Nem csak a méret a lényeg - Kamera-sensor történelem
Tudjuk vagy sem, érdekesség, hogy a világ első digitális képi szenzorát a Kodak egy innovációs mérnöke, Steven Sasson találta fel a 70-es éves során - majd az irónia köszönt vissza, amikor a digitális korszak tiporta porba a Kodak analóg filmes hagyatékát.
A CCD sensor és a digitális kor hajnala
A digitális kamerák persze nem törtek be azonnal a piacra, a kora 2000-es évek nagy fordulata volt, ahogy megjelentek az első életképes megfizethető eszközök. Az első ilyen készülékek a CCD (Charge-Coupled Device) sensor technológiát viselték, aminek az ámulatba-ejtő képminősége ellenére a képi zaj és a kiolvasási sebesség komoly probléma volt.
A CCD-k az érzékelő széléről olvasnak ki, egy-egy pixelenként, és a töltést egy pixelről a másikra kaszkádolják le minden egyes pixelolvasáskor. A sebességet, amellyel ez megtehető, a chipre adott áram határozza meg, így a gyors leolvasás nagy energiát igényel.
A kis fogyasztói fényképezőgép-akkumulátorok fogyasztási korlátai miatt a folyamat viszonylag lassú volt, és meglehetősen lassúvá és késlekedővé tette az élőképet a kompaktokban. A CCD-k képezték a korai digitális fényképezőgépek piacának alapját, a 90-es évek közepétől egészen a 2010-es évek elejéig, bár ezalatt a technológia folyamatos fejlesztése folytatódott, a pixelek egyre kisebbek lettek, a teljesítmény pedig jobb lett.
CMOS sensor: avagy a sebesség diadala
Időközben azonban egy rivális technológiát, a CMOS-t (Complementary Metal Oxide Semiconductor) fejlesztették ki. Ezek felváltva továbbítják az egyes pixelek kimenetét egy közös vezetékhez, ami azt jelenti, hogy a töltésnek nem kell áthaladnia az összes szomszédos pixelen, hogy lekerüljön a chipről. Ez lehetővé teszi a kiolvasás gyorsabb lefutását anélkül, hogy nagy mennyiségű energiára lenne szükség. A CMOS-érzékelők előállítása is olcsóbb volt. A Canon 2000-ben úttörő volt a CMOS elterjedésében a D30 APS-C DSLR-jével. A következő években a teljesítmény tovább fejlődött, és a Canon hírnevet szerzett kiváló, magas ISO képminőségéről.
Bár az első CMOS szenzorral ellátott gépek APS-C méretben jöttek ki, a technológia nagyon hamar a teljes kamera piacon elterjedt, a kompakt kameráktól egészen a nagyméretű formátumokig. Bár egyes drágább speciális kamera modellek, mint a tájfotózásra tervezett Hasselblad modellek ragaszkodtak a CCD-hez a színmélység miatt - és nem volt a magas ISO-zaj tűrés elvárás, mára már a CCD használata teljesen kihalt a kamerákból.
A CMOS gyors kiolvasása egyre fontosabbá vált, mind az olyan kamerákban, mint például a Canon EOS 5D Mk II-ben való videórögzítés, mind az élőkép (Live View) megjelenítés szempontjából, amely a tükör nélküli korszak közeledtével egyre központibb szerepet kapott a nagy érzékelős fényképezőgépek fényképezési élményében.
Még több fényt: BSI CMOS megjelenése
2009-ben bemutatták az első hátoldali megvilágított (BSI) CMOS érzékelőket, amely technológiát eleinte elsősorban az okostelefonok és a kompakt fényképezőgépek (pl.: Sony RX-100) érzékelőiben lévő apró pixelek számára hasznosították. A BSI szenzorokat nagyjából ugyanúgy gyártják, mint a meglévő, elülső megvilágított konstrukciókat, de a hátlapanyagot, amelyre építettek, leborotválják, és az érzékelő „hátát” úgy helyezik el, hogy az az objektív felé nézzen és fényt kap. Ez azt jelenti, hogy nincs vezeték és áramkör az egyes pixelek fényérzékeny része előtt, ami növeli a fényelnyelést. Ezek az előnyök kevésbé szembetűnőek a nagy szenzoroknál, így a Four Thirds, az APS-C és a full-frame BSI chipek még évekig nem érkeztek meg.
A CMOS-technológia fejlesztése folyamatos nyereséget eredményezett. Az új kialakítások lehetővé tették több analóg-digitális konverter (ADC) beépítését, és azt, hogy ezeket az ADC-ket közelebb helyezzék el a pixelekhez. Ez minimálisra csökkentette az elektronikus zaj mennyiségét, amely a kiolvasási feszültség rögzítése előtt beférkőzhetett, és a nagyszámú ADC azt jelentette, hogy mindegyiknek nem kellett olyan gyorsan működnie a gyors kiolvasás érdekében. Az ADC-k által hozzáadott zaj mértéke a sebességükhöz kapcsolódik, így ez a kialakítás jelentősen csökkenti az olvasási zajt.
Ezeknek a kialakításoknak a további finomítása folyamatosan csökkentette az olvasási zajt, és egy olyan korszakot jelentett be, amikor a legtöbb fényképezőgéptől lényegesen szélesebb dinamikatartományt lehetett rögzíteni, mint egy tipikus JPEG-ben, ami azt jelenti, hogy a nyers fájlokban sokkal több hasznosítható információ található. A 16 megapixeles APS-C érzékelő, amely a Pentax K-5-ben, a Nikon D7000-ben és számos Sony modellben jelent meg, jelentős előrelépést jelentett, és a DR-ben több mint egy megállót növelt az azt megelőző 12 MP-es chiphez képest.
A BSI 2014-től nagy szenzorokban érkezett. A nagy méretű érzékelőkben a vezetékek sokkal kisebb arányt képviseltek a sokkal-sokkal nagyobb pixelekben, így a BSI sokkal kisebb képminőség javulást kínál. Ennek ellenére előnyökkel járt. Az első a képpontok fény fogadására alkalmas szögek javítása. Ez különösen hasznos az érzékelők sarkainál, ahol a fény olyan éles szögben érheti az érzékelőt, amelyet nehéz visszairányítani az FSI-érzékelő süllyesztett fényérzékeny tartományába. Másodszor, a vezetékek pixel mögé történő mozgatása bonyolultabb áramkört tett lehetővé, ami az ADC-k számának további növekedését és gyorsabb kiolvasást jelentett megnövekedett zaj nélkül.
Az érzékelők fejlesztésének története nem csak a Canon és a Sony félvezető részlegeinek története. A Samsung volt az első márka, amely a BSI technológiát hozta az APS-C-be a 2014-es NX1-gyel. A BSI chipje a gyors érzékelő inkább a fázisérzékeléséhez (Autofocus) és a 4K videóhoz nyújtott sebességet biztosította, mint a gyenge fényviszonyokban való minőséget.
Lépcsőzés a zajjal szemben: Dual-conversion gain ISO kiolvasás
Egy másik előrelépés a dinamikatartomány javítása terén a kettős konverziós erősítés érzékelőkkel járt. Ezek először a Nikon 1 sorozatú fényképezőgépekben használt Aptina szenzorokban jelentek meg. Mindegyik képponton belül választható kiolvasási módok: az egyik, amely maximalizálja a dinamikatartományt alacsony ISO-értékeknél, a másik kisebb DR-kapacitást biztosít, de alacsonyabb olvasási zajt biztosít, így jobb árnyékteljesítményt biztosít magas ISO-értékeknél, ahol a DR kevésbé kritikus.
Az első ilyen kamera a Sony A7s full frame MILC kamera volt, melynek a magas ISO-zaj tűrése és hosszú idejű videorögzítési tulajdonsága a mai napig kiemelkedő - és ezt a további generációi is megerősítik. Amikor ezt a technológiát a Sony Semiconductor licencelte, a meglévő magas DR-konstrukciókkal kombinálva olyan érzékelőket hoztak létre, amelyek kiváló DR-értékkel rendelkeznek az alap ISO mellett, és növelték a magas ISO-teljesítményt. Ezeket a kétmódusú terveket nem mindig teszik közzé a gyártók, de a kettős erősítés alkalmazása az, ami az eredeti a7S kiváló, magas ISO-teljesítményét adta - nem pedig a 12 MP felbontásból származó nagy pixelek miatt. Ez az az állapot, amelyet a legtöbb kortárs fényképezőgép elért.
A fenti diagram egy kiváló példa, hogy bizonyítsa fizikai mérésekkel, miként hasznosul a dual-coversation gain ISO technológia egy mai modern kamera előnyére magas ISO felhasználás esetében. A Sony a7 III kamera ISO 640 beállításon egy látványos ugrást tesz vissza a zaj mennyiségében, ezen a ponton azonban a dinamikatartomány szenved némi visszaesést - ez amiatt nem zavaró, mert a tájképek tankönyv szerint a lehető legalacsonyabb ISO értéken kell készüljenek, szóval egy wildlife vagy esküvői képen csak előnyt jelent a kevesebb zaj.
Egy új éra: Stacked BSI-CMOS - avagy a gyorsaság új korszaka
A Stacked CMOS a gyártástechnológia jelenlegi élvonala, és még tovább viszi a BSI megközelítést, félvezető rétegeket hoz létre, leborotválja azokat a hátlapjukról, majd összekapcsolja őket, hogy még bonyolultabb és kifinomultabb áramköröket biztosítson. Ez időigényes és költséges folyamat, ezért csak meglehetősen kis chipekben jelent meg okostelefonokban és kompakt fényképezőgépekben, valamint nagyon nagy teljesítményű, nagy érzékelős modellekben. A BSI-hez hasonlóan fő előnyei nem a képminőségben rejlenek, hanem abban, hogy gyorsabb és összetettebb adatfeldolgozást tesz lehetővé. Az eddig látott példák közé tartozik a beépített RAM, amely lehetővé teszi az érzékelő számára, hogy egy másik képet rögzítsen, miközben az előzőt még feldolgozza a kamera, vagy iker kijelzések, amelyek párhuzamos útvonalakat biztosítanak a kiolvasáshoz, az egyik a teljes minőséghez. kép és egy másodlagos feed az autofókusz és a kereső frissítéséhez.
A stacked CMOS chipek jelenleg a leggyorsabban fotózó, illetve a legalacsonyabb rolling shutter effekttel rendelkező fényképezőgépek némelyikét támasztják alá, ami arra bátorította a Nikont, hogy mechanikus redőny nélküli zászlóshajót, a Z9-et dobja piacra. A Stacked érzékelők összetettsége és kifinomultsága valószínűleg csak növekedni fog az elkövetkező években.
Az OM System - régi nevén Olympus - zászlóshajója az OM-1 kamera is stacked CMOS szenzorral működik, de a kisebb érzékelővel olyan bámulatos sebességet és AF precizitást produkál, hogy a Four Thirds kategória ellenére is profi wildlife fotográfus kategóriába sorolják. 
Másik sebesség-bajnok a Fujifilm egyik legújabb zászlóshajó-modellje, az X-H2S, ami már egy 26 MP APS-C méretű stacked CMOS szenzorral kínálja a 40 FPS elektronikus zár sebességet és AI alapú fókusz-követést. Bár mind az Olympus és Fujifilm modelljei egy kissé gyengébben teljesítenek magas ISO tartományban (ami mára már a technológiának köszönhetően kevésbé kritikus, mint régen), a kisebb szenzor előnyei például a könnyebb objektív és hosszabb gyújtótáv a wildlife és sport fotózáshoz, ugyanakkor a 6000-6500 dolláros full frame modellekkel szemben 2300-2500 dollár körül hozzájuk lehet már jutni.
További sensor újdonságok, érdekességek:
X-Trans sensor: A Fujifilm egyik legnagyobb érdekessége (a film szimulációs szín-tónusok mellett), hogy a hagyományos Bayer-mintázatú CMOS szenzort újragondolta, és a 3 alapszínt (red-green-blue) egy más elrendezésben védette le saját találmánynak.
A fenti képen látható, hogy a Bayer CMOS esetében minden sorban van zöld szín, azonban kék és piros csak minden második sorban. A Fujifilm szakemberei a filmgyártás ismereteiből addig analizálták a filmes granularitás szín-eloszlását mikroszkóp alatt, hogy annak mintájára a GBGGRG elrendezés mellett döntöttek: így minden sorban mindhárom szín jelen van, aminek a természetesebb (analóg jellegű) kép-zaj és kevesebb színzaj az eredménye, mindemellett a Moiré-efekktre is kevésbé hajlamos. Sőt, állításuk szerint a természetes színeket is élethűbben tudják vele reprezentálni. Az alábbi képen egy példát láthatunk a Moiré képhibára, hogy melyik kamerában mennyire jellemző.
Sajnos ez a technológia azonban nagyobb szenzoroknál egyre kevésbé hoz előnyt - míg a gyártási költségek igen magasak - szóval ez csak az X-bajonettes APS-C kameráikban található meg. A 44x33 mm medium format szenzoraik a GFX50 és GFX100 modellekbe már a hagyományos Bayer-mintázatot kapják.
RYYB sensor: A Huawei cég kezdte el alkalmazni okostelefonjaiban az úgynevezett RYYB elrendezésű Bayer CMOS szenzort, amiben a 3 fő szín helyett a zöldet sárgára cserélték. A fizika törvényeire és a fény-hullámhossz mérésekre hivatkozva a sárga fényt nagyobb mennyiségben tudja a szenzor fogadni, mint a zöldet, emiatt gyorsabb záridővel tudnak a telefonjaik fényképezni.
Azonban, mint kiderült, nem könnyű természetes kinézetű képeket előállítani egy CYYM (C: cyan szín a kék helyett, m: magenta a piros helyett) érzékelőből, és sokkal összetettebb demosaic algoritmust igényel, mint az RGGB esetében. Emiatt soha nem tett szert népszerűségre, és a teljes CYYM érzékelővel ellátott kamerák továbbra is ritkaságszámba mennek, és a közelmúltban egyiket sem gyártották.
Itt jön be a Huawei P30 Pro RYYB érzékelője. A mérnökök az ismerős piros és kék csatornákat használták, de a két zöldet két sárga csatornára cserélték. Ez lehetővé teszi, hogy az érzékelő még több fényt rögzítsen, mint a zöld szűrőkkel, legalábbis elméletileg.
Természetesen továbbra is fennáll a demosaic kérdése, de az ezen a területen elért javulással, valamint a kép tartalmát elemző mesterséges intelligencia használatával ma már dedikált zöld csatorna nélkül is lehetséges a színek helyes meghatározása.
Quad-Bayer sensor: A Quad Bayer struktúra azt jelenti, hogy négy szomszédos pixel azonos színű szűrőkkel van csoportosítva. Így egy érzékelőben nagy érzékenység és nagy felbontás érhető el. Megakadályozhatja például a felbontás elvesztését alacsony megvilágítású környezetben, és alacsony zajszintű éjszakai tájképeket készíthet.
Miért is jó ez? Gyakorlatilag a technológia tehetővé teszi, hogy sötétebb környezetben a kevés, de nagyobb pixelek több fényt fogadjanak be és több részletet rögzítsenek. Emellett érdekessége, hogy egy kontrasztos, napfényes időben, ahol a dinamikatartománya csődöt mond egy kis méretű hagyományos sensor, a Quad-Bayer pixelei kisebb egységekre, úgynevezett subpixel-ekre tagolódik, és egyes pixelek alul-, míg mások felülexponálják a képet, így eredményezve fizikai HDR fényképet, anélkül, hogy több képet kellene az eszköznek rögzítenie - ergo nem kerül hosszabb záridőbe és kép-illesztési problémák sem lesznek.
Szóval amikor azt látjátok a plakáton vagy reklámban, hogy 50 MP telefon-kamera, az valójában a subpixel-ek száma, ami kétszer annyi sorban és oszlopban is, ergo 50/4=12.5 MP. Ezért fogtok mindig az Automata kamera módban szebb, de kisebb felbontású képet kapni, ahányszor a telefonnal fotóztok.
És mi a helyzet a 100 és 200 MP telefon kamerákkal? Samsung a Quad-bayer technológiát tovább bontotta Octa-bayer mintázatra, ahol már a subpixel-eknek is van sub-pixel, így nem néggyel, hanem már nyolccal kell osztani, hogy megkapjuk a valós felbontást.
Hogy mikor jön, vagy egyáltalán jön-e ez a technológiai irány a profi kamerák világába, még nem tudni, egyelőre nem látni semmi jelét, hogy kísérletek zajlanának a háttérben.
A jövő? - Az organikus szenzor ma
Az érzékelőben használt szerves fotovezető fóliát eredetileg 2011-ben szabadalmaztatta a Fujifilm, majd 2013-ban együttműködött a Panasonic-kal egy szenzor kifejlesztésében. A Panasonic ezt követően a technológián alapuló 8K-képes érzékelőt készített, és kiadott egy kamerát, amely ezt használja.
Ez a legújabb blogbejegyzés azonban a kereskedelmi műsorszórást, az ipari gépi látást, az orvostudományt, az autógyártást és az egészségügyet javasolja olyan alkalmazásokként, amelyekben az érzékelő előnyökkel járhat: a cég nem veszi fel a fotózást a listán.
A Panasonic nemrégiben közzétett egy blogbejegyzést, amelyben bemutatja a 2013 óta fejlesztett organikus filmes CMOS-érzékelő állítólagos előnyeit. Míg a vállalat korábban beszélt az organikus filmszenzor globális redőny, széles dinamikatartomány és változtatható ND-effektus biztosítására való képességéről, az új blogbejegyzés a csökkentett színű áthallásról szól, a Panasonic szerint az érzékelő képes megjeleníteni.
A csökkentett színáthallás azt jelenti, hogy az érzékelő piros, zöld és kék pixelei csak a kívánt színt gyűjtik össze, és a fény vagy a töltés nem szóródik át a különböző színű képpontokon. Ez nagyobb színpontosságot ígér, különösen olyan furcsa színű fényforrások esetén, amelyek ezen alapszínek közül kettő közé esnek (különösen nagyon sárga, cián vagy bíbor megvilágítás).
A Panasonic állítása szerint a végső előny az, hogy a szerves réteg mögött található elektróda megakadályozza, hogy a hosszabb hullámhosszú fény (különösen a vörös fény) behatoljon a fényérzékeny tartományon túlra, az érzékelő áramkörébe. A Panasonic kialakításában az elektróda a nem elnyelt fényt visszaveri a szerves rétegbe, lehetővé téve annak elnyelését; a vállalat azt állítja, hogy a vörös fénynek (600 nm hullámhosszon mérve) csak 1%-a hatol le az érzékelő áramkörébe, míg egyes CMOS-konstrukciók 20%-a.