Obrazové snímače: princip, typy (CCD a CMOS) a použití

Poznejte princip obrazových snímačů, rozdíly CCD a CMOS a jejich využití v fotografii, průmyslu a vědě – přehled technologií a aplikací.

Obrazový snímač je elektronické zařízení, které dokáže zaznamenat obraz. Obrazové snímače obvykle pracují na základě detekce úrovně a intenzity světla. Většina snímačů pracuje s viditelným a infračerveným světlem. Existují speciální snímače, které dokáží detekovat rentgenové a gama záření. Existují různé způsoby, jak takové snímače sestrojit: V roce 2020 byly nejběžnějšími technologiemi snímačů CCD a CMOS.

Princip fungování

Základní princip většiny obrazových snímačů spočívá v přeměně dopadajících fotonů na elektrický náboj nebo napětí. Každý snímač je složen z mřížky malých světlocitlivých prvků zvaných pixely. Když foton dopadne na fotosenzitivní materiál (nejčastěji křemík), uvolní elektron; soubor uvolněných elektronů v jednom pixelu představuje elektrický náboj úměrný intenzitě světla. Tento náboj je následně čten a převáděn na digitální hodnotu.

Klíčové parametry

• Citlivost / kvantová účinnost – podíl detekovaných fotonů vůči dopadajícím; vyšší kvantová účinnost znamená lepší záznam při slabém osvětlení.
• Šum – různé složky (shot noise, termální šum, read noise, fixed-pattern noise) omezují kvalitu obrazu, zejména při nízkém osvětlení.
• Dynamický rozsah – schopnost snímače současně zachytit velmi světlé i velmi tmavé oblasti; je závislý na kapacitě náboje (full-well) a úrovni šumu.
• Rozlišení a velikost pixelů – větší počet pixelů zvyšuje rozlišení, menší pixely umožňují vyšší hustotu, ale obvykle s nižší citlivostí na fotony.
• Rychlost čtení – ovlivňuje možnost snímat vysokofrekvenční video a rychlé sekvence snímků.
• Typ závěrky – rolling shutter vs. global shutter: rolling čte řádek po řádku (může způsobit deformace pohybujících se objektů), global uzavírá všechny pixely současně.

CCD (Charge-Coupled Device)

CCD snímače přesouvají akumulovaný náboj po řadách k jednomu nebo několika výstupním čtecím uzlům, kde je náboj převáděn na napětí a digitalizován. Díky této centralizované metodě čtení měly tradiční CCD v minulosti výhodu nižšího read noise a velmi homogenního obrazu.

• Výhody: vysoká kvalita obrazu, nízký šum při nižším počtu výstupů, dobrá uniformita, vhodné pro vědecké a astronomické aplikace.
• Nevýhody: větší spotřeba energie, pomalejší čtení (u velkých čipů), vyšší náklady, obtížnější implementace funkcí na čipu.
• Varianty: EMCCD (electron multiplying CCD) poskytuje zesílení signálu před čtením a je výborný při velmi slabém světle (např. biologie, astronomické snímky).

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

CMOS snímače integrují aktivní prvky přímo v každém pixelu (zesilovač, někdy i převodník A/D), takže čtení může probíhat řádek po řádku nebo paralelně pomocí více výstupů. Moderní CMOS technologie rychle předčily CCD v mnoha oblastech.

• Výhody: nižší spotřeba, vyšší rychlost čtení, možnost integrace obvodů přímo na čip (např. A/D převodníky, paměti, zpracování obrazu), nižší výrobní náklady při velkých sériích, snadná implementace global shutteru nebo vysokorychlostních režimů.
• Nevýhody (historicky): vyšší fixed-pattern noise a read noise, i když moderní sCMOS snímače tyto problémy minimalizují.
• Pokročilé technologie: BSI (back-side illuminated) – zadní osvětlení zvyšuje citlivost u malých pixelů; stacked/3D senzory – vrstvy s logikou nad samotným pixelovým polem pro lepší výkon a funkce.

Barevné snímání a optické prvky

Pro zachycení barev se na pixely umisťují barevné filtry (nejběžněji Bayerova maska s mřížkou červených, zelených a modrých filtrů). Demosaicing je výpočetní proces, který z transformovaných dat rekonstruuje barevný obraz. Dalšími prvky jsou microlenses (mikročočky) nad pixely pro zvýšení světelných zisků a optické filtry (IR-cut, antialiasing).

Speciální typy snímačů

• Infračervené a termální – používají jiné senzory nebo materiály (např. InGaAs, HgCdTe) pro NIR/SWIR oblasti nebo bolometry pro teplotní snímání.
• Rentgenové a gama – často využívají scintilátory nebo detektory založené na polovodičích citlivých na ionizující záření.
• Sci/medical – vysoce citlivé, často chlazené snímače pro mikroskopii, spektroskopii, rentgenové zobrazování atd.

Praktické použití

• Fotografie a videokamery (smartphony, digitální zrcadlovky, bezzrcadlovky)
• Průmyslové vidění a kontrola kvality
• Astronomie a astrofotografie (CCD a pokročilé CMOS)
• Biomedicína a mikroskopie
• Bezpečnostní kamery a dozor
• Autonomní vozidla a robotika
• Vědecké měření a spektroskopie

Výběr snímače — praktické rady

Při výběru snímače zvažte kompromis mezi rozlišením a velikostí pixelu (větší pixely zpravidla znamenají lepší citlivost a méně šumu), požadovanou rychlostí snímání, dynamickým rozsahem, typem závěrky (rolling vs. global) a rozhraním pro přenos dat. Pro vědecké a astronomické aplikace je často důležitá možnost chlazení čipu a velmi nízký read noise; pro spotřební fotografii a video zase rychlost, integrace funkcí a nízká cena.

Obrazové snímače se neustále vyvíjejí: zlepšuje se citlivost, snižuje šum, rozšiřují se integrované funkce (například hardwarové HDR nebo on-chip komprese) a technologie jako BSI či stacked CMOS umožňují vysoký výkon i v kompaktních zařízeních.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to obrazový snímač?

Otázka: S jakým druhem světla pracuje většina snímačů?

Otázka: Dokážou senzory detekovat rentgenové a gama záření?

Otázka: Jak fungují obrazové senzory?

Otázka: Jaké jsou dvě nejběžnější technologie snímačů v roce 2020?

Otázka: Jakými různými způsoby lze sestavit obrazový snímač?

Otázka: Může obrazový snímač zaznamenávat obraz?

Hledání podle dopisu