Matryca światłoczuła

Matryca światłoczuła - przetwornik fotoelektryczny, którego zadaniem jest rejestracja obrazu optycznego. 

Budowa

Jej podstawowym podzespołem jest płytka krzemowa składająca się z wielu elementów światłoczułych (fotodiody) odpowiedzialnych za przetwarzanie fali elektromagnetycznej na adekwatne do poziomu natężenia światła sygnały elektryczne.

Elementy światłoczułe tworzą siatkę tzw. pikseli, która pokryta jest odpowiednimi filtrami RGB rejestrującymi kolory z wykorzystaniem tzw. mozaiki Bayera lub warstw Foveon. Powierzchnię sensora pokrywają także filtry eliminujące wpływ niepożądanego zakresu promieniowania (podczerwień) na proces właściwej rejestracji obrazów w zakresie światła widzialnego oraz filtry antyaliasingowe ograniczające tzw. efekt mory. Nad warstwą pikseli umieszczone są także soczewki skupiające promienie świetlne i minimalizujące w ten sposób straty oświetlenia. Część matrycy wypełnia elektronika sterująca.

Parametry

Podstawowymi parametrami matrycy istotnymi z punktu widzenia użytkownika są:

• rozdzielczość czyli liczba pikseli (elementów światłoczułych), z której zbudowany jest dany sensor optyczny (choć właściwie rozdzielczość powinna określać zagęszczenie punktów na danej powierzchni, a nie ich całkowitą liczbę, przyjmuje się takie właśnie rozumienie tego parametru). Rozdzielczość ma wpływ na stopień oddania szczegółów obrazu - im więcej pikseli, tym bardziej dokładne odwzorowanie. Wśród innych parametrów należy wymienić:
• fizyczną wielkość matrycy - rozmiar sensora ma niebagatelny wpływ m.in. na jakość zdjęć, zwłaszcza przy rejestracji w warunkach niewystarczającego oświetlenia (konieczność stosowania wysokich czułości). Ze wzrostem wielkości matrycy wzrasta możliwa do osiągnięcia liczba rozmieszczonych pikseli, a także następny parametr sensora jakim jest
• wielkość pojedynczego piksela. To kolejny element wpływający w istotny sposób na jakość obrazu. Większa powierzchnia piksela może przyjąć więcej światła, co zapewnia lepsze oddanie szczegółów w jasnych partiach obrazu i eliminację szumów w cieniach. Wysokie zagęszczenie małych pikseli na niewielkiej powierzchni matrycy związane jest z podwyższonym poziomem szumów i koniecznością stosowania różnych algorytmów poprawiających jakość odwzorowania, stąd mylący może być wskaźnik jakości matrycy oparty jedynie na dużej liczbie pikseli.

Rodzaje przetworników

Wśród podstawowych typy przetworników obrazowych wyróżnia się sensory CCD (Charge Coupled Device) i CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Różnica między nimi leżą w odmiennej architekturze sensora i sposobie odczytu wielkości ładunku. W sensorach CMOS każdy pojedynczy piksel zintegrowany jest z odpowiednim układem analizującym zgromadzony ładunek (wzmacniacz sygnału i rejestrator odczytu). Odczyt napięcia adekwatnego do zgromadzonego ładunku następuje zatem już na poziomie pojedynczej komórki światłoczułej. Matryce wykonane w technologii CMOS, z powodu swojej tranzystorowej struktury, dokonują odczytu wartości dla wszystkich pikseli jednocześnie, CCD pracują sekwencyjnie, wartość powstałego ładunku jest wzmacniana na wyjściu z matrycy i następnie zamieniana na postać cyfrową. Działanie CCD w dużej mierze zależy od dodatkowych podzespołów, CMOS pełnią więcej ról na poziomie pojedynczego piksela. Początkowo matryce CCD charakteryzowała dużo wyższa jakość obrazu, co jednak obecnie uległo zmianie. CMOS, tańsze w produkcji, występują równolegle lub zajmują miejsce sensorów CCD. 

Zastosowania

Matryce światłoczułe występują m.in w: kamerach, aparatach fotograficznych, skanerach, urządzeniach rentgenowskich, a także w czujnikach automatyzujących produkcję przemysłową, robotyce, układach bezdotykowego pomiaru temperatury, w systemach obrazowania 2D i 3D, w układach optoelektronicznych, wykorzystywane bywają w radiometrii, spektrometrii, biologii (badania genetyczne), w astronomicznych systemach obserwacyjnych i śledzących itp.