SENZORI

SENZORI U FOTOAPARATIMA

 

Ono što je u analognoj fotografiji film, u digitalnoj je fotografiji senzor. Senzori su dijelovi digitalnog fotoaparata pomoću kojih je moguće zabilježiti sliku u digitalnom obliku, odnosno u obliku digitalnih podataka. Pomoću senzora se mjere fizikalne veličine objekta ili scene koju se snima, te se zatim te veličine pretvaraju u signale, odnosno daju sliku u digitalnom obliku. Pojavili su se 1975. godine i od tada se njihov razvoj i primjena ne zaustavljaju. Rad senzora se može testirati i ocjenjivati na temelju nekih njegovih karakteristika. Tako je na primjer moguće testirati dinamički raspon senzora, šum-signal odnos i slično.

 

1. Princip rada senzora

 

Senzor se sastoji od mreže fotoosjetljivih ćelija. Odabirom motiva slikanja i pritiskanjem gumba zatvarača kroz sustav leća objektiva svjetlost dolazi do senzora fotoaparata. Ispred samog senzora postoji filtarska mreža koja propušta samo vlastitu boju svjetlosti. Na taj način dobivamo zapis o boji u tri zasebne mreže boje. Svako se filtarsko polje nalazi ispred jedne ćelije fotosenzora. Fotosenzor stvara električni impuls kada na njega padne svjetlo, a jačina tog impulsa ovisi o količini svjetla koja pada na njega. Električni impulsi svake ćelije razmjerni su jačini upadne svjetlosti, a da bi takve impulse bilo moguće zapisati u digitalnom obliku, oni se moraju kvantizirati, pri čemu se svakom impulsu pripisuje određen broj.

 

Ti signali potom odlaze na obradu u softver fotografskog aparata, gdje se odvija interpolacija boja, odnosno spajanje tri mreže razdvojenih boja u jedinstvenu sliku. Svaki piksel dobiva odgovarajuću vrijednost boje, te na taj način digitalni fotoaparat obrađuje impulse različite jačine. Interpolacija je ključan korak jer upravo usavršavanje interpolacijskih algoritama unapređuje kvalitete fotografija koje određen fotoaparat može pružiti. Vrijednost svakog piksela izračunava se na osnovu podataka iz susjednih ćelija. Te se vrijednosti potom povezuju kako bi stvorile slikovnu datoteku. Slika se zapisuje u digitalnom obliku na memorijsku karticu fotoaparata.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Proces nastajanja digitalne fotografije

 

 

 

1.1. Filtarska mreža

 

Filtarska se mreža, kao što je već rečeno nalazi točno ispred samih senzora, te na njih propušta samo svjetlo određenih valnih duljina. Ispred jedne ćelije fotosenzora nalazi se jedno polje filtra u određenoj boji. Filtar propušta samo vlastitu boju (uz propuštanje i malog dijela drugih boja, zbog svojih nesavršenosti). Danas se u digitalnim fotoaparatima najčešće koristi filtarska mreža u kojoj su polja posložena po Bayerovom uzorku. Bayerov uzorak čini 50% zelenih polja, te po 25% plavih i crvenih polja. Zelena su polja mnogo više zastupljenija zbog najveće osjetljivosti ljudskog oka na upravo tu boju. Postoji više varijacija Bayerovog uzorka, gdje se koriste četiri boje – cijan umjesto polovica zelenih polja, ili uzorak s četiri boje – cijanom, magentom, žutom i zelenom. Ipak, takve su izvedbe mnogo manje zastupljene.

 

 

 

 

 

 

 

 

Prolaskom svjetla kroz filtarski mozaik dobivamo odvojene informacije o pojedinoj boji. Budući da sam senzor raspoznaje samo na količinu svjetla koja padne na njega, ćelija fotosenzora ispod, primjerice, crvenog filtra, daje nam informaciju o količini svjetla crvenih boja na tom polju.

 

 

 

 

 

 

 

Zapisi slike prije interpolacije

 

2. Vrste senzora

 

Danas na tržištu postoji veliki broj senzora koji se međusobno razlikuju po nekim karakteristikama. Tako se na primjer mogu naći senzori koji se razlikuju u omjeru slike (4:3, 16:9, 3:2, itd.), broju piksela, dimenziji slike i slično. Iako je osnovni princip rada senzora isti, dijelimo ih na tri osnovne vrste: CCD, CMOS i Foveon X3 senzore.

 

2.1. CCD senzori

 

CCD senzor je napravljen od posebno izrađenog silicijskog čipa, kod kojeg je jedna strana osjetljiva na svjetlo. Ovaj senzor su predstavili 1969. godine Williard Boyle i George Smith.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CCD senzor

 

CCD senzori (engl. Charged Coupled Device) su uređaji sastavljeni od stotina tisuća fotoosjetljivih dioda koje bilježe jakost svjetla koje prime i tu vrijednost pretvaraju u električni naboj. Jakost tog naboja proporcionalna je jakosti svjetla koje ta dioda primi. Na posljetku se očitani naboj pretvara u piksel, kao dio ukupne slike. Međutim, CCD senzor ne bilježi boje, nego samo jakost svjetla koje pada na njega. Tako nastala slika šalje se u određene filtare za boju, koji bilježe onda crvenu, zelenu ili plavu boju.

 

 

 

 

 

 

 

Prikaz obojenih filtara

 

Moguće je upotrijebiti i više CCD senzora, od kojih svaki bilježi jedan spektar boja. U tom slučaju se koristi prizma koja rastavlja svjetlost na crvenu, zelenu i plavu, te svaku određenu boju šalje odgovarajućem CCD senzoru. Na taj se način individualno bilježi jakost svjetla za svaku boju. Ovakva izvedba povećava cijenu uređaja.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Očitavanje električnih impulsa

 

CCD u doslovnom prijevodu znači uređaj povezan nabojem. To je pravokutna matrica u vidu mozaika, sastavljena od milijuna kvadratnih ili pravokutnih ćelija. Od dimenzije površine čipa ovisi i broj fotoosjetljivih ćelija. Očitavanje električnih impulsa iz ćelije se izvodi serijski, odnosno jedan za drugim. Električne impulse treba pojačati, te se kod CCD senzora pojačivači nalaze na kraju svakog reda.

 

2.2. CMOS senzori

 

CMOS senzori, punog engleskog naziva Complementary metal–oxide–semiconductor senso, ime su dobili prema tehnologiji na čijem principu rade. CMOS tehnologiju je 1967. godine patentirao Frank Wanlass.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CMOS senzor

 

CMOS senzor, isto kao i CCD senzor radi na principu mreže milijuna sitnih fotoosjetljivih ćelija. Svaka od tih ćelija stvara električni impuls kada na nju padne svjetlo, a snaga impulsa ovisi o količini svjetla. Najveća je razlika između CMOS i CCD senzora u načinu na koji se taj električni impulsi iz ćelija prikupljaju. Kod CCD senzora se oni očitavaju serijski, jedan za drugim. Budući da električne impulse najprije treba pojačati, CCD senzori pojačivače imaju na kraju svakog reda. Kod CMOS senzora govorimo o X-Y adresiranju. Naime, kod CMOS senzora svaka se fotoosjetljiva ćelija može zasebno očitati, pomoću adresiranja po koordinatnoj mreži. Na taj je način sve električne impulse moguće odjednom procesuirati,

oslobađajući senzor za sljedeću ekspoziciju. Takav način rada senzora omogućuje i mjerenje ekspozicije, te autofokusiranje.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Princip rada cmos senzora

 

Jedan od glavnih nedostataka CMOS senzora je šum, a on se posebice pojavljuje kod većih ISO vrijednosti.

 

2.3. Foveon senzori

 

Foveon X3 senzor posebna vrsta CMOS senzora koja je ušla u upotrebu 2002. godine, a prvi aparat koji je koristio ovakav senzor je Sigma SD9. Ono što ga razlikuje od ostalih senzora je način zapisivanja boje na slici, tj. crveni, zeleni i plavi filtar se ne nalaze u istom rasporedu kao kod drugih senzora. Kod CCD i drugih CMOS senzora se iznad svakog polja senzora nalazi po jedan filtar koji registrira samo jednu boju i da bi se dobila višebojna slika potrebno je tri jednobojna zapisa spojiti u jedan. Međutim, kod Foveon X3 senzora crveni, zeleni i plavi filtar se nalaze iznad cijele površine senzora. Na taj način svaki filtar pokriva cijelu površinu senzora i u isto vrijeme zapisuje informacije o sve tri boje. Prilikom pada bijele svjetlosti na filtare prvi filtar, plavi, registrira samo plavi dio svjetlosti, a propušta zeleni i crveni. Nakon toga zeleni filtar registrira zeleni dio svjetlosti i propušta crveni dio svjetlosti do crvenog filtara.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Filtari kod foveon X3 senzora

 

S obzirom da nije potrebno spajati tri jednobojne slike u jednu RGB sliku, ne dolazi do nekih grešaka koje se javljaju kod senzora koji koriste Bayerov filtar. Budući da kod Foveon X3 senzora nema potrebe za spajanjem jednobojnih R, G i B slika u jedinstvenu sliku u boji, nisu vidljivi ni pojedinačni pikseli na rubovima gdje se te boje preklapaju.

Slike snimljene na ovaj način imaju vrlo mali udio šuma prilikom snimanja u RAW formatu, no neka su istraživanja potvrdila da unatoč svemu tome slike snimljene Foveon X3 senzorima i dalje imaju veću količinu šuma nego one snimljene senzorima s Bayerovim filtarom.

Međutim, ta istraživanja ne treba doslovno uzimati kao činjenicu, jer još nije sigurno je li ta veća količina šuma posljedica samog filtara ili algoritama za procesiranje

 

 

3. Usporedba senzora

 

CCD senzori smatraju se kvalitetnijim senzorima, te se tradicionalno koriste u visokokvalitetnoj fotografiji. Taj su status CCD senzori stekli vrlo malim ili nikakvim šumom na slikama, mogućnošću veće rezolucije fotografija i većom fotoosjetljivošću. S druge strane, CCD senzori imaju veliku potrošnju energije, čime i povećavaju temperaturu tijela fotoaparata, te je njihova izrada skuplja, što i same senzore u konačnici čini skupima. Također, CCD senzori osjetljivi su na tzv. blooming, odnosno prelijevanje viška energije (svjetlosti) na susjedne piksele kada se zasiti fotoosjetljivost izvorne ćelije. U usporedbi s CCD senzorima, CMOS senzori su jeftinije izrade (i konačne cijene), troše do sto puta manje energije, te je njihov rad mnogo brži. Najveći nedostatak CMOS senzora niža je kvaliteta fotografija, prvenstveno zahvaljujući povećanom šumu, no tom se problemu relativno uspješno doskočilo upotrebom mikroleća iznad fotoosjetljivih ćelija senzora. Foveon X3 senzori zapravo se ne mogu mjeriti sa zastupljenošću CCD i CMOS senzora, budući da ih u svoje fotoaparate implementira jedino Sigma, no oni pružaju odlične boje fotografije, dok su im slaba točka monokromatski detalji.