En imágenes digitales , una matriz de filtros de color ( CFA ), o mosaico de filtros de color ( CFM ), es un mosaico de pequeños filtros de color colocados sobre los sensores de píxeles de un sensor de imagen para capturar información de color .
El término también se usa en referencia a los dispositivos de papel electrónico, donde significa un mosaico de pequeños filtros de color colocados sobre el panel de visualización de escala de grises para reproducir imágenes en color.
Descripción general del sensor de imagen
Se necesitan filtros de color porque los fotosensores típicos detectan la intensidad de la luz con poca o ninguna especificidad de longitud de onda y, por lo tanto, no pueden separar la información del color. [1] Dado que los sensores están hechos de semiconductores , obedecen a la física del estado sólido .
Los filtros de color filtran la luz por rango de longitud de onda, de modo que las intensidades filtradas por separado incluyen información sobre el color de la luz. Por ejemplo, el filtro Bayer (que se muestra a la derecha) brinda información sobre la intensidad de la luz en las regiones de longitud de onda roja, verde y azul (RGB). Los datos de imagen sin procesar capturados por el sensor de imagen se convierten luego en una imagen a todo color (con las intensidades de los tres colores primarios representados en cada píxel) mediante un algoritmo de demostración que se adapta a cada tipo de filtro de color. La transmitancia espectral de los elementos CFA junto con el algoritmo de demostración determinan conjuntamente la reproducción del color. [2] La eficiencia cuántica de banda de paso del sensor y la amplitud de las respuestas espectrales del CFA son típicamente más amplias que el espectro visible , por lo que se pueden distinguir todos los colores visibles. Las respuestas de los filtros generalmente no se corresponden con las funciones de concordancia de color CIE , [3] por lo que se requiere una traducción de color para convertir los valores triestímulos en un espacio de color absoluto común . [4]
El sensor Foveon X3 utiliza una estructura diferente, de modo que un píxel utiliza las propiedades de las uniones múltiples para apilar los sensores azul, verde y rojo uno encima del otro. Esta disposición no requiere un algoritmo de demostración porque cada píxel tiene información sobre cada color. Dick Merrill de Foveon distingue los enfoques como "filtro de color vertical" para el Foveon X3 versus "filtro de color lateral" para el CFA. [5] [6]
Lista de matrices de filtros de color
Imagen | Nombre | Descripción | Tamaño del patrón (píxeles) |
---|---|---|---|
Filtro de Bayer | Filtro RGB muy común . Con uno azul, uno rojo y dos verdes. | 2 × 2 | |
Filtro RGBE | Tipo Bayer con uno de los filtros verdes modificado a "esmeralda"; utilizado en algunas cámaras Sony. | 2 × 2 | |
Filtro RYYB | Uno rojo, dos amarillos y uno azul; | 2 × 2 | |
Filtro CYYM | Uno cian, dos amarillos y uno magenta; utilizado en algunas cámaras de Kodak. | 2 × 2 | |
Filtro CYGM | Uno cian, uno amarillo, uno verde y uno magenta; utilizado en algunas cámaras. | 2 × 2 | |
RGBW Bayer | RGBW tradicional similar a los patrones Bayer y RGBE. | 2 × 2 | |
RGBW n. ° 1 | Tres filtros RGBW de ejemplo de Kodak, con un 50% de blanco. ( Ver el filtro de Bayer # Modificaciones ) | 4 × 4 | |
RGBW # 2 | |||
RGBW n. ° 3 | 2 × 4 | ||
X-Trans | Filtro de matriz RGB específico de Fujifilm , con un patrón grande, estudiado para disminuir el efecto Moiré . | 6 × 6 | |
Quad Bayer | Similar al filtro Bayer , sin embargo, con 4x azul, 4x rojo y 8x verde. [7] Utilizado por Sony , también conocido como Tetracell por Samsung y de 4 celdas por OmniVision . [8] [9] | 4 × 4 | |
RYYB Quad Bayer | Similar al filtro Quad Bayer, pero con RYYB en lugar de RGGB. es decir, 4x azul, 4x rojo y 8x amarillo. Utilizado por primera vez en el sensor de la cámara Leica de los teléfonos inteligentes de la serie Huawei P30 . [10] | ||
Nonacell | Similar al filtro Bayer , sin embargo, con 9x azul, 9x rojo y 18x verde. [11] | 6 × 6 | |
RCCC | Utilizado en la industria automotriz. [12] Se desea un sensor monocromático para máxima sensibilidad, con el canal rojo requerido para regiones de interés como semáforos y luces traseras. [13] [14] [15] | 2x2 | |
RCCB | Utilizado en la industria automotriz. [12] Similar al sensor Bayer, excepto que los píxeles verdes son claros, proporcionando más sensibilidad con poca luz y menos ruido. [15] | 2x2 |
Sensor RGBW
Una matriz RGBW (de rojo, verde, azul, blanco) es un CFA que incluye elementos de filtro "blanco" o transparentes que permiten que el fotodiodo responda a todos los colores de luz; es decir, algunas células son "pancromáticas" y se detecta más luz, en lugar de absorberse, en comparación con la matriz de Bayer. Sugiyama solicitó una patente sobre tal arreglo en 2005. [16] Kodak anunció varias patentes RGBW CFA en 2007, todas las cuales tienen la propiedad de que cuando se ignoran las celdas pancromáticas, las celdas con filtro de color restantes se organizan de manera que sus datos puedan procesarse con un algoritmo de demostración estándar de Bayer .
Sensor CYGM
Una matriz CYGM (cian, amarillo, verde, magenta) es un CFA que utiliza principalmente colores secundarios , nuevamente para permitir que se detecte más luz incidente en lugar de absorberla. Otras variantes incluyen matrices CMY y CMYW.
Fabricación del sensor de imagen CFA
Diazonaftoquinona (DNQ): el fotorresistente de novolaca es un material que se utiliza como portador para hacer filtros de color a partir de tintes o pigmentos de color. Existe cierta interferencia entre los tintes y la luz ultravioleta necesaria para exponer correctamente el polímero, aunque se han encontrado soluciones para este problema. [17] Las fotorresistencias de color que se utilizan a veces incluyen aquellas con apodos químicos CMCR101R, CMCR101G, CMCR101B, CMCR106R, CMCR106G y CMCR106B. [18]
Algunas fuentes [1] [19] discuten otras sustancias químicas específicas, atendiendo a las propiedades ópticas y los procesos óptimos de fabricación de matrices de filtros de color.
Por ejemplo, Nakamura dijo que los materiales para matrices de filtros de color en chip se dividen en dos categorías: pigmento y tinte . Los CFA basados en pigmentos se han convertido en la opción dominante porque ofrecen una mayor resistencia al calor y a la luz en comparación con los CFA basados en colorantes. En cualquier caso, se encuentran disponibles espesores de hasta 1 micrómetro. [1]
Theuwissen dice: "Anteriormente, el filtro de color se fabricaba en una placa de vidrio separada y se pegaba al CCD (Ishikawa 81), pero hoy en día, todas las cámaras a color de un solo chip cuentan con un generador de imágenes que tiene el filtro de color procesado en el chip (Dillon 78) y no como híbrido ". [19] Proporciona una bibliografía que se centra en el número, los tipos, los efectos de aliasing , los patrones de muaré y las frecuencias espaciales de los filtros absorbentes.
Algunas fuentes indican que el CFA puede fabricarse por separado y colocarse después de que se haya fabricado el sensor, [20] [21] [22] mientras que otros sensores tienen el CFA fabricado directamente en la superficie del generador de imágenes. [22] [23] [24] Theuwissen no menciona los materiales utilizados en la fabricación de CFA.
Al menos uno de los primeros ejemplos de un diseño en chip utilizó filtros de gelatina (Aoki et al., 1982). [25] La gelatina se secciona mediante fotolitografía y posteriormente se tiñe. Aoki revela que se usó una disposición CYWG, con el filtro G superpuesto a los filtros Y y C.
Los materiales filtrantes son específicos del fabricante. [26] Adams y col. afirman: "Varios factores influyen en el diseño del CFA. En primer lugar, los filtros CFA individuales suelen ser capas de tintes pigmentados o orgánicos transmisivos (absorbentes). Garantizar que los tintes tengan las propiedades mecánicas adecuadas, como facilidad de aplicación, durabilidad y resistencia a la humedad. y otras tensiones atmosféricas, es una tarea desafiante. Esto dificulta, en el mejor de los casos, el ajuste fino de las respuestas espectrales ".
Dado que los CFA se depositan en la superficie del sensor de imagen en el BEOL (final de línea, las últimas etapas de la línea de fabricación de circuitos integrados ), donde se debe observar rígidamente un régimen de baja temperatura (debido a la baja temperatura de fusión del "alambres" metalizados de aluminio y la movilidad del sustrato de los dopantes implantados dentro del silicio a granel), se preferirían los orgánicos sobre el vidrio. Por otro lado, algunos procesos de CVD con óxido de silicio son procesos de baja temperatura. [27]
Ocean Optics ha indicado que su proceso CFA de filtro dicroico patentado ( películas delgadas alternas de ZnS y criolita ) se puede aplicar a los CCD espectroscópicos. [28] Gersteltec vende fotoprotectores que poseen propiedades de filtro de color. [29]
Algunas moléculas de pigmentos y colorantes que se utilizan en los CFA
En USP # 4.808.501, Carl Chiulli cita el uso de 5 productos químicos, tres de los cuales son CI # 12715, AKA Solvent Red 8; Amarillo solvente 88; y CI # 61551, Solvent Blue 36. En USP # 5.096.801 Koya et al. , de la empresa Fuji Photo Film, enumeran unas 150-200 estructuras químicas, principalmente colorantes azoicos y pirazolona-diazenilo, pero no proporcionan nombres químicos, números de registro CAS o números de índice de color.
Implementación de CFA ópticamente eficiente
Nakamura [1] proporciona un esquema y elementos bibliográficos que ilustran la importancia de las microlentes , su número f y la interacción con la matriz CFA y CCD . [30] Además, se ofrece una breve discusión sobre las películas antirreflejos, [31] aunque el trabajo de Janesick [32] parece estar más preocupado por la interacción fotón-silicio. Los primeros trabajos sobre microlentes [33] y sobre las cámaras de tres CCD / prisma [34] subrayan la importancia de una solución de diseño totalmente integrada para los CFA. El sistema de cámara , en su conjunto, se beneficia de una cuidadosa consideración de las tecnologías CFA y su interacción con otras propiedades de los sensores.
CFA de papel electrónico
Hay tres métodos principales para reproducir el color en pantallas de papel electrónico. Uno utiliza microesferas en varios pigmentos, como las pantallas de espectro de tres pigmentos de gama limitada de colores o el ePaper de color avanzado de cuatro pigmentos más fiel, ambos de E Ink . Este método sufre de frecuencias de actualización a menudo lentas, ya que con varios pigmentos la pantalla debe realizar actualizaciones para cada pigmento. Al igual que con las unidades de escala de grises, una vez que se actualiza la pantalla, el dispositivo no requiere energía para mantener la imagen en pantalla.
El segundo método común, como en E Ink Kaleido, utiliza una pantalla de papel electrónica en escala de grises típica detrás de una capa de color transparente. La capa de color es un CFA basado en LCD . Cuando se muestran imágenes en escala de grises, el dispositivo funciona con su resolución nativa, por ejemplo, 300 píxeles por pulgada (PPI). Sin embargo, debido al CFA, la resolución del dispositivo cae cuando se muestran imágenes en color, digamos a 100 PPI. [35] Cuando la imagen que se va a mostrar consta de una sección en color y otra en blanco y negro, por ejemplo, cuando la página de un libro incluye texto sin formato y una foto en color, algunos dispositivos de libros electrónicos pueden mostrar la foto con una resolución reducida mientras el texto tiene la resolución normal. Como el CFA está basado en LCD, el CFA requiere energía constante para funcionar y utiliza más energía.
El tercer método, como en ClearInk, utiliza un CFA que consiste en una capa frontal de pozos con fondos hemisféricos sobre una capa de fluido que contiene esferas cargadas de negro. Cuando las esferas están lejos de los hemisferios, los hemisferios se reflejan brillantemente debido a la reflexión interna total . Cuando las esferas negras se mueven cerca de los hemisferios, la cantidad de reflexión cae. La frecuencia de actualización en las versiones de video de estos dispositivos es lo suficientemente rápida para la reproducción de video (33 Hz en el dispositivo, en comparación con 25 Hz para la televisión PAL o 29,97 Hz para la televisión NTSC ). Requieren más energía para funcionar que una pantalla de tinta electrónica simple, pero mucho menos que una pantalla LCD. [36]
Referencias
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