Matriz de filtros de color

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El mosaico de filtro de color Bayer. Cada submosáico dos por dos contiene 2 verdes, 1 azules y 1 filtro rojo, cada filtro que cubre un sensor de píxeles.

En el campo de las imágenes digitales, un conjunto de filtros de color (CFA) o un 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 utiliza en referencia a los dispositivos de papel electrónico, donde se refiere a un mosaico de pequeños filtros de color colocados sobre el panel de visualización en escala de grises para reproducir imágenes en color.

Resumen del sensor de imagen

Los filtros de color son necesarios 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 de color. 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 (mostrado en la imagen) proporciona información sobre la intensidad de la luz en las regiones de longitud de onda de rojo, 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 intensidades de los tres colores primarios representados en cada píxel) mediante un algoritmo de desmosaico que se adapta a cada tipo de filtro de color. La transmitancia espectral de los elementos CFA junto con el algoritmo de desmosaico determinan conjuntamente la reproducción del color. La eficiencia cuántica de banda de paso del sensor y el alcance de las respuestas espectrales del CFA son típicamente más amplios que el espectro visible, por lo que se pueden distinguir todos los colores visibles. Las respuestas de los filtros generalmente no corresponden a las funciones de coincidencia de color CIE, por lo que se requiere una traducción de color para convertir los valores triestímulo en un espacio de color absoluto común.

El sensor Foveon X3 utiliza una estructura diferente, de modo que un píxel utiliza propiedades de uniones múltiples para apilar sensores azul, verde y rojo uno sobre otro. Esta disposición no requiere un algoritmo de desmosaico porque cada píxel tiene información sobre cada color. Dick Merrill de Foveon distingue los enfoques como "filtro de color vertical" para el Foveon X3 frente a "filtro de color lateral" para el CFA.

Lista de arrays de filtro de color

ImagenNombreDescripciónTamaño del patrón (pixeles)
Bayer patternFiltro de Bayer Filtro RGB muy común. Con un azul, un rojo y dos verdes. 2×2
RGBE patternFiltro RGBE Bayer-como con uno de los filtros verdes modificados a "emerald"; usado en algunas cámaras de Sony. 2×2
RYYB patternFiltro RYYB Un rojo, dos amarillos y un azul; 2×2
CYYM patternFiltro CYYM Un cian, dos amarillos y un magenta; utilizado en unas pocas cámaras de Kodak. 2×2
CYGM patternFiltro CYGM Un cian, un amarillo, un verde y un magenta; utilizado en unas pocas cámaras. 2×2
RGBW patternRGBW Bayer Tradicional RGBW similar to Bayer and RGBE patterns. 2×2
RGBW patternRGBW #1 Tres filtros RGBW de Kodak, con 50% de blanco. ()Ver Filtro Bayer#Modificaciones) 4×4
RGBW patternRGBW #2
RGBW patternRGBW #3 2×4
X Trans patternX-Trans Fujifilm específico Filtro de matriz RGB, con un patrón grande, estudiado para disminuir el efecto Moiré. 6×6
Quad Bayer Similar al filtro Bayer, sin embargo con azul 4x, rojo 4x y verde 8x.

Utilizado por Sony, también conocido como Tetracell por Samsung y 4 celdas por OmniVision.

4×4
RYYB Quad Bayer Similar al filtro Quad Bayer, pero con RYYB en lugar de RGGB. i.e. 4x azul, 4x rojo y 8x amarillo.

Primero utilizado en el sensor de cámara Leica de los teléfonos inteligentes de la serie Huawei P30.

Nonacell Similar al filtro Bayer, sin embargo con azul 9x, rojo 9x y verde 18x. 6×6
RCCC Usado en la industria automotriz. Se desea un sensor monocromo para máxima sensibilidad, con el canal rojo requerido para regiones de interés tales como luces de tráfico y luces traseras. 2x2
RCCB Usado en la industria automotriz. Similar al sensor Bayer excepto los píxeles verdes son claros, proporcionando más sensibilidad de baja luz y menos ruido. 2x2

Sensor RGBW

Una matriz RGBW (de rojo, verde, azul, blanco) es un filtro CFA que incluye elementos de filtro "blancos" o transparentes que permiten que el fotodiodo responda a todos los colores de la luz; es decir, algunas celdas son "pancromáticas" y se detecta más luz, en lugar de absorberla, en comparación con la matriz Bayer. Sugiyama presentó una solicitud de patente para este tipo de disposición en 2005. Kodak anunció varias patentes de filtros CFA RGBW en 2007, todas las cuales tienen la propiedad de que cuando se ignoran las celdas pancromáticas, las celdas filtradas por color restantes se organizan de tal manera que sus datos se pueden procesar con un algoritmo de desmosaico Bayer estándar.

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

La fotorresistencia novolaca de diazonaftoquinona (DNQ) es un material que se utiliza como soporte para fabricar 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. Las fotorresistencias de color que se utilizan a veces incluyen aquellas con nombres químicos CMCR101R, CMCR101G, CMCR101B, CMCR106R, CMCR106G y CMCR106B.

Algunas fuentes analizan otras sustancias químicas específicas, sus propiedades ópticas y los procesos óptimos de fabricación de conjuntos de filtros de color.

Por ejemplo, Nakamura dijo que los materiales para los conjuntos de filtros de color en chip se dividen en dos categorías: pigmentos y colorantes. Los CFA basados en pigmentos se han convertido en la opción dominante porque ofrecen mayor resistencia al calor y a la luz en comparación con los CFA basados en colorantes. En cualquier caso, se encuentran fácilmente disponibles espesores que van hasta 1 micrómetro.

Theuwissen afirma que "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 están provistas de un sensor de imágenes que tiene el filtro de color procesado en el chip (Dillon 78) y no como un híbrido". 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 se puede fabricar por separado y fijar después de que se haya fabricado el sensor, mientras que en otros sensores el CFA se fabrica directamente sobre la superficie del sensor de imágenes. Theuwissen no menciona los materiales utilizados en la fabricación del CFA.

Al menos un ejemplo temprano de un diseño en chip utilizó filtros de gelatina (Aoki et al., 1982). La gelatina se secciona mediante fotolitografía y luego se tiñe. Aoki revela que se utilizó una disposición CYWG, en la que el filtro G es una superposición de los filtros Y y C.

Los materiales de los filtros dependen del fabricante. Adams et al. afirman que "varios factores influyen en el diseño de los filtros CFA. En primer lugar, los filtros CFA individuales suelen ser capas de colorantes orgánicos o pigmentados transmisivos (absorbentes). Asegurarse de que los colorantes tengan las propiedades mecánicas adecuadas (como facilidad de aplicación, durabilidad y resistencia a la humedad y otras tensiones atmosféricas) es una tarea complicada. Esto hace que sea difícil, en el mejor de los casos, ajustar con precisión las respuestas espectrales".

Dado que los CFA se depositan en la superficie del sensor de imagen en el BEOL (final de la línea, las últimas etapas de la línea de fabricación de circuitos integrados), donde se debe observar estrictamente un régimen de baja temperatura (debido a la baja temperatura de fusión de los "cables" metalizados de aluminio y la movilidad del sustrato de los dopantes implantados dentro del silicio a granel), se preferirían los materiales orgánicos al vidrio. Por otro lado, algunos procesos de óxido de silicio de CVD son procesos de baja temperatura.

Ocean Optics ha indicado que su proceso patentado de filtrado dicroico CFA (capas delgadas alternas de ZnS y criolita) se puede aplicar a los CCD espectroscópicos. Gersteltec vende fotorresistencias que poseen propiedades de filtrado de color.

Algunas moléculas de pigmento y tinte utilizadas en CFA

En la patente estadounidense n.° 4.808.501, Carl Chiulli cita el uso de 5 sustancias químicas, tres de las cuales son C.I. n.° 12715, también conocido como rojo disolvente 8; amarillo disolvente 88; y C.I. n.° 61551, azul disolvente 36. En la patente estadounidense n.° 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 ni números de índice de color.

Optically efficient CFA implementation

Nakamura proporciona un esquema y elementos bibliográficos que ilustran la importancia de las microlentes, su número f y la interacción con el conjunto de CFA y CCD. Además, se ofrece una breve discusión de las películas antirreflejos, aunque el trabajo de Janesick parece estar más relacionado con la interacción fotón-silicio. Los primeros trabajos sobre microlentes y sobre las cámaras de tres CCD/prisma destacan la importancia de una solución de diseño totalmente integrada para las CFA. El sistema de cámara, en su conjunto, se beneficia de una consideración cuidadosa de las tecnologías de CFA y su interacción con otras propiedades del sensor.

E-paper CFA

Existen tres métodos principales para reproducir el color en pantallas de papel electrónico. Uno de ellos utiliza microesferas de varios pigmentos, como las pantallas Spectra de tres pigmentos con una gama de colores limitada o las pantallas Advanced Color ePaper de cuatro pigmentos, más fieles a la realidad, ambas de E Ink. Este método suele tener una velocidad de actualización lenta, ya que, con varios pigmentos, la pantalla debe actualizarse para cada pigmento. Al igual que con las unidades de escala de grises, una vez que se actualiza la pantalla, el dispositivo no necesita energía para mantener la imagen en la pantalla.

El segundo método común utiliza una pantalla de papel electrónico en escala de grises típica detrás de una capa de color transparente. La capa de color es un CFA basado en LCD. Al mostrar imágenes en escala de grises, el dispositivo funciona con su resolución nativa, por ejemplo, 300 píxeles por pulgada (PPP). Sin embargo, debido al CFA, la resolución del dispositivo disminuye cuando se muestran imágenes en color, por ejemplo a 100 PPP. Cuando la imagen que se va a mostrar consta de una sección en color y otra en blanco y negro, por ejemplo cuando una página de un libro incluye texto simple y una foto en color, algunos dispositivos de libros electrónicos pueden mostrar la foto con una resolución reducida mientras que el texto tiene una resolución normal. Como el CFA está basado en LCD, requiere energía constante para funcionar y consume más energía.

El tercer método, como en ClearInk, utiliza un CFA que consiste en una capa frontal de pocillos con fondos hemisféricos sobre una capa de fluido que contiene esferas negras cargadas. Cuando las esferas están alejadas de los hemisferios, estos reflejan de forma brillante debido a la reflexión interna total. Cuando las esferas negras se acercan a los hemisferios, la cantidad de reflexión disminuye. 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 los 25 Hz de la televisión PAL o los 29,97 Hz de la televisión NTSC). Requieren más energía para funcionar que una pantalla E Ink normal, pero mucho menos que una pantalla basada en LCD.

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