Snímač obrazu

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie
Sezor typu CCD na ohybnej fólii obvodov
Mikrofotografia rohu poľa fotosenzoru digitálneho fotoaparátu
Obrazový senzor na doske spojov pre Nikon Coolpix L2 6 MP

Snímač obrazu (iné názvy: obrazový snímač, obrazový senzor, obrazový čip, snímací čip) je zariadenie, ktoré sa skladá zo sústavy jednoduchých fotosenzorov (fotodióda, fotorezistor či fototranzistor) a prevádza komplexnejšiu obrazovú informáciu na elektrický signál. Najčastejšie sa používa v digitálnych fotoaparátoch, digitálnych filmových kamerách (videokamerách) alebo iných zariadeniach na zachytávanie komplexnej obrazovej informácie (počítačové myši, rôzne typy skenerov). Prvé elektronické kamery na záznam obrazu používali na zachytávanie obrazu a jeho prevod na elektrické signály niektorý typ snímacej elektrónky. Tá bola neskôr nahradená kremíkovým mikročipom na báze CCD a neskôr CMOS, NMOS alebo Live MOS.

CCD vs CMOS[upraviť | upraviť zdroj]

Dnešné fotoaparáty a kamery (resp. v širšom zmysle všetky zariadenia na zachytávanie komplexnej obrazovej informácie) používajú v zásade dva druhy obrazových senzorov: typu CCD alebo CMOS. Oba typy sú určené na zachytenie obrazu a jeho prevod do elektrickej podoby/informácie. Z pohľadu samotnej kvality obrazu alebo vernosti farieb ani jedna z týchto technológií neprináša podstatnejšiu výhodu, líšia sa skôr spôsobom výroby a prevádzkovými parametrami.[1]

Každá jednotlivá fotobunka CCD senzoru je analógová - pasívna. Elektrický náboj sa vygeneruje až po dopade svetla na ňu, a je reprezentovaný zmenou napätia na kontaktoch fotobunky. Toto napätie je merané ovládacím obvodom a ďalej spracovávané. Výsledkom je digitálna informácia a elektronická podoba obrazu, ktorý dopadol na plochu celej sústavy fotobuniek senzora. CCD senzor je pomerne jednoduchý a lacný na výrobu, má však niektoré obmedzenia, najmä z hľadiska rýchlosti.[1]

Obrazový čip typu CMOS má jednotlivé fotobunky aktívne, vyrobené polovodičovou technológiou CMOS. Každá fotobunka je vlastne fotodiódou, cez ktorú periodicky prechádza elektrický impulz. Zmena v jeho veľkosti či inom parametre nastáva v momente, keď na fotodiódu dopadne svetlo. Následne je táto zmena vyhodnocovaná a ďalej spracovávaná podobne, ako v prípade CCD senzora. Táto konštrukcia so sebou prináša niektoré výhody, ale aj nevýhody. Zložitejšia štruktúra samotného obrazového senzora znamená, že jeho výroba je náročnejšia, a teda aj drahšia. Na druhej strane znamená podstatne rýchlejšiu prácu pri snímaní obrazu, čo je často kľúčový faktor pri zázname pohyblivého obrazu, kde CCD technológia naráža na limity.[1]

CCD senzory sú náchylnejšie k produkcii zvislých šmúh od jasných svetelných zdrojov, najmä ak je senzor preťažený (príliš intenzívnym svetlom), čo pri CMOS senzoroch nie je problém. Na druhej strane, bežné (a lacnejšie) CMOS snímače sú v určitých situáciách náchylné vyprodukovať deformovaný obraz v dôsledku princípu riadkového snímania obrazu.

Momentálne sú vo vývoji hybridné senzory kombinujúce CCD/CMOS architektúru, označované aj ako "sCMOS,". Vývoj stále prebieha a cieľom je získať výhody oboch technológií.[2]

Výkon[upraviť | upraviť zdroj]

Je viacero hľadísk, ako sa dá posudzovať výkon obrazového senzora. Medzi najtypickejšie parametre patrí dynamický rozsah, odstup šum-signál (alebo neužitočný vs. užitočný signál) a citlivosť pri slabom osvetlení. Pre senzory porovnateľných typov platí, že s ich rastúcou fyzickou veľkosťou rastie aj dynamický rozsah a zlepšuje sa pomer odstupu šum-signál.

Separácia farieb[upraviť | upraviť zdroj]

Existuje niekoľko základných typov farebných obrazových senzorov, líšiacich sa v princípe separácie jednotlivých farieb. Pre všetky typy senzorov platí rovnaká podmienka, že musia jeden plnofarebný bod poskladať z troch základných farieb - červenej, modrej a zelenej. Toto sa označuje ako tzv. RGB schéma.

Rozmiestnenie farebných filtrov v Bayerovej mriežke typu RGBG
  • Senzor s Bayerovou mriežkou (nazývaný hovorovo aj senzor s bayerom, alebo skrátene s bayerom), je vynálezom p. Bryce Bayera z roku 1976 z firmy Eastman Kodak. Je najrozšírenejším typom použitia farebného filtra, ktorý oddeľuje jednotlivé základné farby (červená, zelená a modrá) pre jednotlivé aktívne obrazové body. Tento filter je tvorený šachovnicovou sústavou (mriežkou) fitrov pred každým jedným bodom, pričom sú pravidelne rozmiestnené po celej ploche obrazového senzoru. Filter pre každú z týchto troch farieb prepustí (odfiltruje) na príslušnú fotobunku z celej dopadnutej obrazovej informácie len danú časť farebného spektra. Typicky sa používa RGBG zoskupenie filtrov - štvorica fotobuniek má teda dva zelené filtre, jeden červený a jeden modrý. Jeden výsledný (plnofarebný) obrazový bod sa však nezíska zoskupením týchto štyroch bodov, čím by sa vlastne znížila detailnosť (rozlíšenie) obrazu na štvrtinu, ale interpoláciou - dopočítaním chýbajúcej informácie.


Aby sa zabránilo vzniku nežiadúcich artefaktov pri interpolácii farebnej informácie, používajú sa doplnkové techniky, ako je napr. piezomechanizmus pre mikroposun snímača alebo antialiasing filter. K modernému zdokonaleniu senzorov s Bayerovu mriežkou patrí aj podsvetlenie senzora, kde svetlo osvetľuje kremíkový substrát senzora z opačnej strany. Zvyšuje sa tým účinnosť senzora a najmä podávaný výkon pri snímaní obrazu za zhoršených svetelných podmienok.[3][2]

Separácia farieb v senzore Foveon X3.
  • Snímač Foveon X3 alebo senzor s foveonom, či hovorovo jednoducho foveon, je obrazový senzor vyvinutý spoločnosťou Foveon ako alternatíva k snímačom s bayerovou mriežkou. Používa skupinu fotodiód navrstvených na sebe v rámci kremíkového substrátu. Princíp fungovania v navrstvení fotodiód v kremíkovom substráte vychádza zo špecifickej fyzikálnej vlastnosti kremíku: jednotlivé farebné zložky celého spektra svetla, prestupujúce kremíkom, sa pohlcujú postupne s rastúcou hĺbkou. Každá vrstva, ktorá na základe tohto fyzikálneho princípu pohlcuje inú časť spektra, je elektricky oddelená a odvysiela iný signál pre dané (pohltené) spektrum svetla. V obrazovom procesore sa tieto signály spájajú a prepočítavajú do výsledného obrazu.[4]
  • 3CCD, niekedy označované aj ako 3MOS riešenie (firmou Panasonic), je použitie troch samostatných obrazových senzorov (každý pre inú farebnú zložku spektra RGB) pričom svetlo snímaného obrazu sa rozkladá na RGB zložky pomocou dichroických zrkadiel. Výhodou je podstatne lepšia výsledná kvalita obrazu, podstatnou nevýhodou je náročnejšie riešenie sústavy zrkadiel, použitie troch senzorov a tiež nutnosť väčšieho priestoru pre sústavu zrkadiel so senzormi, namiesto použitia jediného senzoru.[5]

Špeciálne senzory[upraviť | upraviť zdroj]

Špeciálne senzory sa vyrábajú a používajú pre oblasti použitia, kde bežne vyrábané senzory nedostačujú svojim výkonom, parametrami alebo inými vlastnosťami. Z typických použití môžeme menovať termografiu (kamera zachytávajúca obraz primárne v infračervenom spektre), multispektrálnu fotografiu, laryngoskopiu, gama kamery, senzory pre röntgenové snímkovanie, a rôzne vysokocitlivé senzory pre astronómiu.

Tabuľka veľkostí senzorov používaných vo fotoaparátoch[upraviť | upraviť zdroj]

šírka [px] výška [px] pomer strán celkový počet bodov mega-
pixelov
príklad fotoaparátu
000000000000100.0000000000100 000000000000100.0000000000100
1:1
000000000010000.000000000010 000 000000000000000.01000000000,01 Kodak (by Steven Sasson) Prototyp (1975)
000000000000640.0000000000640 000000000000480.0000000000480 4:3 aspect ratio 000000000307200.0000000000307 200 000000000000000.30000000000,3 Apple QuickTake 100 (1994)
000000000000832.0000000000832 000000000000608.0000000000608 4:3 aspect ratio 000000000505856.0000000000505 856 000000000000000.50000000000,5 Canon Powershot 600 (1996)
000000000001024.00000000001 024 000000000000768.0000000000768 4:3 aspect ratio 000000000786432.0000000000786 432 000000000000000.80000000000,8 Olympus D-300L (1996)
000000000001024.00000000001 024 000000000001024.00000000001 024
1:1
000000001048576.00000000001 048 576 000000000000001.00000000001,0 Nikon NASA F4 (1991)
000000000001280.00000000001 280 000000000000960.0000000000960 4:3 aspect ratio 000000001228800.00000000001 228 800 000000000000001.30000000001,3 Fujifilm DS-300 (1997)
000000000001280.00000000001 280 000000000001024.00000000001 024
5:4
000000001310720.00000000001 310 720 000000000000001.30000000001,3 Fujifilm MX-700, Fujifilm MX-1700 (1999), Leica Digilux (1998), Leica Digilux Zoom (2000)
000000000001600.00000000001 600 000000000001200.00000000001 200 4:3 aspect ratio 000000001920000.00000000001 920 000 000000000000002.00000000002,0 Nikon Coolpix 950, Samsung GT-S3500
000000000002012.00000000002 012 000000000001324.00000000001 324 3:2 aspect ratio 000000002663888.00000000002 663 888 000000000000002.70000000002,7 Nikon D1
000000000002048.00000000002 048 000000000001536.00000000001 536 4:3 aspect ratio 000000003145728.00000000003 145 728 000000000000003.00000000003,0 Canon PowerShot A75, Nikon Coolpix 995
000000000002272.00000000002 272 000000000001704.00000000001 704 4:3 aspect ratio 000000003871488.00000000003 871 488 000000000000004.00000000004,0 Olympus Stylus 410, Contax i4R (snímač má realne 2272×2272)
000000000002464.00000000002 464 000000000001648.00000000001 648 3:2 aspect ratio 000000004060672.00000000004 060 672 000000000000004.10000000004,1 Canon 1D
000000000002560.00000000002 560 000000000001920.00000000001 920 4:3 aspect ratio 000000004915200.00000000004 915 200 000000000000004.90000000004,9 Olympus E-1, Sony Cyber-shot DSC-F707, Sony Cyber-shot DSC-F717
000000000002816.00000000002 816 000000000002112.00000000002 112 4:3 aspect ratio 000000005947392.00000000005 947 392 000000000000005.90000000005,9 Olympus Stylus 600 Digital
000000000003008.00000000003 008 000000000002000.00000000002 000 3:2 aspect ratio 000000006016000.00000000006 016 000 000000000000006.00000000006,0 D100,Nikon D40, D50, D70, D70s, Pentax K100D, Konica Minolta Maxxum 7D, Konica Minolta Maxxum 5D, Epson R-D1
000000000003072.00000000003 072 000000000002048.00000000002 048 3:2 aspect ratio 000000006291456.00000000006 291 456 000000000000006.30000000006,3 Canon EOS 10D, Canon EOS 300D
000000000003072.00000000003 072 000000000002304.00000000002 304 4:3 aspect ratio 000000007077888.00000000007 077 888 000000000000007.10000000007,1 Olympus FE-210, Canon PowerShot A620
000000000003456.00000000003 456 000000000002304.00000000002 304 3:2 aspect ratio 000000007962624.00000000007 962 624 000000000000008.00000000008,0 Canon EOS 350D
000000000003264.00000000003 264 000000000002448.00000000002 448 4:3 aspect ratio 000000007990272.00000000007 990 272 000000000000008.00000000008,0 Olympus E-500, Olympus SP-350, Canon PowerShot A720 IS, Nokia 701, HTC Desire HD, Apple iPhone 4S
000000000003504.00000000003 504 000000000002336.00000000002 336 3:2 aspect ratio 000000008185344.00000000008 185 344 000000000000008.20000000008,2 Canon EOS 30D, Canon EOS-1D Mark II, Canon EOS-1D Mark II N
000000000003520.00000000003 520 000000000002344.00000000002 344 3:2 aspect ratio 000000008250880.00000000008 250 880 000000000000008.30000000008,3 Canon EOS 20D
000000000003648.00000000003 648 000000000002736.00000000002 736 4:3 aspect ratio 000000009980928.00000000009 980 928 000000000000010.000000000010,0 Canon PowerShot G11, Canon PowerShot G12, Canon PowerShot S90, Canon PowerShot S95, Nikon CoolPix P7000, Nikon CoolPix P7100, Olympus E-410, Olympus E-510, Panasonic FZ50, Fujifilm FinePix HS10, Samsung EX1
000000000003872.00000000003 872 000000000002592.00000000002 592 3:2 aspect ratio 000000010036224.000000000010 036 224 000000000000010.000000000010,0 Nikon D40x, Nikon D60, Nikon D3000, Nikon D200, Nikon D80, Pentax K10D, Pentax K200D, Sony Alpha A100
000000000003888.00000000003 888 000000000002592.00000000002 592 3:2 aspect ratio 000000010077696.000000000010 077 696 000000000000010.100000000010,1 Canon EOS 40D, Canon EOS 400D, Canon EOS 1000D
000000000004064.00000000004 064 000000000002704.00000000002 704 3:2 aspect ratio 000000010989056.000000000010 989 056 000000000000011.000000000011,0 Canon EOS-1Ds
000000000004000.00000000004 000 000000000003000.00000000003 000 4:3 aspect ratio 000000012000000.000000000012 000 000 000000000000012.000000000012,0 Canon Powershot G9, Fujifilm FinePix S200EXR, Nikon Coolpix L110, Kodak Easyshare Max Z990
000000000004256.00000000004 256 000000000002832.00000000002 832 3:2 aspect ratio 000000012052992.000000000012 052 992 000000000000012.100000000012,1 Nikon D3, Nikon D3S, Nikon D700, Fujifilm FinePix S5 Pro
000000000004272.00000000004 272 000000000002848.00000000002 848 3:2 aspect ratio 000000012166656.000000000012 166 656 000000000000012.200000000012,2 Canon EOS 450D
000000000004032.00000000004 032 000000000003024.00000000003 024 4:3 aspect ratio 000000012192768.000000000012 192 768 000000000000012.200000000012,2 Olympus PEN E-P1
000000000004288.00000000004 288 000000000002848.00000000002 848 3:2 aspect ratio 000000012212224.000000000012 212 224 000000000000012.200000000012,2 Nikon D2Xs/D2X, Nikon D300, Nikon D300S, Nikon D90, Nikon D5000, Pentax K-x
000000000004900.00000000004 900 000000000002580.00000000002 580 16:9 aspect ratio 000000012642000.000000000012 642 000 000000000000012.600000000012,6 RED ONE Mysterium
000000000004368.00000000004 368 000000000002912.00000000002 912 3:2 aspect ratio 000000012719616.000000000012 719 616 000000000000012.700000000012,7 Canon EOS 5D
000000000005120.00000000005 120 000000000002700.00000000002 700 16:9 aspect ratio 000000013824000.000000000013 824 000 000000000000013.800000000013,8 RED Mysterium-X
000000000007920.00000000007 920 (2640 × 3) 000000000001760.00000000001 760 3:2 aspect ratio 000000013939200.000000000013 939 200 000000000000013.900000000013,9 Sigma SD14, Sigma DP1 (3 vrstvy fotopolí, 4.7 MP na každú vrstvu v snímači Foveon X3)
000000000004672.00000000004 672 000000000003104.00000000003 104 3:2 aspect ratio 000000014501888.000000000014 501 888 000000000000014.500000000014,5 Pentax K20D, Pentax K-7
000000000004752.00000000004 752 000000000003168.00000000003 168 3:2 aspect ratio 000000015054336.000000000015 054 336 000000000000015.100000000015,1 Canon EOS 50D, Canon EOS 500D, Sigma SD1
000000000004896.00000000004 896 000000000003264.00000000003 264 3:2 aspect ratio 000000015980544.000000000015 980 544 000000000000016.000000000016,0 Fujifilm X-Pro1, Fujifilm X-E1 (X-Trans senzor má odlišne koncipovanú bayerovu mriežku)
000000000004928.00000000004 928 000000000003262.00000000003 262 3:2 aspect ratio 000000016075136.000000000016 075 136 000000000000016.100000000016,1 Nikon D7000, Nikon D5100, Pentax K-5
000000000004992.00000000004 992 000000000003328.00000000003 328 3:2 aspect ratio 000000016613376.000000000016 613 376 000000000000016.600000000016,6 Canon EOS-1Ds Mark II, Canon EOS-1D Mark IV
000000000005184.00000000005 184 000000000003456.00000000003 456 3:2 aspect ratio 000000017915904.000000000017 915 904 000000000000017.900000000017,9 Canon EOS 7D, Canon EOS 60D, Canon EOS 600D, Canon EOS 550D, Canon EOS 650D, Canon EOS 700D
000000000005270.00000000005 270 000000000003516.00000000003 516 3:2 aspect ratio 000000018529320.000000000018 529 320 000000000000018.500000000018,5 Leica M9
000000000005616.00000000005 616 000000000003744.00000000003 744 3:2 aspect ratio 000000021026304.000000000021 026 304 000000000000021.000000000021,0 Canon EOS-1Ds Mark III, Canon EOS-5D Mark II
000000000006048.00000000006 048 000000000004032.00000000004 032 3:2 aspect ratio 000000024385536.000000000024 385 536 000000000000024.400000000024,4 Sony ? 850, Sony ? 900, Sony Alpha 99, Nikon D3X and Nikon D600
000000000005140.00000000005 140 000000000005140.00000000005 140
1:1
000000026419600.000000000026 419 600 000000000000026.400000000026,4 Leica S1 (line scanner, 1997)[6]
000000000007360.00000000007 360 000000000004912.00000000004 912 3:2 aspect ratio 000000036152320.000000000036 152 320 000000000000036.200000000036,2 Nikon D800, Sony Alpha 7R
000000000007500.00000000007 500 000000000005000.00000000005 000 3:2 aspect ratio 000000037500000.000000000037 500 000 000000000000037.500000000037,5 Leica S2
000000000007212.00000000007 212 000000000005142.00000000005 142 4:3 aspect ratio 000000039031344.000000000039 031 344 000000000000039.000000000039,0 Hasselblad H3DII-39
000000000007216.00000000007 216 000000000005412.00000000005 412 4:3 aspect ratio 000000039052992.000000000039 052 992 000000000000039.100000000039,1 Leica RCD100
000000000007264.00000000007 264 000000000005440.00000000005 440 4:3 aspect ratio 000000039516160.000000000039 516 160 000000000000039.500000000039,5 Pentax 645D
000000000007320.00000000007 320 000000000005484.00000000005 484 4:3 aspect ratio 000000040142880.000000000040 142 880 000000000000040.100000000040,1 Phase One IQ140
000000000007728.00000000007 728 000000000005368.00000000005 368 ~ 10:7 000000041483904.000000000041 483 904 000000000000041.500000000041,5 Nokia 808 PureView
000000000008176.00000000008 176 000000000006132.00000000006 132 4:3 aspect ratio 000000050135232.000000000050 135 232 000000000000050.100000000050,1 Hasselblad H3DII-50, Hasselblad H4D-50
000000000011250.000000000011 250 000000000005000.00000000005 000 9:4 000000056250000.000000000056 250 000 000000000000056.300000000056,3 Better Light 4000E-HS (scanned)
000000000008956.00000000008 956 000000000006708.00000000006 708 4:3 aspect ratio 000000060076848.000000000060 076 848 000000000000060.100000000060,1 Hasselblad H4D-60
000000000008984.00000000008 984 000000000006732.00000000006 732 4:3 aspect ratio 000000060480288.000000000060 480 288 000000000000060.500000000060,5 Phase One IQ160, Phase One P65+
000000000010320.000000000010 320 000000000007752.00000000007 752 4:3 aspect ratio 000000080000640.000000000080 000 640 000000000000080.000000000080,0 Leaf Aptus-II 12, Leaf Aptus-II 12R
000000000010328.000000000010 328 000000000007760.00000000007 760 4:3 aspect ratio 000000080145280.000000000080 145 280 000000000000080.100000000080,1 Phase One IQ180
000000000009372.00000000009 372 000000000009372.00000000009 372
1:1
000000087834384.000000000087 834 384 000000000000087.800000000087,8 Leica RC30 (point scanner)
000000000012600.000000000012 600 000000000010500.000000000010 500 6:5 000000132300000.0000000000132 300 000 000000000000132.3000000000132,3 Phase One PowerPhase FX/FX+ (line scanner)
000000000018000.000000000018 000 000000000008000.00000000008 000 9:4 000000144000000.0000000000144 000 000 000000000000144.0000000000144,0 Better Light 6000-HS/6000E-HS (line scanner)
000000000021250.000000000021 250 000000000007500.00000000007 500 17:6 000000159375000.0000000000159 375 000 000000000000159.4000000000159,4 Seitz 6x17 Digital (line scanner)
000000000016352.000000000016 352* 000000000012264.000000000012 264* 4:3 aspect ratio 000000200540928.0000000000200 540 928 000000000000200.5000000000200,5 Hasselblad H4D-200MS (*pri použití viacnásobného snímkovania (6x))
000000000018000.000000000018 000 000000000012000.000000000012 000 4:3 aspect ratio 000000216000000.0000000000216 000 000 000000000000216.0000000000216,0 Better Light Super 6K-HS (line scanner)
000000000024000.000000000024 000 000000000015990.000000000015 990 ~ 3:2 aspect ratio 000000383760000.0000000000383 760 000 000000000000383.8000000000383,8 Better Light Super 8K-HS (line scanner)
000000000030600.000000000030 600 000000000013600.000000000013 600 9:4 000000416160000.0000000000416 160 000 000000000000416.2000000000416,2 Better Light Super 10K-HS (line scanner)
000000000062830.000000000062 830 000000000007500.00000000007 500 ~ 25:3 000000471225000.0000000000471 225 000 000000000000471.2000000000471,2 Seitz Roundshot D3 (80 mm lens) (scanned)
000000000062830.000000000062 830 000000000013500.000000000013 500 ~ 5:1 000000848205000.0000000000848 205 000 000000000000848.2000000000848,2 Seitz Roundshot D3 (110 mm lens) (line scanner)
000000000038000.000000000038 000 000000000038000.000000000038 000
1:1
000001444000000.00000000001 444 000 000 000000000001444.00000000001 444,0 Pan-STARRS PS1
000000000157000.0000000000157 000 000000000018000.000000000018 000 ~ 26:3 000002826000000.00000000002 826 000 000 000000000002826.00000000002 826,0 Better Light 300 mm lens Digital (line scanner)

Spoločnosti[upraviť | upraviť zdroj]

Medzi najväčšie spoločnosti vyrábajúce obrazové senzory patria:

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

Pozri aj[upraviť | upraviť zdroj]

Externé odkazy[upraviť | upraviť zdroj]

Zdroj[upraviť | upraviť zdroj]

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Image sensor na anglickej Wikipédii.