Uživatel:Nesvalu1

Z HPM wiki
Přejít na: navigace, hledání
Ukázka CMOS senzoru
Ukázka CCD senzoru

Senzor je součástka zaznamenávající obraz procházející skrz objektiv, funguje na principu fotoelektrického jevu.

Dnes se využívají především technologie CCD a CMOS. Princip obou technologií je stejný, liší se způsobem výroby a shromažďováním informací ze senzoru.


Obsah

Jak funguje senzor

Senzor

Senzor je osazen polovodiči citlivými na světlo, po dopadu fotonu na atom polovodiče je elektronům předána energie. Tyto elektrony jsou vybuzeny do vyšší energetické hladiny a mohou se volně pohybovat. Počet vybuzených elektronů je úměrný intenzitě dopadajícího světla. Jejich shromážděním a změřením dostaneme informace o dopadajícím světle. Každý polovodičový čip tvoří jeden jasový bod fotografie, tzv. pixel. Pixely jsou citlivé na světlo, ale nedokáží rozpoznat jeho vlnovou délku (barvu), proto se před senzor dává Bayerova maska. Náboj, který nashromáždíme v pixelech je ve formě napětí zesílen a převeden A/D převodníkem pro další zpracování.




CMOS

Tato technologie používá symetricky se doplňující tranzistory MOSFET typu p a n. Fyzická struktura tranzistorových prvků je kovává řídící elektroda na izolantu z oxidu na polovodičovém materiálu.

Struktura komplementárních MOS tranzistorů na polovodiči typu p

U technologie CMOS má každá buňka obvody pro odvedení a měření náboje, fungují v podstatě nezávisle. Tyto obvody jsou pro každou buňku nutné pro odfiltrování náhodného náboje, který je v každé buňce jiný. Obvody však zabírají značnou část každé buňky a proto ubírají ploše citlivé na světlo. Samozřejmě platí, že čím větší je velikost plochy citlivé na světlo, tím je kvalita snímaní vyšší.

Výhody

Technologie CMOS je integrovatelnost a nízká spotřeba ve statickém stavu. Více energie spotřebuje pouze přepínání tranzistorů. Umožňuje také vyšší hustotu prvků na čipu. Cenové náklady na výrobu jsou nízké.

Nevýhody

Hlavní nevýhoda je rozdílnost v citlivosti jednotlivých buněk. Nutné pomocné vyrovnávací obvody, které způsobí nižší citlivost na světlo. Vyšší úroveň náhodného šumu, horší kvalita obrazu oproti senzoru CCD.

CCD

CCD je elektrotechnická součástka citlivá na světlo, která využívá fotoefektu.

U technologie CCD (charge-coupled device), náboj přetéká mezi buňkami, které jsou provázané. Díky tomu CCD využívá pouze jeden obrazový zesilovač. Před vpuštěním světla na senzor je vždy potřeba odebrat všechny volné elektrony (reset senzoru), tím se ovšem smaže veškerá informace která na senzoru byla.
Sbírání náboje z CCD senzoru

Výhody CCD

Senzory CCD poskytují kvalitní obraz s nízkým šumem. Obvykle mívají vyšší rozlišení a jsou citlivější na světlo.

Nevýhody CCD

Šum
Šum vzniká z mnoha příčin. Hlavní příčina je tepelný pohyb krystalové mřížky polovodiče. Při tomto pohybu se může elektron uvolnit bez působení fotonu. Tento elektron se pak přičítá k hodnotě světelné expozice dané buňky. Tento šum nelze ze snímku stoprocentně odstranit.

Vinětace
Vinětace je optická vada, která se projevuje nižším jasem na okraji snímku. Vzniká, protože buňky CCD jsou vybaveny čočkami, na ty dopadá maximum světla pouze ve směru kolmém k rovině snímače. Pokud dopadají pod jiným úhlem, je jejich účinnost zmenšená. Kolmo dopadají paprsky pouze doprostřed obrazu a směrem ke krajům se jejich úhel zvětšuje, účinnost zmenšuje.

Blooming
Blooming je jev, ke kterému dochází při použití elektronické závěrky. Nastává, pokud na některý pixel dopadne tolik světla, že přeteče jeho maximální kapacita. Elektrony, které přetečou se dostanou do okolních pixelů v řadě, takže kolem přesvícených pixelů vzniknou na snímku rovnoběžné čáry nepravidelných délek.

A/D převodník

Z každé buňky, která měří světlo je pro nás výstup analogové napětí. Pomocí A/D převodníku převedeme napětí na digitální číslo, se kterým se lépe pracuje. Většina fotoaparátů používá 8bitový převodník, což umožňuje 256 hodnot jasu na každý pixel. Dochází tedy ke kvantizaci signálu. Lepší fotoaparáty mají 12bitové převodníky, které mají 4096 hodnot jasu, to pro nás znamená menší kvantizační chybu, tuto přesnost však zachováme jen pro některé formáty jako je třeba RAW.

Dynamický rozsah senzoru odpovídá nejvyšší hodnotě napětí, kterou je schopen A/D převodník zpracovat. Pokud je hodnota vyšší hovoříme o přepáleném obraze.


Velikost senzoru

Crop faktor v závislosti na velikosti senzoru

Velikost senzoru má vliv na výslednou kvalitu fotografie, zvětšením senzoru zvýšíme jeho citlivost na světlo, potřebujeme méně světla, snížíme šum a zvýšíme SNR. Senzor získá kvalitnější informace. Na druhou stranu to znamená větší a těžší fotoaparát.

Rozlišení senzoru

Větší senzor také umožňuje zvýšit rozlišení senzoru. Rozlišení senzoru udává počet pixelů, ze kterých je tvořená fotografie, dnes jsou to řády MPix. Větší počet pixelů znamená více detailů na fotografii.

Velikost jednoho pixelu

Nezáleží však pouze na počtu pixelů, ale také na jejich velikosti, čím je každý pixel větší, tím více světla je schopný nasbírat, tím kvalitnější informaci je schopný podat.

Zorný úhel fotoaparátu

Zorný úhel

Zorný úhel určuje úhlový rozsah dané scény, tedy oblast, která bude zachycena objektivem a senzorem. Zorný uhel je také ovlivněn velikostí senzoru.
Výpočet zorného úhlu:

α=2arctan∙(d/(2∙f))

Crop faktor

Ve spojení s velikostí senzoru se také udává Crop faktor, který označuje koeficient, kterým se přepočítává ohnisková vzdálenost, jakou by měl objektiv se stejným zorným úhlem na kinofilmovém fotoaparátu.

Filtry před senzorem

Filtry před senzorem

Každý senzor je citlivý nejen na viditelné světlo, ale také na světlo infračervené a UV. Pokud by před senzorem nebyl filtr, senzor by mohl chybně reagovat a došlo by ke špatnému barevnému podaní snímku. Proto se před senzor vždy umísťují filtry které odfiltrují nechtěné složky spektra.

Bayerova maska


Bayerova maska

Pro získání barevného snímku využíváme Bayerovu masku, to je pole barevných filtrů, které rozdělí dopadající světlo na složky RGB. Tím pixely rozdělíme podle toho, jakou barvu snímají, 50% snímá zelenou, 25% červenou a 25% modrou barvu. To je dáno fyziologií lidského oka, které je na zelenou nejcitlivější.

Výsledkem snímání přes Bayerovu masku je snímek se stejným počtem pixelů jako rozlišení čipu, ale každý pixel obsahuje údaje pouze o jedné dopadající barvě. Další dvě barevné složky je nutné dopočítat ze 4 sousedních pixelů, dochází k tzv. interpolaci signálu.

Interpolace je proces, který vytváří nové pixely, ty dopočítá na základě známých. Tato metoda však pracuje pouze na průměrování barev, nelze určit jaká byla skutečná barva. Při interpolaci mohou vzniknout artefakty které je nutno odstranit dalšími filtry.

Foveon X3

Jiné provedení Bayerovi masky využívá Foveon X3. Tento snímač využívá technologie CMOS a je schopný zaznamenat kompletní barevnou informaci pro každý pixel. Skládá se ze tří vrstev, každá vrstva zachycuje jinou barevnou složku. Algoritmus pro zpracování obrazu ze získaných informací z těchto tří kanálů, poskládá výslednou barvu. Výsledný obraz není potřeba interpolovat, proto tu nevznikají žádné artefakty. Přesto tato technologie není rozšířena.

Artefakt moiré

Low pass Filter

Low pass také známý jako anti-aliasing filtr. Funguje jako filtr typu dolní propust, výsledný obraz lehce rozostří. Při ztrátě extrémního detailu je problém s moiré vyřešen. Tento filtr dnes obsahuje většina fotoaparátů.

Moiré je rušivý optický efekt. Příčina vzniku moiré je pravidelná struktura pixelů na senzoru. Vzniká při zaznamenávání pravidelných vzorků podobné velikosti jako je vzorek senzoru. Moiré se projevuje jako barevné či černobílé interferenční vzorky.

Zdroje

[1] http://www.fotoroman.cz/tech2/dslr1.htm
[2] https://www.vistek.ca/buyingguides/dslrs/
[3] https://www.fotoaparat.cz/clanek/234/cmos-cidla-a-jejich-vlastnosti-5022/
[4] https://newatlas.com/camera-sensor-size-guide/26684/
[5] https://www.megapixel.cz/slovnik
[6] https://photographylife.com/what-is-low-pass-filter
Wikipedia:
CMOS
CCD
Zorný úhel
Bayerova maska
Foveon X3
Moiré

Osobní nástroje
Jmenné prostory
Varianty
Akce
Navigace
Nástroje