Digitální fotoaparát V: Světlocitlivé snímací prvky
Jednotlivé druhy snímacích prvků
CCD - Snímače typu CCD (Charge Coupled Device) jsou zařízení citlivá na dopadající světlo. Podle způsobu "sbírání" elektrického náboje z jednotlivých světlocitlivých elementů se dále dělí na progresivní a prokládané. Rozdíl mezi nimi je ten, že u progresivních CCD snímačů je elektrický náboj sbírán vysokou rychlostí ze všech elementů téměř najednou nebo úplně najednou (FTD - Frame Transfer Device). Z toho plyne, že nepotřebují žádnou mechanickou závěrku a navíc může být expoziční doba velice krátká (až 1/10000s). U prokládaných CCD snímačů je tomu jinak. Elektrický náboj se sbírá po částech, a proto se neobejdou bez mechanické závěrky, která určuje dobu, po kterou jsou všechny elementy osvětleny. Výhodou prokládaných CCD snímačů je jejich snadnější výroba - jsou lacinější. Technologie výroby CCD prvků je ale i tak výrobně velmi náročná a drahá, protože každý snímač potřebuje ke své funkci tři různá napájecí napětí, takže i spotřeba je poměrně vysoká.
CMOS - Snímače typu CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor) využívají polovodičové součástky řízené elektrickým polem a k provozu jim stačí jen jedno napájecí napětí. Proto je jejich spotřeba velmi malá. Navíc je jejich technologie výroby poměrně laciná, protože se podobně vyrábí většina integrovaných obvodů. Také tyto snímače se dělí na dva druhy. Prvním jsou tzv. pasivní CMOS (PPS - Passive Pixel Sensors), které generují elektrický náboj úměrný energii dopadajícího svazku světelných paprsků. Náboj pak jde přes zesilovač do AD převodníku, stejně jako u CCD. V praxi však pasivní CMOS dávají díky šumu špatný obraz. Druhým typem jsou aktivní CMOS (APS - Active Pixel Sensors), u nichž je každý světlocitlivý element doplněn analytickým obvodem, který měří šum a eliminuje ho. Právě tyto snímače mají velkou budoucnost, jak se potvrdilo i v tomto roce, kdy firma Foveon přišla se svou převratnou novinkou.
SuperCCD - Snímače typu SuperCCD jsou založeny na poznatku, že lidské oko vnímá citlivěji vertikální a horizontální linie, než diagonální. Proto je struktura senzoru SuperCCD oproti tradičnímu řešení pootočena o 45 stupňů. Ve výsledném efektu to pak vypadá, jako by rozlišení 1.6-2.3 krát vzrostlo.
Foveon X3 - Poslední novinkou je CMOS čip Foveon X3. Tento čip se totiž způsobem záznamu obrazových informací maximálně přiblížil klasickému filmu. Co se tím ale přesně myslí si budeme muset nechat až na dobu, kdy budeme vědět, jakým způsobem vytváří čip informace o barvě.
Funkce CCD prvku a způsob tvorby barevné fotografie
CCD snímače jsou malé destičky o úhlopříčce různých rozměrů (1/3 palce, 2/3 palce, ..., dnes už jsou čipy, které mají úhlopříčku stejnou jako kinofilmové políčko) složené z polovodičových elementů, které jsou schopny absorbovat světlo, podobně jako například houba na tabuli nasakuje vodu. Před expozicí jsou tyto elementy prázdné - podobně jako neosvícené políčko klasického filmu, v němž jsou ovšem místo polovodičových elementů mikroskopická zrnka halogenidů stříbra. Z toho je vidět, že princip získání obrazu je stejný, pouze je jinak technicky realizován. Po stisknutí spouště dojde na dobu nastavenou k osvícení (expoziční doba nastavená buď automaticky nebo manuálně) k tomu, že objektivem dovnitř pronikají světelné paprsky (viz. obrázek).
Světlo si můžeme představit jako proud mikroskopických částeček, kterým fyzikové říkají fotony. Otázkou nyní je, co se stane, když jednotlivé fotony dopadnou na CCD snímač? Odpověď zní, že jednotlivé polovodičové elementy (či buňky) tohoto prvku získají elektrický náboj. Z míst, která jsou jasnější, přichází větší proud fotonů (na obrázku znázorněno delší šipkou), než z míst tmavých (krátké šipky). Odtud plyne, že každý element získá jiný elektrický náboj - a ten jsme schopni změřit. Teprve tím se dostáváme k digitalizaci! Jak je tedy vidět, samotný CCD snímač zaznamenává analogové hodnoty, teprve obvody za ním provadí sčítání a digitalizaci.
Zatím ale nejsme schopni cokoliv říct o barvě, protože máme určenu jen intenzitu dopadajícího světla v každém jednotlivém elementu CCD snímače.
K získání informace o barvě se používá jednoduchého triku spočívajícího v porozumění skladbě světla. Je známo, že jakoukoliv barvu jsme schopni získat složením tří základních složek: červené, zelené a modré. Jejich vzájemným poměrným zastoupením potom dostaneme jakoukoliv barvu světelného spektra. A jak je toho tedy dosaženo na CCD snímači?
Tak, že je před každý element vložen barevný filtr (viz. obrázek). Z praktických důvodů se elementy skládají do čtveřic, takže jeden barevný filtr musí být zastoupen dvakrát - volba daná praxí padla na zelený. A co se tedy stane nyní, když začne světlo dopadat na CCD prvek? Projde samozřejmě filtrem, před každým elementem. Modrý filtr propustí modrou část spektra a odrazí červenou a zelenou, červený a zelený si povedou analogicky. Opět tedy dojde k pohlcení fotonů a získání elektrického náboje, ale nyní jeho velikost nezávisí jen na intenzitě dopadajícího světla, ale také na barevném složení!
Skutečnou barvu daného pixelu pak dostaneme matematickou interpolací barev z jednotlivých elementů. Nejčastěji se používá 24-bitová barevná hloubka. Tento údaj znamená, že na každou ze tří barev (červená, zelená, modrá) připadá osmibitová informace. Což znamená dvě na osmou - 256 odstínů dané barvy. Jejich složením (interpolací) pak dostáváme 256 x 256 x 256, tj. 16 777 216 barevných odstínů, což postačuje ke kvalitnímu zachycení reality. Způsob skládání barev je předveden na obrázku: vždy se vezme čtveřice elementů, která určí barvu jednotlivého pixelu. V našem případě dá první čtveřice hodnoty R=180, G=200, B=200, což dá dohromady šedou. U druhé čtveřice provedeme složení analogicky a dostaneme barvu žlutohnědou.
Je dobré poznamenat, že některé profesionální systémy pracují s ještě větší barevnou hloubkou - až 14 bitů na jeden barevný kanál.
Nyní, když už víme, jakým způsobem čip získává informace o barvě se můžeme vrátit k diskuzi o CMOS čipu Foveon X3. Co je na něm tak převratného, že si zaslouží zvláštní pozornost?
Převrat se týká právě získání barevné informace. Dosavadní čipy pro digitální fotoaparáty a videokamery jsou totiž tvořeny skupinami elementů s jednotlivými barevnými filtry, ze kterých se skládá obraz. Informace o barvě je pak interpolována pro sousední elementy, citlivé na zbývající dvě barvy. Naproti tomu čip Foveon X3 interpolaci barev provádět nemusí, neboť je na každé pozici pixelu získána kompletní barevná informace, podobně jako u klasického filmu. Čip je totiž třívrstvý (viz. obrázek) a pro separaci barev nepoužívá barevných filtrů, ale optických vlastností křemíku. Křemík totiž pohlcuje barevné spektrum podle toho, jak silná je jeho vrstva. Nejvíce je pohlcována modrá složka barevného spektra, méně zelená a nejméně červená. V tomto pořadí jsou také umístěny jednotlivé vrstvy čipu (viz. schematický nákres). Díky tomuto řešení se kromě známé barevné charakteristiky získává podstatně větší barevné rozlišení obrazu.
Závěr
V článku jsme si pověděli něco málo o světlocitlivých čipech, jejich typech a funkcích. Víme, že CCD čipy jsou náročné na výrobu a proto také drahé. Naproti tomu čipy CMOS jsou výrobně levnější a proto mají také slibnou budoucnost, jak naznačuje již dnes čip Foveon X3. Záleží tedy především na rozhodnutí jednotlivého výrobce, kterou technologii použije.
Případné zájemce o přesnější popis činnosti CCD prvků odkazuji na odbornou literaturu - věc je totiž samozřejmě mnohem složitější, než jak je to v článku prezentováno.
