Tablica filtrów kolorów

Mozaika filtrów kolorów firmy Bayer. Każda submozaika dwa na dwa zawiera 2 zielone, 1 niebieski i 1 czerwony filtr, z których każdy obejmuje jeden czujnik pikseli .

W obrazowaniu cyfrowym matryca filtrów kolorów ( CFA ) lub mozaika filtrów kolorów ( CFM ) to mozaika maleńkich filtrów kolorów umieszczonych nad czujnikami pikseli czujnika obrazu w celu przechwytywania informacji o kolorze .

Termin ten jest również używany w odniesieniu do urządzeń e-papierowych , gdzie oznacza mozaikę maleńkich kolorowych filtrów umieszczonych na panelu wyświetlacza w skali szarości w celu odtworzenia kolorowych obrazów.

Omówienie czujnika obrazu

Filtry kolorów są potrzebne, ponieważ typowe fotoczujniki wykrywają natężenie światła z niewielką specyficznością długości fali lub bez niej , a zatem nie mogą oddzielić informacji o kolorze. Ponieważ czujniki są wykonane z półprzewodników , podlegają fizyce ciała stałego .

Filtry kolorów filtrują światło według zakresu długości fal, tak że oddzielne filtrowane natężenia zawierają informacje o kolorze światła. Na przykład filtr Bayera (pokazany na obrazku) dostarcza informacji o natężeniu światła w obszarach długości fali czerwonego, zielonego i niebieskiego (RGB). Surowe dane obrazu przechwycone przez czujnik obrazu są następnie konwertowane na obraz w pełnym kolorze (z intensywnością wszystkich trzech kolorów podstawowych reprezentowanych w każdym pikselu) za pomocą algorytmu demozaikowania , który jest dostosowany do każdego typu filtra kolorów. Widmowa transmitancja elementów CFA wraz z algorytmem demozaikowania wspólnie określają odwzorowanie kolorów. Wydajność kwantowa pasma przepustowego czujnika i zakres odpowiedzi widmowych CFA są zwykle szersze niż widmo widzialne , dzięki czemu można rozróżnić wszystkie widoczne kolory. Reakcje filtrów na ogół nie odpowiadają funkcjom dopasowywania kolorów CIE , więc do przekształcenia wartości trójchromatycznych we wspólną, bezwzględną przestrzeń kolorów wymagana jest translacja kolorów .

Czujnik Foveon X3 wykorzystuje inną strukturę, tak że piksel wykorzystuje właściwości wielu złączy do układania czujników niebieskiego, zielonego i czerwonego jeden na drugim. To ustawienie nie wymaga algorytmu demozaikowania, ponieważ każdy piksel zawiera informacje o każdym kolorze. Dick Merrill z Foveon rozróżnia podejścia jako „pionowy filtr kolorów” dla Foveon X3 i „boczny filtr kolorów” dla CFA.

Lista tablic filtrów kolorów

Obraz	Nazwa	Opis	Rozmiar wzoru (w pikselach)
	Filtr Bayera	Bardzo popularny filtr RGB . Z jednym niebieskim, jednym czerwonym i dwoma zielonymi.	2×2
	filtr RGBE	Podobny do Bayera z jednym z zielonych filtrów zmodyfikowanym na „szmaragdowy”; stosowany w kilku aparatach Sony.	2×2
	filtr RYYB	Jeden czerwony, dwa żółte i jeden niebieski;	2×2
	Filtr CYYM	Jeden cyjan, dwa żółte i jeden magenta; stosowany w kilku aparatach firmy Kodak.	2×2
	Filtr CYGM	Jeden cyjan, jeden żółty, jeden zielony i jeden magenta; stosowany w kilku aparatach.	2×2
	RGBW Bayer	Tradycyjne RGBW podobne do wzorców Bayer i RGBE.	2×2
	RGBW nr 1	Trzy przykładowe filtry RGBW firmy Kodak, z 50% bielą. ( Zobacz filtr Bayera#Modyfikacje )	4×4
	RGBW #2
	RGBW #3		2×4
	X-Trans	Specyficzny dla Fujifilm filtr matrycowy RGB z dużym wzorem, badany pod kątem zmniejszania efektu mory .	6×6
	Quad Bayera	Podobny do filtra Bayera, jednak z 4x niebieskim, 4x czerwonym i 8x zielonym. Używany przez Sony , znany również jako Tetracell przez Samsung i 4-ogniwowy przez OmniVision .	4×4
	RYYB Quad Bayer	Podobny do filtra Quad Bayer, ale z RYYB zamiast RGGB. tj. 4x niebieski, 4x czerwony i 8x żółty. Po raz pierwszy zastosowany w czujniku aparatu Leica w smartfonach z serii Huawei P30 .
	Nonacell	Podobny do filtra Bayera, jednak z 9x niebieskim, 9x czerwonym i 18x zielonym.	6×6
	RCCC	Stosowany w przemyśle motoryzacyjnym. Aby uzyskać maksymalną czułość, wymagany jest czujnik monochromatyczny , z kanałem czerwonym wymaganym dla obszarów zainteresowania, takich jak sygnalizacja świetlna i światła tylne.	2x2
	RCCB	Stosowany w przemyśle motoryzacyjnym. Podobny do czujnika Bayera, z wyjątkiem tego, że zielone piksele są wyraźne, co zapewnia większą czułość przy słabym oświetleniu i mniej szumów.	2x2

czujnik RGBW

Matryca RGBW (od czerwonego, zielonego, niebieskiego, białego) to CFA, który zawiera „białe” lub przezroczyste elementy filtrujące, które pozwalają fotodiodzie reagować na wszystkie kolory światła; to znaczy, niektóre komórki są „panchromatyczne” i więcej światła jest wykrywane niż absorbowane w porównaniu z macierzą Bayera. Sugiyama złożył wniosek o patent na taki układ w 2005 roku. Kodak ogłosił kilka patentów RGBW CFA w 2007 roku, z których wszystkie mają tę właściwość, że gdy komórki panchromatyczne są ignorowane, pozostałe komórki z filtrem kolorów są ułożone w taki sposób, że ich dane mogą być przetwarzane z standardowy algorytm demozaikowania firmy Bayer .

czujnik CYGM

Matryca CYGM (cyjan, żółty, zielony, magenta) to CFA, który wykorzystuje głównie kolory drugorzędne , ponownie w celu umożliwienia wykrycia większej ilości padającego światła, a nie absorpcji. Inne warianty obejmują matryce CMY i CMYW.

Produkcja przetwornika obrazu CFA

Diazonaftochinon (DNQ) - fotorezyst nowolakowy jest jednym z materiałów stosowanych jako nośnik do wytwarzania kolorowych filtrów z barwników lub pigmentów. Istnieje pewna interferencja między barwnikami a ultrafioletowym potrzebnym do prawidłowego naświetlenia polimeru, chociaż znaleziono rozwiązania tego problemu. Czasami używane kolorowe fotomaski obejmują te z chemicznymi pseudonimami CMCR101R, CMCR101G, CMCR101B, CMCR106R, CMCR106G i CMCR106B.

Kilka źródeł omawia inne określone substancje chemiczne, związane z właściwościami optycznymi i optymalnymi procesami produkcji kolorowych matryc filtrów.

Nakamura powiedział na przykład, że materiały do ​​układów filtrów kolorów na chipie dzielą się na dwie kategorie: pigment i barwnik . CFA na bazie pigmentów stały się dominującą opcją, ponieważ oferują wyższą odporność na ciepło i światło w porównaniu z CFA na bazie barwników. W obu przypadkach łatwo dostępne są grubości do 1 mikrometra.

Theuwissen mówi: „Wcześniej filtr kolorowy był wytwarzany na osobnej szklanej płytce i przyklejany do matrycy CCD (Ishikawa 81), ale obecnie wszystkie jednoukładowe kamery kolorowe są wyposażone w przetwornik obrazu, który ma przetworzony filtr kolorów na chipie (Dillon 78), a nie jako hybryda”. Dostarcza bibliografię skupiającą się na liczbie, typach, efektach aliasingu , wzorach mory i częstotliwościach przestrzennych filtrów absorpcyjnych.

Niektóre źródła podają, że CFA można wyprodukować oddzielnie i zamocować po wyprodukowaniu czujnika, podczas gdy w innych czujnikach CFA jest wytwarzany bezpośrednio na powierzchni kamery. Theuwissen nie wspomina o materiałach użytych do produkcji CFA.

Przynajmniej jeden wczesny przykład konstrukcji na chipie wykorzystywał filtry żelatynowe (Aoki i in., 1982). Żelatyna jest dzielona na sekcje za pomocą fotolitografii , a następnie barwiona. Aoki ujawnia, że ​​zastosowano układ CYWG, z filtrem G będącym nakładaniem się filtrów Y i C.

Materiały filtracyjne są specyficzne dla danego producenta. Adamsa i in. stan „Kilka czynników wpływa na konstrukcję CFA. Po pierwsze, poszczególne filtry CFA są zwykle warstwami przepuszczalnych (absorpcyjnych) barwników organicznych lub pigmentowych. Zapewnienie, że barwniki mają odpowiednie właściwości mechaniczne - takie jak łatwość aplikacji, trwałość i odporność na wilgoć i inne naprężenia atmosferyczne - to trudne zadanie. Utrudnia to w najlepszym razie precyzyjne dostrojenie odpowiedzi widmowych.

Biorąc pod uwagę, że CFA są osadzane na powierzchni czujnika obrazu w BEOL (tylny koniec linii, późniejsze etapy linii produkcyjnej układów scalonych ), gdzie należy bezwzględnie przestrzegać reżimu niskich temperatur (ze względu na niską temperaturę topnienia aluminium metalizowane „przewody” i mobilność substratu domieszek wszczepionych w masę krzemu), substancje organiczne byłyby preferowane w stosunku do szkła. Z drugiej strony, niektóre procesy CVD z tlenkiem krzemu są procesami niskotemperaturowymi.

Firma Ocean Optics poinformowała, że ​​ich opatentowany proces CFA z filtrem dichroicznym (naprzemienne cienkie warstwy ZnS i Cryolite ) można zastosować do spektroskopowych matryc CCD. Gersteltec sprzedaje fotomaski , które posiadają właściwości filtrowania kolorów.

Niektóre cząsteczki pigmentu i barwnika stosowane w CFA

W USP nr 4 808 501 Carl Chiulli cytuje zastosowanie 5 substancji chemicznych, z których trzy to CI nr 12715, AKA Solvent Red 8; rozpuszczalnikowy żółty 88; i CI nr 61551, Solvent Blue 36. W USP nr 5 096 801 Koya i in. , firmy Fuji Photo Film, wymieniają około 150-200 struktur chemicznych, głównie barwników azowych i pirazolon-diazenyl, ale nie podają nazw chemicznych, numerów rejestru CAS ani numerów indeksu kolorów.

Optycznie wydajna implementacja CFA

Nakamura przedstawia schemat i pozycje bibliograficzne ilustrujące znaczenie mikrosoczewek , ich liczbę f oraz wzajemne oddziaływanie z macierzą CFA i CCD . Ponadto przedstawiono krótką dyskusję na temat filmów przeciwodblaskowych, chociaż praca Janesicka wydaje się bardziej dotyczyć interakcji foton-krzem. Wczesne prace nad mikrosoczewkami i kamerami z trzema matrycami CCD /pryzmatami podkreślają znaczenie w pełni zintegrowanego rozwiązania projektowego dla CFA. System kamer jako całość korzysta z uważnego rozważenia technologii CFA i ich interakcji z innymi właściwościami czujnika.

E-papier CFA

Istnieją trzy podstawowe metody odtwarzania kolorów na wyświetlaczach e-papierowych. Wykorzystuje się mikrokulki w różnych pigmentach, takich jak ograniczony zakres kolorów wyświetlaczy Spectra z trzema pigmentami lub bardziej wierny czteropigmentowy papier Advanced Color ePaper, oba firmy E Ink . Ta metoda ma często niską częstotliwość odświeżania, ponieważ w przypadku kilku pigmentów wyświetlacz musi przeprowadzać odświeżanie dla każdego pigmentu. Podobnie jak w przypadku jednostek skali szarości, po aktualizacji wyświetlacza urządzenie nie wymaga zasilania, aby utrzymać obraz na ekranie.

Druga powszechna metoda wykorzystuje typowy e-papierowy wyświetlacz w skali szarości za przezroczystą warstwą koloru. Warstwa koloru to CFA oparty na LCD . Podczas wyświetlania obrazów w skali szarości urządzenie działa w swojej natywnej rozdzielczości, na przykład 300 pikseli na cal (PPI). Jednak ze względu na CFA rozdzielczość urządzenia spada podczas wyświetlania kolorowych obrazów, powiedzmy do 100 PPI. Kiedy wyświetlany obraz składa się zarówno z części kolorowej, jak i czarno-białej, na przykład gdy strona książki zawiera zarówno zwykły tekst, jak i kolorowe zdjęcie, niektóre urządzenia z książkami elektronicznymi mogą wyświetlać zdjęcie w zmniejszonej rozdzielczości, podczas gdy tekst jest w normalnej rozdzielczości. Ponieważ CFA jest oparty na wyświetlaczu LCD, CFA wymaga stałej mocy do działania i zużywa więcej energii.

Trzecia metoda, podobnie jak w ClearInk, wykorzystuje CFA składające się z przedniej warstwy dołków z półkulistym dnem nad warstwą płynu zawierającą czarne naładowane kule. Kiedy kule są oddalone od półkul, półkule odbijają się jasno dzięki całkowitemu wewnętrznemu odbiciu . Kiedy czarne kule zbliżają się do półkul, ilość odbić spada. Częstotliwość odświeżania w wersjach wideo tych urządzeń jest wystarczająco duża do odtwarzania wideo (33 Hz na urządzeniu, w porównaniu z 25 Hz dla PAL lub 29,97 Hz dla telewizji NTSC ). Wymagają więcej energii do działania niż zwykły wyświetlacz E Ink, ale znacznie mniej niż wyświetlacz LCD.