Senzorul de imagine

În funcţie de tipul de senzor, modul de utilizare poate fi diferit. Cu toate acestea, îndeplineşte aceeaşi funcţie – converteşte fluxul de lumină care intră prin lentila în semnal electric, semnal care conţine în principal informaţiile despre luminozitatea imaginii înregistrate. În ciuda aparenţelor, tipul de senzor utilizat este de o foarte mare importanţă pentru calitatea imaginii de ieşire.

Fig. 1. Senzor de imagine de tip CMOS de la camera APTI-24C2-36W

De cele mai multe ori se utilizează două tipuri de senzori – CCD şi CMOS (fig. 2a şi 2b). Al doilea tip este tot mai des folosit la camerele industriale, datorită designului lor şi a oportunităţilor pe care le oferă. În schimb, senzori CCD sunt de obicei utilizaţi în camerele analogice, din ce în ce mai puţin populare, care funcţionează în standardul PAL. Mai jos vă prezentăm caracteristica şi regula de funcţionare a fiecăruia dintre senzori.

Fig. 2a. Senzor de tip CCD

Fig. 2b. Senzor de tip CMOS

Senzor CCD (Charge Coupled Device) – echipament cu sarcină cuplată.

În general, principiul de funcţionare al unui senzor CCD se bazează pe acumularea sarcinii electrice pe sectoarele corespunzătoare ale matricei senzorului, numite pixeli. Acest lucru se datorează fotonilor (luminii) care se încadrează pe pixelii individual izolaţi unul faţă de celălalt şi care fac ca aceştia să emită electroni (fig. 3). Un singur pixel poate fi prezentat ca şi un recipient în care se acumulează electronii noi creaţi. Cantitatea acestora este proporţională cu intensitatea luminii şi cu timpul de expunere (fig. 4).

În acest fel, datorită acumulării pe matrice a unui număr variabil de electroni, se creează o hartă, care – într-un anumit sens – este o reflectare a imagini văzute de către cameră. Trebuie menţionat că matricea senzorului surprinde doar intensitatea luminii, fără culori ale elementelor individuale ale unei imagini, care vor fi discutate în partea ulterioară a acestui document.

Procesul de scanare a numărului de electroni acumulaţi în fiecare pixel se face progresiv. Aceasta înseamnă că transferul de electroni la alte circuite electronice are loc numai din registrele de scanare, care sunt situate de-a lungul unui rând al matricei. După ce electronii din primul rând al matricei sunt scanaţi, se trece la electronii din rândul următor, iar locul lor este preluat de electroni din rândul următor. Întreaga procedură se repetă până când toţi pixelii sunt scanaţi (Fig. 5).

În acest fel, sarcinile electrice de la fiecare pixel sunt transferate către circuitele electronice care le schimba într-o tensiune electrică corespunzătoare cantităţii de lumină „capturate”. În plus, la fiecare valoare se adaugă coordonatele unui pixel de pe matricea senzorului. Aşa se poate explica – foarte pe scurt – cum este preluată imaginea de senzor.

Cum se întâmplă, totuşi, că imaginea apare în culori? Pentru a explica acest lucru, trebuie să se revină la structura matricei senzorului (Fig. 6). Aceasta este acoperită cu filtre RGB (roşu, verde, albastru), câte unul pentru fiecare pixel din schema definită. Fiecare filtru permite trecerea luminii numai într-o singură culoare. Ca urmare, pe fiecare pixel se înregistrează cantitatea de lumină în funcţie de filtrul care se află pe pixel. Deoarece toţi pixelii sunt coordonaţi, se ştie care este intensitatea luminii şi culoarea pentru fiecare dintre aceştia. Restul rămâne în gestiunea electronicii. Procesorul grafic al dispozitivului are o hartă programată de filtre în acelaşi sistem ca pe matrice, astfel se poate reproduce imaginea înregistrată de către senzor la o variantă digitală.

Fig. 6. Matricea CCD acoperită cu filtre RGB, care lasă să treacă numai lumina de o singură culoare

Merită să specificăm că numărul de pixeli care lasă să treacă culoarea verde este de două ori mai mare decât al celor de celelalte culori. Se întâmplă astfel deoarece senzorul de imagine a fost creat asemănător ochiului uman, care – din toate culorile de bază – este cel mai sensibil la culoarea verde.

Filtrele mai îndeplinesc şi o altă funcţiei importantă – protejează împotriva luminii infraroşii, care este emisă de fapt de către orice obiect cu temperatura mai mare de zero absolut. Senzorul este sensibil la toată lungimea de undă a luminii vizibile şi – nu ca şi în cazul ochiului uman – la lumina infraroşie, care are o influenţă negativă în cazul replicării culorilor şi a imaginii.

Adiţional, în baza a 9 pixeli în configuraţie de 3×3, procesorul defineşte culoarea adecvată şi o salvează pe poziţia pixelului central (Fig. 7), după care analizează următorii 9 pixeli, mutând rama cu un singur pixel şi stabilind culoarea următorului pixel central. Procesul se numeşte interpolare şi datorită acestuia imaginea este mai reală.

Metoda de interpolare descrisă, adică determinarea rezultanta (media) culorii bazate pe culorile din jur, nu va fi funcţională pentru pixelii amplasaţi la marginile matricei. Bineînţeles, având în vedere dimensiunea actuală a matricelor utilizate în camerele industriale, acest fapt nu are nu are nicio importanţă. Totuşi producătorii de camere şi aparate fotografice, mai ales în cazul produselor mai scumpe, indică nu numai numărul de pixeli ci şi numărul de pixeli efectivi. Acesta este numărul de pixeli efectiv utilizaţi pentru obţinerea unei imagini, lăsând la o parte pixeli amplasaţi la marginile matricei sau alţi pixeli auxiliari.

Senzor CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Semiconductorii prezenţi în aceşti senzori se bazează – atât din punctul de vedere al transmisiei de informaţi cât şi a construcţiei – pe arhitectura de memorie masivă. Se caracterizează mai ales prin viteza rapidă de funcţionare şi consumul mai mic de energie în comparaţie cu senzorii CCD. Regula de utilizare este analogică ca şi în cazul senzorilor CCD, dar diferenţa constă în faptul că toţi pixeli sunt citiţi independent şi nu în mod secvenţial. Aceasta are loc deoarece fiecare pixel din cadrul matricei CMOS este prevăzut cu un senzor transformator de tensiune şi acestuia i se atribuie o adresă de poziţionare. Ca efect, toţi pixelii pot fi scanaţi în acelaşi moment (Fig. 8).

Din păcate – un astfel de sistem nu este lipsit de defecte. Din cauza necesităţii de amplasare a elementelor adiţionale în cadrul senzorului, distanţa dintre pixeli este mult mai mare decât în cadrul senzorilor CCD. Acestea nu mai sunt atât de aproape unul de celălalt, aşadar întregul senzor este mai mare. Ca şi efect, întreaga matrice este mult mai puţin sensibilă – o parte a fluxului luminos, în loc să pătrundă pe elementele sensibile la lumină pătrunde printre acestea. Un alt inconvenient îl constituie imposibilitatea de fabricare a câtorva milioane de elemente identice sensibile la lumină care ar funcţiona la aceeaşi precizie. În final, este posibil ca imaginea care ar trebui să fie în aceeaşi culoare unitară să conţinu dungi specifice numite interferenţe. Desigur, în funcţie de clasa dispozitivului, electronica responsabilă pentru prelucrarea ulterioară a unei imagini va aborda această problemă într-o măsură mai mică sau mai mare.

Dimensiunea senzorului montat în camere este indicată în ţoli. De obicei, cu cât este mai mare senzorul, cu atât are mai mulţi senzori, iar calitatea imaginii este mai bună. Cele mai populare dimensiuni pentru senzorii destinaţi camerelor industriale sunt 1/3″ şi 1/4″. Ca şi o curiozitate, trebuie să ştiţi că aceste dimensiuni nu au nimic în comun cu dimensiunile reale ale senzorului. Aceste idei „preistorice” provin din timpul când senzorul din camere era constituit dintr-o lampă catodică din sticlă. Totuşi, această dimensiune nu se referea la dimensiunea lămpii, ci la diametrul sticlei care proteja lampa.

Astfel – de exemplu, senzorul cu dimensiunea de 1″ este identic cu lampa catodică amplasată în recipientul din sticlă cu diametrul de 1 ţol. Pentru a simplifica calculaţia, trebuie să aproximaţi că diagonala senzorului reprezintă aproximativ două treimi din valoarea cu care este identificat. Dimensiunile exacte sunt indicate în tabelul dimensiunilor.