Сенсоры, Bayer фильтр, динамический диапазон, промышленные камеры, 3D-сканирование.
Цифровая камера преобразует свет в электрический сигнал через сенсор — матрицу светочувствительных элементов (пикселей). Каждый пиксель сенсора измеряет интенсивность света, но не цвет. Для получения цветного изображения применяется Bayer-фильтр.
Active Pixel Sensor — каждый пиксель имеет свой транзисторный усилитель. Энергоэффективность: потребляет ~100 мВт (vs CCD ~2 Вт). Более быстрый считывание (rolling shutter). Доминирует в потребительских камерах и промышленности.
Charge-Coupled Device — заряд с пикселей переносится по матрице к краевому усилителю построчно. Высокое качество изображения: низкий шум, высокая равномерность. Используется в научных камерах, астрономии, где важна точность, а не энергопотребление.
Как свет превращается в сигнал?
1. В пикселе есть два слоя: P-тип (с «дырками» — местами, где может быть электрон) и N-тип (с лишними электронами). Между ними — граница.
2. Когда свет (фотоны) попадает на эту границу, он «выбивает» электроны из атомов. Появляются пары электрон-дырка.
3. Электрическое поле на границе разделяет их: электроны идут в одну сторону, дырки — в другую. Это создаёт электрический ток.
4. Чем ярче свет — тем больше пар электрон-дырка — тем больше ток. Измеряя этот ток, камера определяет яркость и цвет света, попавшего на пиксель.
Каждый пиксель сенсора покрыт светофильтром одного цвета (R, G или B). Зелёных фильтров в 2 раза больше — глаз более чувствителен к зелёному. Демозаикинг (интерполяция) восстанавливает полный RGB для каждого пикселя.
Отношение максимального сигнала к шуму: DR = 20·log10(Full Well / Read Noise) [dB]. Типичные значения: 60–80 dB ( consumer), 90+ dB (scientific). HDR-экраны ~10000:1 = ~80 dB. Чем выше — тем больше деталей в тенях и светах.
ISO — усиление сигнала после сенсора. Чем выше ISO — тем ярче изображение при слабом свете, но больше шум (grain). Base ISO — родная чувствительность сенсора без усиления. HDR-режим: съёмка с несколькими ISO и склейка.
Эффективные МП — реально используемые для съёмки (обрезка краёв,相位对焦 pixels). Больше МП не всегда лучше: пиксель становится меньше → больше шума при слабом свете. Для печати 20×30 см достаточно 8–12 МП. 50+ МП — для больших отпечатков или кропа.
Промышленные камеры для автоматизации: Area scan (2D плоское изображение) и Line scan (строка пикселей, объект движется). Интерфейсы: USB3 Vision, GigE Vision, CoaXPress. Разрешения: от VGA до 150 МП.
Проектор отображает структурированный паттерн (полосы, точки, сетка) на объект. Камера смотрит на искажение паттерна. Стерео-триангуляция: по параллаксу вычисляется глубина. Точность: до 10 мкм (лабораторные системы).
Излучатель посылает импульс света, измеряется время возврата отражённого сигнала. d = c·Δt/2. Разрешение зависит от точности таймера (~пicoseconds). Современные ToF-камеры: 640×480, точность ~1–5 мм на расстояниях до 5 м.
| Параметр | Смартфон (iPhone 15) | Беззеркалка (Sony A7IV) | Промышленная (Basler acA4096) | Тепловизор (FLIR T640) |
|---|---|---|---|---|
| Тип сенсора | CMOS BSI | CMOS Exmor R | CMOS | Микроболометр |
| Разрешение | 48 МП (12 МП эффект.) | 33 МП | 12 МП | 640×480 |
| Размер пикселя | 0.8 мкм | 5.1 мкм | 3.45 мкм | 17 мкм |
| ISO диапазон | 100–25600 | 100–51200 | — | — |
| Bit depth | 10–12 бит | 14 бит RAW | 8–12 бит | 14 бит |
| Динамический диапазон | ~12 EV | ~15 EV | ~60 dB | ~70 dB |
| Интерфейс | Internal | PCIe / Wi-Fi | USB3 / GigE | USB3 / HDMI |
| Частота кадров | 60 fps (4K) | 30 fps (4K) | 30 fps | 30 fps |
| Цена | в составе | ~200 000 ₽ | ~80 000 ₽ | ~500 000 ₽ |