Внутренняя механика мобильных КМОП-сенсоров: фильтры Байера и фотодиодные ямы
Каждая цифровая фотография, сделанная смартфоном, создается вДополнительный датчик с активными пикселями металл-оксид-полупроводник (CMOS). Поверхность кремниевого сенсора состоит из миллионов микроскопических фотодиодных световых ям. Поскольку кремниевые фотодиоды по своей природе являются дальтониками (измеряют только общую интенсивность света), существует микроскопическая мозаичная матрица цветных фильтров, называемаяфильтр Байераприклеен к поверхности датчика в виде чередующегося рисунка50 % зеленого, 25 % красного и 25 % синего.микролинзы.
Световые фотоны хорошо ударяют каждый фотодиод, вытесняя электроны посредством фотоэлектрического эффекта и накапливая электрический заряд. Встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют этот заряд в 10-битные или 14-битные цифровые числа. Процессор сигналов изображения (ISP) демозаизирует эти необработанные значения RGB, выполняет многокадровое шумоподавление, тональное отображение и выводит чистые видеокадры со скоростью от 30 до 60 кадров в секунду.
Диагностика дефектов сенсора: битые пиксели, горячие пиксели и космическое излучение
В процессе производства полупроводников или вследствие естественного радиационного фона и термоциклирования в отдельных лунках фотодиода могут образовываться микродефекты:
- Битые пиксели (черные):Возникает, когда электрическое соединение фотодиода полностью выходит из строя или цепь пикселя замыкается на землю. Пиксель выдает нулевое напряжение независимо от падающего света и отображается как постоянное черное пятно.
- Горячие пиксели (ярко-красные, зеленые или синие):Вызвано дислокациями кристаллической решетки кремния, которые позволяют тепловой энергии создавать электронно-дырочные пары даже в абсолютной темноте (темновая утечка тока). Горячие пиксели становятся явно заметными при длительной выдержке или когда сенсор устройства нагревается во время продолжительной записи видео.
- Застрявшие пиксели:Возникает, когда транзистор остается заблокированным в открытом состоянии, насыщая АЦП и выдавая полную яркость (чистый белый или полный цвет RGB) во всех условиях освещения.
Вычитание темного кадра: научный стандарт аудита датчиков
В профессиональной астрофотографии и научной спектрометрии состояние датчиков проверяется с помощьювычитание темной рамки. Блокируя попадание всех падающих фотонов на датчик (затвор закрыт или объектив закрыт), любой сигнал, регистрируемый камерой, представляет собой чистый электронный тепловой шум и утечку фотодиода. Онлайн-сканер FlashSoft анализирует эти темные кадры с усиленным контрастом, чтобы обнаружить изолированные горячие пиксели, которые сигнализируют об ухудшении работы сенсора.