общее абсолютное цветовое пространство . [4]
Датчик Foveon X3 использует другую структуру: пиксель использует свойства мультипереходов для установки синих, зеленых и красных датчиков друг на друга. Такое расположение не требует алгоритма демозаики, поскольку каждый пиксель содержит информацию о каждом цвете. Дик Меррилл из Foveon различает эти подходы как «вертикальный цветовой фильтр» для Foveon X3 и «латеральный цветовой фильтр» для CFA. [5] [6]
Матрица RGBW (красная, зеленая, синяя, белая) представляет собой CFA, включающую «белые» или прозрачные фильтрующие элементы, позволяющие фотодиоду реагировать на все цвета света; то есть некоторые клетки являются «панхроматическими», и большая часть света обнаруживается, а не поглощается, по сравнению с матрицей Байера. Сугияма подал заявку на патент на такое устройство в 2005 году. [16] Kodak объявила о нескольких патентах RGBW CFA в 2007 году, каждый из которых обладает тем свойством, что, когда панхроматические ячейки игнорируются, оставшиеся ячейки с цветовой фильтрацией располагаются таким образом, что их данные могут быть обрабатываться стандартным алгоритмом демозаики Байера .
Матрица CYGM (голубой, желтый, зеленый, пурпурный) — это CFA, который использует в основном вторичные цвета , опять же, чтобы позволить большему количеству падающего света обнаруживаться, а не поглощаться. Другие варианты включают матрицы CMY и CMYW.
Диазонафтохинон (ДНХ) — новолачный фоторезист — это один из материалов, используемых в качестве носителя для изготовления цветных фильтров из цветных красителей или пигментов. Существует некоторая интерференция между красителями и ультрафиолетовым светом, необходимая для правильного экспонирования полимера, хотя решения этой проблемы были найдены. [17] Иногда используются цветные фоторезисты с химическими обозначениями CMCR101R, CMCR101G, CMCR101B, CMCR106R, CMCR106G и CMCR106B. [18]
В нескольких источниках [1] [19] обсуждаются другие конкретные химические вещества, соответствующие оптические свойства и оптимальные процессы производства матриц цветных фильтров.
Например, Накамура сказал, что материалы для встроенных в кристалл матриц цветных фильтров делятся на две категории: пигменты и красители . CFA на основе пигментов стали доминирующим вариантом, поскольку они обеспечивают более высокую термостойкость и светостойкость по сравнению с CFA на основе красителей. В любом случае легко доступны материалы толщиной до 1 микрометра. [1]
Теувиссен говорит: «Раньше цветной фильтр изготавливался на отдельной стеклянной пластине и приклеивался к ПЗС-матрице (Исикава 81), но в настоящее время все одночиповые цветные камеры оснащены имидж-сканером, в кристалл которого встроен цветной фильтр (Диллон 78), а не как гибрид». [19] Он предоставляет библиографию, посвященную количеству, типам, эффектам наложения спектров , муаровым узорам и пространственным частотам поглощающих фильтров.
Некоторые источники указывают, что CFA может быть изготовлен отдельно и прикреплен после изготовления датчика, [20] [21] [22], в то время как в других датчиках CFA изготавливается непосредственно на поверхности тепловизора. [22] [23] [24] Теувиссен не упоминает материалы, используемые при производстве CFA.
По крайней мере, в одном из первых примеров встроенной конструкции использовались желатиновые фильтры (Aoki et al., 1982). [25] Желатин разделяют на секции с помощью фотолитографии и затем окрашивают. Аоки сообщает, что использовалась схема CYWG, при этом фильтр G перекрывал фильтры Y и C.
Фильтрующие материалы зависят от производителя. [26] Адамс и др. заявить: «На конструкцию CFA влияет несколько факторов. Во-первых, отдельные фильтры CFA обычно представляют собой слои пропускающих (поглощающих) органических или пигментных красителей. Обеспечение правильных механических свойств красителей, таких как простота применения, долговечность и устойчивость к влажности. и другие атмосферные воздействия — сложная задача. Это в лучшем случае затрудняет точную настройку спектральной чувствительности».
Учитывая, что CFA осаждаются на поверхность датчика изображения на БЭОЛ (задний конец линии, последующие этапы линии производства интегральных схем ), где необходимо жестко соблюдать низкотемпературный режим (из-за низкой температуры плавления металлизированные алюминиевые «провода» и подвижность подложки легирующих примесей, имплантированных в объем кремния), органика будет предпочтительнее стекла. С другой стороны, некоторые процессы CVD оксида кремния являются низкотемпературными процессами. [27]
Ocean Optics указала, что их запатентованный процесс CFA дихроичного фильтра (чередование тонких пленок ZnS и криолита ) может быть применен к спектроскопическим ПЗС-матрицам. [28] Gersteltec продает фоторезисты , обладающие свойствами цветного фильтра. [29]
В патенте США № 4808501 Карл Чиулли упоминает использование пяти химикатов, три из которых: CI №12715, также известный как Solvent Red 8; Растворитель Желтый 88; и CI #61551, Solvent Blue 36. В USP #5096801 Koya et al. из компании Fuji Photo Film перечисляют около 150-200 химических структур, в основном азокрасители и пиразолоно-диазенил, но не приводят химических названий, номеров реестра CAS или номеров индекса цвета.
Накамура [1] представляет схемы и библиографические элементы, иллюстрирующие важность микролинз , их диафрагменное число и взаимодействие с матрицами CFA и CCD . [30] Далее предлагается краткое обсуждение антиотражающих пленок, [31] хотя работа Янесика [32] , по-видимому, больше касается взаимодействия фотонов с кремнием. Ранние работы по микролинзам [33] и камерам с тремя ПЗС /призмами [34] подчеркивают важность полностью интегрированного конструктивного решения для CFA. Система камер в целом выигрывает от тщательного рассмотрения технологий CFA и их взаимодействия с другими свойствами датчиков.
Существует три основных метода воспроизведения цвета на электронных бумажных дисплеях. В одном из них используются микросферы с различными пигментами, например трехпигментные дисплеи Spectra с ограниченным цветовым диапазоном или более точная четырехпигментная электронная бумага Advanced Color, оба от E Ink . Недостатком этого метода является часто низкая частота обновления, поскольку при использовании нескольких пигментов дисплей должен выполнять обновление для каждого пигмента. Как и в случае с единицами шкалы серого, после обновления дисплея устройству не требуется питание для сохранения изображения на экране.
Второй распространенный метод использует типичный дисплей на электронной бумаге в оттенках серого за прозрачным цветным слоем. Цветовой слой представляет собой CFA на основе ЖК-дисплея . При отображении изображений в оттенках серого устройство работает с собственным разрешением, например 300 пикселей на дюйм (PPI). Однако из-за CFA разрешение устройства при отображении цветного изображения падает, скажем, до 100 PPI. [35] Когда отображаемое изображение состоит как из цветной, так и из черно-белой части, например, когда страница книги содержит как простой текст, так и цветную фотографию, некоторые устройства для электронных книг могут отображать фотографию с уменьшенным разрешением, в то время как текст в обычном разрешении. Поскольку CFA основан на ЖК-дисплее, для работы CFA требуется постоянная мощность и он потребляет больше энергии.
Третий метод, как и в ClearInk, использует CFA, состоящий из переднего слоя лунок с полусферическими днищами над слоем жидкости, содержащей черные заряженные сферы. Когда сферы находятся вдали от полушарий, полушария ярко отражают свет из-за полного внутреннего отражения . Когда черные сферы приближаются к полушариям, количество отражений падает. Частота обновления видеоверсий этих устройств достаточна для воспроизведения видео (33 Гц на устройстве по сравнению с 25 Гц для телевидения PAL или 29,97 Гц для телевидения NTSC ). Для работы им требуется больше энергии, чем обычному дисплею E Ink, но гораздо меньше, чем ЖК-дисплею. [36]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )