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 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.
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.
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.CCD vs. CMOS, podrobný odborný článok, angličtina
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.ieee.org - CCD in CMOS Padmakumar R. Rao et al., "CCD structures implemented in standard 0.18 µm CMOS technology"
Výkon 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 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.
thumb|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 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.semiconductor.net - Sony Backside Illuminated CMOS Image Sensornikkeibp.co.jp - OmniVision on Backside-illuminated CMOS Sensors thumb|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. 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.
Špeciálne senzory 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 šírka [px] výška [px] pomer strán celkový počet bodov mega-pixelov príklad fotoaparátu 1:1 Kodak (by Steven Sasson) Prototyp (1975) Apple QuickTake 100 (1994) Canon Powershot 600 (1996) Olympus D-300L (1996) 1:1 Nikon NASA F4 (1991) Fujifilm DS-300 (1997) 5:4 Fujifilm MX-700, Fujifilm MX-1700 (1999), Leica Digilux (1998), Leica Digilux Zoom (2000) Nikon Coolpix 950, Samsung GT-S3500 Nikon D1 Canon PowerShot A75, Nikon Coolpix 995 Olympus Stylus 410, Contax i4R (snímač má realne 2272×2272) Canon 1D Olympus E-1, Sony Cyber-shot DSC-F707, Sony Cyber-shot DSC-F717 Olympus Stylus 600 Digital D100,Nikon D40, D50, D70, D70s, Pentax K100D, Konica Minolta Maxxum 7D, Konica Minolta Maxxum 5D, Epson R-D1 Canon EOS 10D, Canon EOS 300D Olympus FE-210, Canon PowerShot A620 Canon EOS 350D Olympus E-500, Olympus SP-350, Canon PowerShot A720 IS, Nokia 701, HTC Desire HD, Apple iPhone 4S Canon EOS 30D, Canon EOS-1D Mark II, Canon EOS-1D Mark II N Canon EOS 20D 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 Nikon D40x, Nikon D60, Nikon D3000, Nikon D200, Nikon D80, Pentax K10D, Pentax K200D, Sony Alpha A100 Canon EOS 40D, Canon EOS 400D, Canon EOS 1000D Canon EOS-1Ds Canon Powershot G9, Fujifilm FinePix S200EXR, Nikon Coolpix L110, Kodak Easyshare Max Z990 Nikon D3, Nikon D3S, Nikon D700, Fujifilm FinePix S5 Pro Canon EOS 450D Olympus PEN E-P1 Nikon D2Xs/D2X, Nikon D300, Nikon D300S, Nikon D90, Nikon D5000, Pentax K-x RED ONE Mysterium Canon EOS 5D RED Mysterium-X (2640 × 3) Sigma SD14, Sigma DP1 (3 vrstvy fotopolí, 4.7 MP na každú vrstvu v snímači Foveon X3) Pentax K20D, Pentax K-7 Canon EOS 50D, Canon EOS 500D, Sigma SD1 Fujifilm X-Pro1, Fujifilm X-E1 (X-Trans senzor má odlišne koncipovanú bayerovu mriežku) Nikon D7000, Nikon D5100, Pentax K-5 Canon EOS-1Ds Mark II, Canon EOS-1D Mark IV Canon EOS 7D, Canon EOS 60D, Canon EOS 600D, Canon EOS 550D, Canon EOS 650D, Canon EOS 700D Leica M9 Canon EOS-1Ds Mark III, Canon EOS-5D Mark II Sony ? 850, Sony ? 900, Sony Alpha 99, Nikon D3X and Nikon D600 1:1 Leica S1 (line scanner, 1997)Digicam history 1997 Nikon D800, Sony Alpha 7R Leica S2 Hasselblad H3DII-39 Leica RCD100 Pentax 645D Phase One IQ140 ~ 10:7 Nokia 808 PureView Hasselblad H3DII-50, Hasselblad H4D-50 9:4 Better Light 4000E-HS (scanned) Hasselblad H4D-60 Phase One IQ160, Phase One P65+ Leaf Aptus-II 12, Leaf Aptus-II 12R Phase One IQ180 1:1 Leica RC30 (point scanner) 6:5 Phase One PowerPhase FX/FX+ (line scanner) 9:4 Better Light 6000-HS/6000E-HS (line scanner) 17:6 Seitz 6x17 Digital (line scanner) * * Hasselblad H4D-200MS (*pri použití viacnásobného snímkovania (6x)) Better Light Super 6K-HS (line scanner) ~ Better Light Super 8K-HS (line scanner) 9:4 Better Light Super 10K-HS (line scanner) ~ 25:3 Seitz Roundshot D3 (80 mm lens) (scanned) ~ 5:1 Seitz Roundshot D3 (110 mm lens) (line scanner) 1:1 Pan-STARRS PS1 ~ 26:3 Better Light 300 mm lens Digital (line scanner)
Spoločnosti 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
Pozri aj 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
Iné projekty
Externé odkazy Digital Camera Sensor Performance Summary by Roger Clark.
Zdroj
Kategória:Digitálna fotografia