Snímač obrazu

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]

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.

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 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]

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.[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 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.

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

• 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

• Digital Camera Sensor Performance Summary by Roger Clark.

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