مستشعر الصور الثنائية المفرط في أخذ العينات

مستشعر الصور الثنائي المفرط في أخذ العينات هو مستشعر صور يتمتع بقدرات استجابة غير خطية تذكرنا بالفيلم الفوتوغرافي التقليدي . ^{[1] [2]} كل بكسل في المستشعر له استجابة ثنائية، مما يعطي قياسًا كميًا أحادي البت فقط لشدة الضوء المحلي. دالة استجابة مستشعر الصور غير خطية ومماثلة للدالة اللوغاريتمية، مما يجعل المستشعر مناسبًا للتصوير عالي النطاق الديناميكي . ^[1]

قبل ظهور أجهزة استشعار الصور الرقمية، كانت التصوير الفوتوغرافي، في أغلب تاريخه، يستخدم الفيلم لتسجيل معلومات الضوء. وفي قلب كل فيلم فوتوغرافي يوجد عدد كبير من حبيبات بلورات هاليد الفضة الحساسة للضوء . ^[3] أثناء التعرض، يكون لكل حبيبة بحجم الميكرون مصير ثنائي: إما أن تصطدم ببعض الفوتونات الواردة وتصبح "مكشوفة"، أو تفوتها قصف الفوتونات وتظل "غير مكشوفة". في عملية تطوير الفيلم اللاحقة، تتحول الحبيبات المكشوفة، بسبب خصائصها الكيميائية المتغيرة، إلى معدن فضي، مما يساهم في ظهور بقع معتمة على الفيلم؛ ويتم غسل الحبيبات غير المكشوفة في حمام كيميائي، تاركة وراءها المناطق الشفافة على الفيلم. وبالتالي، فإن الفيلم الفوتوغرافي في الأساس هو وسيط تصوير ثنائي، يستخدم كثافات محلية من حبيبات الفضة المعتمة لتشفير معلومات شدة الضوء الأصلية. وبفضل الحجم الصغير والعدد الكبير من هذه الحبيبات، بالكاد يلاحظ المرء هذه الطبيعة الكمية للفيلم عند مشاهدته عن بعد، حيث يلاحظ فقط نغمة رمادية مستمرة.

إن مستشعر الصور الثنائي المفرط في أخذ العينات يذكرنا بالفيلم الفوتوغرافي. كل بكسل في المستشعر له استجابة ثنائية، مما يعطي قياسًا كميًا أحادي البت فقط لشدة الضوء المحلي. في بداية فترة التعرض، يتم ضبط جميع البكسلات على 0. ثم يتم ضبط البكسل على 1 إذا كان عدد الفوتونات التي تصل إليه أثناء التعرض يساوي على الأقل عتبة معينة q . إحدى الطرق لبناء مثل هذه المستشعرات الثنائية هي تعديل تقنية شريحة الذاكرة القياسية، حيث تم تصميم كل خلية بت ذاكرة لتكون حساسة للضوء المرئي. ^[4] باستخدام تقنية CMOS الحالية، يمكن أن يتجاوز مستوى تكامل مثل هذه الأنظمة 10 ⁹ ~ 10 ¹⁰ (أي 1 جيجا إلى 10 جيجا) بكسل لكل شريحة. في هذه الحالة، تكون أحجام البكسل المقابلة (حوالي 50 نانومتر ^[5] ) أقل بكثير من حد حيود الضوء، وبالتالي فإن مستشعر الصورة يقوم بأخذ عينات زائدة من الدقة البصرية لحقل الضوء. بديهيًا، يمكن للمرء استغلال هذا التكرار المكاني للتعويض عن فقدان المعلومات بسبب التكميم أحادي البت، كما هو الحال في محولات دلتا سيجما ذات العينة الزائدة . ^[6]

كان فوسوم أول من تصور بناء مستشعر ثنائي يحاكي عملية الفيلم الفوتوغرافي ، ^[7] الذي صاغ اسم مستشعر الفيلم الرقمي (يشار إليه الآن باسم مستشعر الصور الكمي ^[8] ). كان الدافع الأصلي نابعًا بشكل أساسي من الضرورة التقنية. تتطلب تصغير أنظمة الكاميرات تقليصًا مستمرًا لأحجام البكسل. ومع ذلك، عند نقطة معينة، تصبح السعة المحدودة للبئر الكاملة (أي الحد الأقصى لإلكترونات الفوتون التي يمكن للبكسل أن يحملها) للبكسلات الصغيرة بمثابة عنق زجاجة، مما ينتج عنه نسب إشارة إلى ضوضاء منخفضة للغاية ونطاقات ديناميكية ضعيفة . على النقيض من ذلك، فإن المستشعر الثنائي الذي تحتاج بكسلاته إلى اكتشاف عدد قليل فقط من إلكترونات الفوتون حول عتبة صغيرة q لديه متطلبات أقل بكثير لقدرات البئر الكاملة، مما يسمح لأحجام البكسل بالتقلص أكثر.

لنأخذ نموذج كاميرا مبسطًا موضحًا في الشكل 1. هو مجال شدة الضوء الوارد. بافتراض أن شدة الضوء تظل ثابتة خلال فترة تعرض قصيرة، يمكن نمذجة المجال كدالة فقط للمتغير المكاني . بعد المرور عبر النظام البصري، يتم ترشيح مجال الضوء الأصلي بواسطة العدسة، والتي تعمل كنظام خطي باستجابة نبضية معينة. نظرًا للعيوب (مثل الانحرافات) في العدسة، لا يمكن أن تكون استجابة النبضة، المعروفة أيضًا باسم دالة انتشار النقاط (PSF) للنظام البصري، دلتا ديراك، وبالتالي، تفرض حدًا على دقة مجال الضوء القابل للملاحظة. ومع ذلك، فإن الحد الفيزيائي الأكثر جوهرية يرجع إلى حيود الضوء . ^[9] ونتيجة لذلك، حتى لو كانت العدسة مثالية، فإن دالة انتشار النقاط لا تزال حتمًا بقعة ضبابية صغيرة. في البصريات، غالبًا ما تسمى هذه البقعة المحدودة بالحيود بالقرص الهوائي ، ^[9] الذي يمكن حساب نصف قطره على النحو التالي ${\displaystyle \lambda _{0}(x)}$${\displaystyle x}$${\displaystyle \lambda _{0}(x)}$${\displaystyle R_{a}}$

${\displaystyle R_{a}=1.22\,wf,}$

حيث هو الطول الموجي للضوء و هو رقم F للنظام البصري. ونظرًا لطبيعة تمرير التردد المنخفض (التنعيم) لـ PSF، فإن الناتج له دقة مكانية محدودة، أي أنه يحتوي على عدد محدود من درجات الحرية لكل وحدة مساحة. ${\displaystyle w}$${\displaystyle f}$${\displaystyle \lambda(x)}$

يوضح الشكل 2 نموذج المستشعر الثنائي. تشير إلى قيم التعرض المتراكمة بواسطة وحدات بكسل المستشعر. بناءً على القيم المحلية لـ ، تجمع كل وحدة بكسل (الموضحة على أنها "دلاء" في الشكل) عددًا مختلفًا من الفوتونات التي تصطدم بسطحها. هو عدد الفوتونات التي تصطدم بسطح وحدة البكسل th أثناء فترة التعرض . العلاقة بين و عدد الفوتونات عشوائية. وبشكل أكثر تحديدًا، يمكن نمذجتها كتجسيدات لمتغير عشوائي بواسون، حيث تساوي معامل شدته ، ${\displaystyle s_{m}}$${\displaystyle s_{m}}$${\displaystyle y_{m}}$${\displaystyle م}$${\displaystyle s_{m}}$${\displaystyle y_{m}}$${\displaystyle y_{m}}$${\displaystyle s_{m}}$

كجهاز حساس للضوء ، يقوم كل بكسل في مستشعر الصورة بتحويل الفوتونات إلى إشارات كهربائية، تتناسب سعتها مع عدد الفوتونات التي تصطدم بهذا البكسل. في تصميم المستشعر التقليدي، يتم بعد ذلك تكميم الإشارات الكهربائية التناظرية بواسطة محول A/D إلى 8 إلى 14 بت (عادةً ما يكون عدد البتات أكبر كلما كان ذلك أفضل). ولكن في المستشعر الثنائي، يكون المكمِّم بتًا واحدًا. في الشكل 2، هو الناتج المكمَّم للبكسل رقم th. نظرًا لأن عدد الفوتونات مأخوذ من متغيرات عشوائية، فإن خرج المستشعر الثنائي كذلك . ${\displaystyle b_{m}}$${\displaystyle م}$${\displaystyle y_{m}}$${\displaystyle b_{m}}$

إذا سُمح بوجود زيادة مؤقتة في العينة، أي أخذ عدة إطارات متتالية ومستقلة دون تغيير إجمالي وقت التعرض ، فإن أداء المستشعر الثنائي يعادل أداء المستشعر الذي يحتوي على نفس عدد زيادة العينة المكانية في ظل ظروف معينة. ^[2] وهذا يعني أنه يمكن للأشخاص التوفيق بين زيادة العينة المكانية وزيادة العينة الزمنية. وهذا مهم للغاية، لأن التكنولوجيا عادة ما تفرض قيودًا على حجم وحدات البكسل ووقت التعرض. ${\displaystyle \tau }$

بسبب السعة المحدودة للبئر الكامل لبيكسل الصورة التقليدية، فإن البكسل سوف يتشبع عندما تكون شدة الضوء قوية للغاية. وهذا هو السبب في أن النطاق الديناميكي للبكسل منخفض. بالنسبة لمستشعر الصورة الثنائية المفرط في أخذ العينات، لا يتم تحديد النطاق الديناميكي لبكسل واحد، ولكن لمجموعة من البكسلات، مما يجعل النطاق الديناميكي مرتفعًا. ^[2]

أحد أهم التحديات التي تواجه استخدام مستشعر الصور الثنائية المفرطة في أخذ العينات هو إعادة بناء شدة الضوء من القياس الثنائي . يمكن استخدام تقدير الاحتمال الأقصى لحل هذه المشكلة. ^[2] يوضح الشكل 4 نتائج إعادة بناء شدة الضوء من 4096 صورة ثنائية تم التقاطها بواسطة كاميرا ثنائيات الانهيار الفوتوني الفردي (SPADs). ^[10] يمكن تحقيق جودة إعادة بناء أفضل مع عدد أقل من القياسات الزمنية وتنفيذ أسرع وصديق للأجهزة، من خلال خوارزميات أكثر تطورًا. ^[11]${\displaystyle \lambda(x)}$${\displaystyle b_{m}}$