Шаг пикселяэто простая концепция. Это расстояние от центра одного пикселя до центра соседнего пикселя, обычно измеряемое в микрометрах (мкм). По мере уменьшения шага пикселя перекрестные помехи между пикселями становятся более вероятными.
В электронике перекрестные помехи — это любое явление, при котором сигнал, передаваемый в одной цепи или канале, создает нежелательные помехи в другой. Обычно это вызвано непреднамеренной емкостной, индуктивной или проводящей связью между цепями. Перекрестные помехи являются критической проблемой в структурированных кабельных системах, аудиоэлектронике, проектировании интегральных схем, беспроводной связи и других системах связи.
В датчиках изображения перекрестные помехи возникают, когда шаг пикселя становится меньше и электроны, генерируемые фотоэлектрическим эффектом, переходят на соседние фотодиоды, создавая шум. Например, из-за расположения матрицы пикселей электроны, генерируемые светом, проходящим через зеленый фильтр, могут просачиваться в соседние красные пиксели. В результате процессор сигналов изображения получает неправильные данные, что приводит к цветовому шуму.
Другая причина — рассеянный свет, попадающий в соседние пиксели, когда расстояние между пикселями слишком мало, непреднамеренно активируя соседние пиксели.
Другие источники шума
Шум вызван не только перекрестными помехами. Высокие настройки ISO и перегрев сенсора также могут вызывать шум.
Увеличение ISO эффективно увеличивает коэффициент усиления усилителя, усиливая как сигнал, так и шум.
Длительная выдержка может вызвать тепловой шум из-за накопления тепла в CMOS-сенсорах. Хотя снижение шума в-камере может смягчить эту проблему, тепловой шум становится более заметным после определенной длительности экспозиции.
К распространенным типам шума относятся:
Фиксированный шаблонный шум (длинная выдержка, низкое значение ISO)
Полосатый шум (проблемы с считыванием)
Случайный шум (короткая выдержка, высокое ISO)
Улучшение качества изображения
Один из способов улучшить качество изображения — увеличить количество пикселей, что эффективно повышает разрешение.
Чтобы уменьшить шум, вызванный малым шагом пикселя, обычно существует два подхода:
Используйте CMOS-матрицу большего размера, чтобы обеспечить более широкий шаг пикселя.
Улучшите производственные процессы, чтобы более эффективно изолировать пиксели, предотвращая утечку фотонов и электронов между ними.
Например, введение физических барьеров или воздушных промежутков между пикселями может помочь блокировать рассеянный свет и диффузию электронов.
Практические ограничения мобильных устройств
В смартфонах компактный размер является критическим ограничением. Невозможно использовать большие матрицы, такие как полнокадровые-или APS-C. Поэтому производители обычно применяют второй подход,-усовершенствуя технологии изоляции пикселей, одновременно уменьшая шаг пикселя и увеличивая площадь датчика в ограниченном пространстве.
Для достижения этой цели используются такие технологии, как изоляция глубоких траншей.
Достижения в области сенсорных технологий
В последние годы усовершенствования в области шумоподавления и технологий производства КМОП позволили разработать датчики изображения с высокой-плотностью.
Например, сенсор Samsung ISOCELL HP3 достиг следующих результатов:
Шаг пикселя 0,56 мкм
Разрешение 200 мегапикселей
14-битный выходной сигнал RAW с расширенным динамическим диапазоном (HDR)
Tetra²pixel (технология объединения пикселей 16 в 1)
Эти достижения поддерживают растущий спрос на сенсоры с маленькими-пикселями высокого-разрешения в мобильных-многокамерных устройствах.
Компромиссы-высокой плотности пикселей
Более высокая плотность пикселей обеспечивает большее разрешение, что улучшает сохранение деталей при масштабировании и обрезке.
Однако есть-компромиссы:
Отдельные пиксели меньшего размера улавливают меньше света, что приводит к ухудшению производительности при-освещении.
Увеличение количества пикселей сверх определенной точки приводит к уменьшению отдачи.
Еще одно ограничение связано с объективом. Как только разрешение датчика достигает дифракционного предела оптической системы, дальнейшее увеличение количества пикселей не улучшает качество изображения.
