Farbfilter-Array - Color filter array
In der digitalen Bildgebung ist ein Farbfilterarray ( CFA ) oder Farbfiltermosaik ( CFM ) ein Mosaik aus winzigen Farbfiltern, die über den Pixelsensoren eines Bildsensors platziert werden , um Farbinformationen zu erfassen .
Der Begriff wird auch in Bezug auf E-Papiergeräte verwendet, wo er ein Mosaik aus winzigen Farbfiltern bedeutet, die über dem Graustufen-Anzeigefeld angeordnet sind, um Farbbilder wiederzugeben.
Übersicht über den Bildsensor
Farbfilter werden benötigt, weil die typischen Fotosensoren die Lichtintensität mit geringer oder keiner Wellenlängenspezifität erfassen und daher Farbinformationen nicht trennen können. Da Sensoren aus Halbleitern bestehen , gehorchen sie der Festkörperphysik .
Die Farbfilter filtern das Licht nach Wellenlängenbereichen, so dass die getrennten gefilterten Intensitäten Informationen über die Farbe des Lichts enthalten. Der Bayer-Filter (rechts abgebildet) gibt beispielsweise Auskunft über die Lichtintensität in den Wellenlängenbereichen Rot, Grün und Blau (RGB). Die vom Bildsensor erfassten Rohbilddaten werden dann durch einen Demosaicing- Algorithmus, der auf jeden Farbfiltertyp zugeschnitten ist, in ein Vollfarbbild (mit Intensitäten aller drei Primärfarben dargestellt an jedem Pixel) umgewandelt . Die spektrale Transmission der CFA-Elemente bestimmt zusammen mit dem Demosaicing-Algorithmus die Farbwiedergabe. Die Quanteneffizienz des Durchlassbereichs des Sensors und die Spanne der spektralen Reaktionen des CFA sind typischerweise breiter als das sichtbare Spektrum , sodass alle sichtbaren Farben unterschieden werden können. Die Antworten der Filter entsprechen im Allgemeinen nicht den CIE- Farbanpassungsfunktionen , daher ist eine Farbübersetzung erforderlich, um die Tristimulus- Werte in einen gemeinsamen, absoluten Farbraum umzuwandeln .
Der Foveon X3-Sensor verwendet eine andere Struktur, sodass ein Pixel die Eigenschaften von Mehrfachverbindungen nutzt, um blaue, grüne und rote Sensoren übereinander zu stapeln. Diese Anordnung erfordert keinen Demosaicing-Algorithmus, da jedes Pixel Informationen über jede Farbe hat. Dick Merrill von Foveon unterscheidet die Ansätze als "vertikaler Farbfilter" für den Foveon X3 gegenüber "lateraler Farbfilter" für den CFA.
Liste der Farbfilter-Arrays
| Bild | Name | Beschreibung | Mustergröße (Pixel) |
|---|---|---|---|
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Bayer-Filter | Sehr verbreiteter RGB- Filter. Mit einem blauen, einem roten und zwei grünen. | 2×2 |
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RGBE-Filter | Bayer-like mit einem der Grünfilter modifiziert auf "Smaragd"; in einigen Sony-Kameras verwendet. | 2×2 |
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RYYB-Filter | Eine rote, zwei gelbe und eine blaue; | 2×2 |
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CYYM-Filter | Ein Cyan, zwei Gelb und ein Magenta; in einigen Kameras von Kodak verwendet. | 2×2 |
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CYGM-Filter | Ein Cyan, ein Gelb, ein Grün und ein Magenta; in einigen Kameras verwendet. | 2×2 |
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RGBW Bayer | Traditionelles RGBW ähnlich den Bayer- und RGBE-Mustern. | 2×2 |
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RGBW #1 | Drei Beispiele für RGBW-Filter von Kodak mit 50 % Weiß. ( Siehe Bayer-Filter#Modifikationen ) | 4×4 |
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RGBW #2 | ||
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RGBW #3 | 2×4 | |
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X-Trans | Fujifilm- spezifischer RGB- Matrixfilter mit einem großen Muster, das auf die Verringerung des Moiré-Effekts untersucht wurde . | 6×6 |
| Quad Bayer | Ähnlich wie Bayer-Filter, jedoch mit 4x Blau, 4x Rot und 8x Grün.
Wird von Sony verwendet , auch bekannt als Tetracell von Samsung und 4-cell von OmniVision . |
4×4 | |
| RYYB Quad Bayer | Ähnlich wie Quad Bayer-Filter, jedoch mit RYYB statt RGGB. dh 4x blau, 4x rot und 8x gelb.
Erstmals im Leica- Kamerasensor der Smartphones der Huawei P30- Serie verwendet. |
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| Nonacell | Ähnlich wie Bayer-Filter, jedoch mit 9x Blau, 9x Rot und 18x Grün. | 6×6 | |
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RCCC | Wird in der Automobilindustrie verwendet. Für maximale Empfindlichkeit ist ein monochromer Sensor erwünscht, wobei der Rotkanal für interessierende Bereiche wie Ampeln und Rücklichter erforderlich ist. | 2x2 |
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RCCB | Wird in der Automobilindustrie verwendet. Ähnlich wie beim Bayer-Sensor, außer dass die grünen Pixel klar sind und eine höhere Empfindlichkeit bei schwachem Licht und weniger Rauschen bieten. | 2x2 |
RGBW-Sensor
Eine RGBW-Matrix (aus Rot, Grün, Blau, Weiß) ist ein CFA, das "weiße" oder transparente Filterelemente enthält, die es der Fotodiode ermöglichen, auf alle Lichtfarben zu reagieren; das heißt, einige Zellen sind "panchromatisch", und im Vergleich zur Bayer-Matrix wird mehr Licht detektiert als absorbiert. Sugiyama meldete 2005 ein Patent für eine solche Anordnung an. Kodak kündigte 2007 mehrere RGBW-CFA-Patente an, die alle die Eigenschaft haben, dass, wenn die panchromatischen Zellen ignoriert werden, die verbleibenden farbgefilterten Zellen so angeordnet werden, dass ihre Daten mit verarbeitet werden können ein Standard-Bayer- Demosaicing- Algorithmus.
CYGM-Sensor
Eine CYGM-Matrix (Cyan, Yellow, Green, Magenta) ist ein CFA, der hauptsächlich Sekundärfarben verwendet , um wiederum mehr einfallendes Licht zu erfassen als zu absorbieren. Andere Varianten umfassen CMY- und CMYW-Matrizen.
Herstellung des Bildsensors CFA
Diazonaphthochinon (DNQ) -Novolak- Photoresist ist ein Material, das als Träger für die Herstellung von Farbfiltern aus Farbfarbstoffen oder Pigmenten verwendet wird. Es gibt eine gewisse Interferenz zwischen den Farbstoffen und dem ultravioletten Licht, die benötigt wird, um das Polymer richtig zu belichten, obwohl Lösungen für dieses Problem gefunden wurden. Zu den manchmal verwendeten Farbfotolacken gehören solche mit den chemischen Bezeichnungen CMCR101R, CMCR101G, CMCR101B, CMCR106R, CMCR106G und CMCR106B.
Einige Quellen diskutieren andere spezifische chemische Substanzen, die damit verbundenen optischen Eigenschaften und optimale Herstellungsverfahren von Farbfilterarrays.
Nakamura sagte beispielsweise, dass Materialien für On-Chip-Farbfilter-Arrays in zwei Kategorien fallen: Pigment und Farbstoff . CFAs auf Pigmentbasis sind zur vorherrschenden Option geworden, da sie im Vergleich zu CFAs auf Farbstoffbasis eine höhere Hitzebeständigkeit und Lichtbeständigkeit bieten. In beiden Fällen sind Dicken von bis zu 1 Mikrometer ohne weiteres erhältlich.
Theuwissen sagt: "Früher wurde der Farbfilter auf einer separaten Glasplatte hergestellt und auf das CCD geklebt (Ishikawa 81), aber heute sind alle Einchip-Farbkameras mit einem Imager ausgestattet, der den Farbfilter auf dem Chip verarbeitet hat (Dillon 78) und nicht als Hybrid." Er stellt eine Bibliographie bereit, die sich auf Anzahl, Typen, Aliasing- Effekte, Moiré- Muster und Raumfrequenzen der absorbierenden Filter konzentriert.
Einige Quellen geben an, dass der CFA separat hergestellt und nach der Herstellung des Sensors angebracht werden kann, während bei anderen Sensoren der CFA direkt auf der Oberfläche des Imagers hergestellt wird. Theuwissen macht keine Angaben zu den Materialien, die bei der CFA-Herstellung verwendet werden.
Mindestens ein frühes Beispiel eines On-Chip-Designs verwendete Gelatinefilter (Aoki et al., 1982). Die Gelatine wird mittels Photolithographie geschnitten und anschließend gefärbt. Aoki verrät, dass eine CYWG-Anordnung verwendet wurde, wobei der G-Filter eine Überlappung der Y- und C-Filter ist.
Filtermaterialien sind herstellerspezifisch. Adamset al. "Mehrere Faktoren beeinflussen das Design des CFA. Erstens sind die einzelnen CFA-Filter in der Regel Schichten aus durchlässigen (absorptiven) organischen oder pigmentierten Farbstoffen. Sicherstellen, dass die Farbstoffe die richtigen mechanischen Eigenschaften haben - wie einfache Anwendung, Haltbarkeit und Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und anderen atmosphärischen Belastungen – ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Dies macht es bestenfalls schwierig, die spektralen Empfindlichkeiten fein abzustimmen.“
Da die CFAs auf der Bildsensoroberfläche am BEOL (back end of line, den späteren Stufen der Fertigungslinie für integrierte Schaltungen ) abgeschieden werden , wo ein Niedrigtemperaturregime strikt eingehalten werden muss (aufgrund der niedrigen Schmelztemperatur des aluminiummetallisierte "Drähte" und die Substratbeweglichkeit der in das Bulk-Silizium implantierten Dotierstoffe) würden organische Stoffe gegenüber Glas bevorzugt werden. Andererseits sind einige CVD-Siliziumoxidprozesse Niedertemperaturprozesse.
Ocean Optics hat gezeigt, dass ihr patentiertes dichroitisches Filter- CFA-Verfahren (alternierende Dünnschichten aus ZnS und Kryolith ) auf spektroskopische CCDs angewendet werden kann. Gersteltec vertreibt Photoresists , die über Farbfiltereigenschaften verfügen .
Einige Pigment- und Farbstoffmoleküle, die in CFAs verwendet werden
In USP# 4,808,501 zitiert Carl Chiulli die Verwendung von 5 Chemikalien, von denen drei CI #12715, AKA Solvent Red 8; Lösungsmittelgelb 88; und CI # 61551, Solvent Blue 36. In USP # 5.096.801 von Koya et al. , von Fuji Photo Film Company, listen etwa 150-200 chemische Strukturen auf, hauptsächlich Azofarbstoffe und Pyrazolondiazenyl, aber keine chemischen Namen, CAS-Registrierungsnummern oder Farbindexnummern.
Optisch effiziente CFA-Implementierung
Nakamura bietet einen schematischen und bibliografischen Artikel, der die Bedeutung von Mikrolinsen , ihre Blendenzahl und das Zusammenspiel mit dem CFA- und CCD- Array veranschaulicht . Darüber hinaus wird eine kurze Diskussion über Antireflexionsfilme angeboten, obwohl Janesicks Arbeit anscheinend mehr mit der Photon-Silizium-Wechselwirkung zu tun hat. Frühe Arbeiten an Mikrolinsen und an Drei-CCD /Prisma-Kameras betonen die Bedeutung einer vollständig integrierten Designlösung für CFAs. Das Kamerasystem insgesamt profitiert von der sorgfältigen Berücksichtigung der CFA-Technologien und deren Zusammenspiel mit anderen Sensoreigenschaften.
E-Paper CFA
Es gibt drei Hauptmethoden zum Reproduzieren von Farbe auf e-Papier-Displays. Man verwendet Mikrokügelchen in verschiedenen Pigmenten, wie zum Beispiel im begrenzten Farbbereich drei pigmentierte Spectra-Displays oder originalgetreuer vier pigmentiertes Advanced Color ePaper, beide von E Ink . Dieses Verfahren leidet unter oft langsamen Auffrischungsraten, da das Display bei mehreren Pigmenten Auffrischungen für jedes Pigment durchführen muss. Wie bei Graustufeneinheiten benötigt das Gerät nach der Aktualisierung der Anzeige keinen Strom, um das Bild auf dem Bildschirm zu halten.
Die zweite gängige Methode, wie bei E Ink Kaleido, verwendet eine typische Graustufen-E-Papieranzeige hinter einer transparenten Farbschicht. Die Farbschicht ist ein LCD- basierter CFA. Bei der Darstellung von Graustufenbildern läuft das Gerät mit seiner nativen Auflösung, beispielsweise 300 Pixel pro Zoll (PPI). Aufgrund des CFA sinkt jedoch die Auflösung des Geräts bei der Darstellung von Farbbildern, sagen wir auf 100 PPI. Wenn das anzuzeigende Bild sowohl aus einem farbigen als auch aus einem schwarzweißen Abschnitt besteht, beispielsweise wenn eine Buchseite sowohl reinen Text als auch ein Farbfoto enthält, können einige E-Book-Geräte das Foto mit reduzierter Auflösung anzeigen, während der Text bei normaler Auflösung. Da der CFA LCD-basiert ist, benötigt der CFA konstante Leistung zum Betrieb und verbraucht mehr Energie.
Die dritte Methode verwendet, wie bei ClearInk, einen CFA, der aus einer vorderen Schicht von Vertiefungen mit halbkugelförmigen Böden über einer Flüssigkeitsschicht besteht, die schwarze geladene Kugeln enthält. Wenn die Kugeln von den Halbkugeln entfernt sind, reflektieren die Halbkugeln aufgrund der inneren Totalreflexion hell . Wenn die schwarzen Kugeln in die Nähe der Halbkugeln bewegt werden, sinkt die Reflexion. Die Bildwiederholfrequenz der Videoversionen dieser Geräte ist schnell genug für die Videowiedergabe (33 Hz auf dem Gerät, im Vergleich zu 25 Hz für PAL- Fernsehen oder 29,97 Hz für NTSC- Fernsehen). Sie benötigen mehr Energie zum Betrieb als ein einfaches E-Ink-Display, aber viel weniger als ein LCD-basiertes Display.