Snímač obrazu
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.
- 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 nežiaducich 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][4]
- 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.[5]
- 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.[6]
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 |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | 100 | 1:1 |
10 000 | 0,01 | Kodak (by Steven Sasson) Prototyp (1975) |
| 640 | 480 |  |
307 200 | 0,3 | Apple QuickTake 100 (1994) |
| 832 | 608 | |
505 856 | 0,5 | Canon Powershot 600 (1996) |
| 1 024 | 768 | |
786 432 | 0,8 | Olympus D-300L (1996) |
| 1 024 | 1 024 | 1:1 |
1 048 576 | 1,0 | Nikon NASA F4 (1991) |
| 1 280 | 960 | |
1 228 800 | 1,3 | Fujifilm DS-300 (1997) |
| 1 280 | 1 024 | 5:4 |
1 310 720 | 1,3 | Fujifilm MX-700, Fujifilm MX-1700 (1999), Leica Digilux (1998), Leica Digilux Zoom (2000) |
| 1 600 | 1 200 | |
1 920 000 | 2,0 | Nikon Coolpix 950, Samsung GT-S3500 |
| 2 012 | 1 324 |  |
2 663 888 | 2,7 | Nikon D1 |
| 2 048 | 1 536 | |
3 145 728 | 3,0 | Canon PowerShot A75, Nikon Coolpix 995 |
| 2 272 | 1 704 | |
3 871 488 | 4,0 | Olympus Stylus 410, Contax i4R (snímač má realne 2272×2272) |
| 2 464 | 1 648 | |
4 060 672 | 4,1 | Canon 1D |
| 2 560 | 1 920 | |
4 915 200 | 4,9 | Olympus E-1, Sony Cyber-shot DSC-F707, Sony Cyber-shot DSC-F717 |
| 2 816 | 2 112 | |
5 947 392 | 5,9 | Olympus Stylus 600 Digital |
| 3 008 | 2 000 | |
6 016 000 | 6,0 | D100,Nikon D40, D50, D70, D70s, Pentax K100D, Konica Minolta Maxxum 7D, Konica Minolta Maxxum 5D, Epson R-D1 |
| 3 072 | 2 048 | |
6 291 456 | 6,3 | Canon EOS 10D, Canon EOS 300D |
| 3 072 | 2 304 | |
7 077 888 | 7,1 | Olympus FE-210, Canon PowerShot A620 |
| 3 456 | 2 304 | |
7 962 624 | 8,0 | Canon EOS 350D |
| 3 264 | 2 448 | |
7 990 272 | 8,0 | Olympus E-500, Olympus SP-350, Canon PowerShot A720 IS, Nokia 701, HTC Desire HD, Apple iPhone 4S |
| 3 504 | 2 336 | |
8 185 344 | 8,2 | Canon EOS 30D, Canon EOS-1D Mark II, Canon EOS-1D Mark II N |
| 3 520 | 2 344 | |
8 250 880 | 8,3 | Canon EOS 20D |
| 3 648 | 2 736 | |
9 980 928 | 10,0 | 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 |
| 3 872 | 2 592 | |
10 036 224 | 10,0 | Nikon D40x, Nikon D60, Nikon D3000, Nikon D200, Nikon D80, Pentax K10D, Pentax K200D, Sony Alpha A100 |
| 3 888 | 2 592 | |
10 077 696 | 10,1 | Canon EOS 40D, Canon EOS 400D, Canon EOS 1000D |
| 4 064 | 2 704 | |
10 989 056 | 11,0 | Canon EOS-1Ds |
| 4 000 | 3 000 | |
12 000 000 | 12,0 | Canon Powershot G9, Fujifilm FinePix S200EXR, Nikon Coolpix L110, Kodak Easyshare Max Z990 |
| 4 256 | 2 832 | |
12 052 992 | 12,1 | Nikon D3, Nikon D3S, Nikon D700, Fujifilm FinePix S5 Pro |
| 4 272 | 2 848 | |
12 166 656 | 12,2 | Canon EOS 450D |
| 4 032 | 3 024 | |
12 192 768 | 12,2 | Olympus PEN E-P1 |
| 4 288 | 2 848 | |
12 212 224 | 12,2 | Nikon D2Xs/D2X, Nikon D300, Nikon D300S, Nikon D90, Nikon D5000, Pentax K-x |
| 4 900 | 2 580 |  |
12 642 000 | 12,6 | RED ONE Mysterium |
| 4 368 | 2 912 | |
12 719 616 | 12,7 | Canon EOS 5D |
| 5 120 | 2 700 | |
13 824 000 | 13,8 | RED Mysterium-X |
| 7 920 (2640 × 3) | 1 760 | |
13 939 200 | 13,9 | Sigma SD14, Sigma DP1 (3 vrstvy fotopolí, 4.7 MP na každú vrstvu v snímači Foveon X3) |
| 4 672 | 3 104 | |
14 501 888 | 14,5 | Pentax K20D, Pentax K-7 |
| 4 752 | 3 168 | |
15 054 336 | 15,1 | Canon EOS 50D, Canon EOS 500D, Sigma SD1 |
| 4 896 | 3 264 | |
15 980 544 | 16,0 | Fujifilm X-Pro1, Fujifilm X-E1 (X-Trans senzor má odlišne koncipovanú bayerovu mriežku) |
| 4 928 | 3 262 | |
16 075 136 | 16,1 | Nikon D7000, Nikon D5100, Pentax K-5 |
| 4 992 | 3 328 | |
16 613 376 | 16,6 | Canon EOS-1Ds Mark II, Canon EOS-1D Mark IV |
| 5 184 | 3 456 | |
17 915 904 | 17,9 | Canon EOS 7D, Canon EOS 60D, Canon EOS 600D, Canon EOS 550D, Canon EOS 650D, Canon EOS 700D |
| 5 270 | 3 516 | |
18 529 320 | 18,5 | Leica M9 |
| 5 616 | 3 744 | |
21 026 304 | 21,0 | Canon EOS-1Ds Mark III, Canon EOS-5D Mark II |
| 6 048 | 4 032 | |
24 385 536 | 24,4 | Sony ? 850, Sony ? 900, Sony Alpha 99, Nikon D3X and Nikon D600 |
| 5 140 | 5 140 | 1:1 |
26 419 600 | 26,4 | Leica S1 (line scanner, 1997)[7] |
| 7 360 | 4 912 | |
36 152 320 | 36,2 | Nikon D800, Sony Alpha 7R |
| 7 500 | 5 000 | |
37 500 000 | 37,5 | Leica S2 |
| 7 212 | 5 142 | |
39 031 344 | 39,0 | Hasselblad H3DII-39 |
| 7 216 | 5 412 | |
39 052 992 | 39,1 | Leica RCD100 |
| 7 264 | 5 440 | |
39 516 160 | 39,5 | Pentax 645D |
| 7 320 | 5 484 | |
40 142 880 | 40,1 | Phase One IQ140 |
| 7 728 | 5 368 | ~ 10:7 | 41 483 904 | 41,5 | Nokia 808 PureView |
| 8 176 | 6 132 | |
50 135 232 | 50,1 | Hasselblad H3DII-50, Hasselblad H4D-50 |
| 11 250 | 5 000 | 9:4 | 56 250 000 | 56,3 | Better Light 4000E-HS (scanned) |
| 8 956 | 6 708 | |
60 076 848 | 60,1 | Hasselblad H4D-60 |
| 8 984 | 6 732 | |
60 480 288 | 60,5 | Phase One IQ160, Phase One P65+ |
| 10 320 | 7 752 | |
80 000 640 | 80,0 | Leaf Aptus-II 12, Leaf Aptus-II 12R |
| 10 328 | 7 760 | |
80 145 280 | 80,1 | Phase One IQ180 |
| 9 372 | 9 372 | 1:1 |
87 834 384 | 87,8 | Leica RC30 (point scanner) |
| 12 600 | 10 500 | 6:5 | 132 300 000 | 132,3 | Phase One PowerPhase FX/FX+ (line scanner) |
| 18 000 | 8 000 | 9:4 | 144 000 000 | 144,0 | Better Light 6000-HS/6000E-HS (line scanner) |
| 21 250 | 7 500 | 17:6 | 159 375 000 | 159,4 | Seitz 6x17 Digital (line scanner) |
| 16 352* | 12 264* | |
200 540 928 | 200,5 | Hasselblad H4D-200MS (*pri použití viacnásobného snímkovania (6x)) |
| 18 000 | 12 000 | |
216 000 000 | 216,0 | Better Light Super 6K-HS (line scanner) |
| 24 000 | 15 990 | ~ |
383 760 000 | 383,8 | Better Light Super 8K-HS (line scanner) |
| 30 600 | 13 600 | 9:4 | 416 160 000 | 416,2 | Better Light Super 10K-HS (line scanner) |
| 62 830 | 7 500 | ~ 25:3 | 471 225 000 | 471,2 | Seitz Roundshot D3 (80 mm lens) (scanned) |
| 62 830 | 13 500 | ~ 5:1 | 848 205 000 | 848,2 | Seitz Roundshot D3 (110 mm lens) (line scanner) |
| 38 000 | 38 000 | 1:1 |
1 444 000 000 | 1 444,0 | Pan-STARRS PS1 |
| 157 000 | 18 000 | ~ 26:3 | 2 826 000 000 | 2 826,0 | Better Light 300 mm lens Digital (line scanner) |
Spoločnosti
[upraviť | upraviť zdroj]Medzi najväčšie spoločnosti vyrábajúce obrazové senzory patria:
- Agilent
- Aptina (divízia Micron Technology)
- Canesta
- Canon
- Caeleste
- CMOSIS
- Dalsa
- Eastman Kodak
- ESS Technology
- Fujifilm
- MagnaChip
- Matsushita
- MAZeT GmbH
- Mitsubishi
- Nikon
- OmniVision Technologies
- ON Semiconductor (formerly Cypress Semiconductor)
- PixArt Imaging
- Pixim
- Samsung
- Sharp
- Sony
- STMicroelectronics
- Toshiba
Referencie
[upraviť | upraviť zdroj]- 1 2 3 CCD vs. CMOS, podrobný odborný článok, angličtina
- ↑ ieee.org - CCD in CMOS Padmakumar R. Rao et al., "CCD structures implemented in standard 0.18 µm CMOS technology"
- ↑ semiconductor.net - Sony Backside Illuminated CMOS Image Sensor
- ↑ nikkeibp.co.jp - OmniVision on Backside-illuminated CMOS Sensors
- ↑ . Dostupné online.
- ↑ . Dostupné online. Archivované 2014-02-09 z originálu.
- ↑ Digicam history 1997
Pozri aj
[upraviť | upraviť zdroj]- Vidikon
- Polovodičový detektor
- Full-frame digital SLR
- Formát obrazového senzoru, popis formátov obrazových senzorov v digitálnej fotografii
- Mriežka farebného filtra, mozaika miniatúrnych farebných filtrov na obrazových senzoroch
Externé odkazy
[upraviť | upraviť zdroj]- Digital Camera Sensor Performance Summary by Roger Clark.
Zdroj
[upraviť | upraviť zdroj]Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Image sensor na anglickej Wikipédii.