GRAFIČKI FAKULTET U ZAGREBU KATEDRA ZA REPRODUKCIJSKU FOTOGRAFIJU

PRIMJENA DIGITALNE FOTOGRAFIJE U REPRODUKCIJSKIM MEDIJIMA

VRSTE I PRINCIP RADA SENZORA (CCD, CMOS, Foveon) Ime i prezime studenta: Dominik Kenđel

Zagreb, siječanj 2009.

-Sadržaj –

1. UVOD.................................................................................................................................................... 2 3. Foto-senzori .......................................................................................................................................... 4

3.1. CCD senzori....................................................................................................................................... 4 3.1.1. Dobivanje boje kod ccd senzora uporabom filtera integriranih na samom senzoru........... 7

3.2. C-MOS senzori .................................................................................................................................. 8 3.3. Foveon senzori ................................................................................................................................. 10

4. Zaključak ............................................................................................................................................ 13 5. Literatura............................................................................................................................................ 14

1

1. UVOD

Fotografija je jedan od najznačajnijih izuma 19. stoljeća, izuzetno je snažno utjecala na

razvoj čovječanstva. Pronalaskom fotografije započelo je novo doba, koje je unijelo velike promjene u sve sfere života.

Kroz povijest je fotografija doživjela brojne transformacije, počevši od camere obscure pa sve do suvremene fotografije. Najstarije tehnike i materijali koji su korišteni u izradi fotografija danas uglavnom imaju povijesno značenje. Brzi razvoj tehnologije, bitno je izmijenio prvobitni karakter i značenje fotografije. Fotografija u početku nije bila priznata kao važan izvor informacija. Pridavano joj je sporedno značenje. Danas se nalazimo pred novom tehnološkom revolucijom koja je velikim dijelom prevladala, ali ne i u potpunosti potisnula klasičnu fotografiju.

Neke stvari u životu uzimamo »zdravo za gotovo«. Recimo fotografiranje digitalnim fotoaparatima ili, danas sve više, mobilnim telefonima. Jeste li se ikada zapitali kako nastaje boja u tim uređajima? Vjerujem da mnogi nisu. Ovaj rad približit će vam procese koji se odvijaju u tim uređajima nakon »okidanja«, pa do trenutka kada gledamo prikaz fotografije na zaslonu.

2

2. Fotoelementi

Osvjetljavanjem fotoosjetljivog sloja na razdjelnici n i p vodljivih područja nekog poluvodiča, dolazi do grupiranja istoimenih naboja i stvaranja razlike potencijala. Zatvaranjem strujnog kruga dolazi do rekombinacije elektrona i pozitivnih šupljina u tim zonama, odnosno do pojave „fotostruje“. Jakost „fotostruje“ proporcionalna je jakosti svjetla. I to je ukratko princip dobivanja fotoefekta! Osnovni materijali ovih senzora su selen Se i slicij Si:

Kod selena zaporni sloj, koji se treba osvijetliti, nalazi se između CdS i Se sloja. Njegova spektralna osjetljivost najbliža je osjetljivosti ljudskog oka.

Foto-element Selena:

1. Fotoosjetljiva prevlaka 2. CdS sloj 3. Se sloj 4. Elektroda 5. Elektroda

Danas je puno raširenija primjena silicija kao osnovnog materijala. Koristi se u mjerenju svih

svjetlosnih veličina. Foto-element Silicija:

1. P vodljiva zona 2. Zona s nabojem 3. N vodljiva zona 4. Elektroda 5. Elektroda

Fotoelementi se ne koriste samo u mjerenju, nego i kao izvori energije. Sunčeva energija se u

njima pretvara u električnu, a oni se nazivaju fotoćelijama i spajaju u solarne baterije.

3

3. Foto-senzori

3.1. CCD senzori

(engl. Charged Coupled Devices) CCD senzori su optički senzori u čip izvedbi. Razvijeni su za digitalnu obradu fotografija prvenstveno u industrijskom okružju. Sastoje se od puno sitnih fotoelemenata na poluvodičkoj osnovi. Oni zajednički djeluju na mehanizmu pomicanja paketa naboja nastalih za vrijeme fotografiranja. U njima nastaju upareni nositelji naboja proporcionalni jakosti svjetla, koji se iščitaju u vrlo kratkim vremenskim razmacima i vode dalje kao fotoinformacija sastavljena od niza analognih signala. Prikaz rada CCD-a:

1. Snimljeni objekt 2. Objektiv 3. CCD čip 4. Kamera 5. Izvor svijetla 6. Vidno polje 7. Fotoelement

Broj svjetlosnih točaka jednog elementa n i broj redova otipkanih pri njihovom transportu m određuju ukupni broj točaka (piksela) jedne fotografije, a time i njenu razlučivost.

4

Na slici je na primjeru prikazan: a) realni objekt b) raspored svjetlosnih točaka nakon fotografiranja oblika mreže s n x m točaka c) pretvaranje u digitalizirani oblik. a) b) c) Ako se želi dobiti samo fotografija, analogne signale je dovoljno digitalizirati i pohraniti, a ako se želi upravljati nekim proizvodnim procesom, signali se moraju dalje obrađivati i vrednovati da bi se iz njih dobila željena informacija. CCD senzor je po svojoj prirodi monokromatski, tj nema sposobnost razlikovanja dijelova crvenog, zelenog i plavog svjetla. Zbog toga se u industriji koriste tri osnovna načina za izdvajanje boje snimljene scene. Problem karakterističan za svaki od navedenih načina prikupljanja informacija je da postoji utrostručenje podataka. a) CCD senzor sa sekvencijskim dobivanjem boje

Slika u boji dobiva se pomoću filtera za tri osnovne boje: crvenu, zelenu i plavu, smještenog na rotacijski kotač (slika 1). Jedan otvor, jedan filter, jedna boja. Prvo se registrira jedna boja, pa druga i zatim treća. Boja se dobiva naknadnom rekonstrukcijom registriranog inteziteta izvan samog senzora. Prednost ovakve metode je iskorištenje punog formata samog piksela, tj. dobivanje maksimalne rezolucije (Kodak Company, 2001). Međutim treba više vremena za registriranje (više od tri puta) te objekt snimanja mora mirovati dulji period kako bi se izvršilo registriranje.

5

b) Tri CCD senzor (3 CCD senzor)

Tri CCD senzor se u osnovi sastoji od tri odvojena senzora, a svaki registrira boju u skladu sa odabranim filterom. Za razdvajanje svjetla na osnovne boje koristi se prizma (vidi sliku 2). Prednost je istovremena registracija svih boja registriranog objekta, a nedostatak je velika kompleksnost takovog uređaja i kalibracija kamere, koja s ciljem rekonstruiranja puta zraka između senzora nije jednostavna upravo zbog toga što u kameri egzistiraju tri fizički odvojena senzora. c) Integrirani filteri na samom senzoru

Umjesto da se filtriranjem upadne zrake svijetla proizvodi izvan samog senzora, filteri se ugrađuju na samom senzoru (slika 3). Ipak svaki piksel može biti bojan samo jednom (kod RGB sustava) ili s dvije kod CMY sustava) boje. Svaki izbor vodi smanjivanju efektivne rezolucije i povećanju neprirodnih, neregistriranih pojava. Još jedan nedostatak je da se izvan senzora u postupku naknadne obrade moraju ispuniti rupe koje se javljaju kao nedostaci boje između samih piksela. Kod RGB senzora za postupak nastajanja boje koristi se, u skladu s Bayer RGB uzorkom, dvostruko više zelenih piksela, zbog činjenice da je ljudsko oko najosjetljivije upravo na tu boju. Tako npr. Senzor od 768 horizontalnih elemenata ima 384 zelenih, 192 crvena i 192 plava elementa (Holst, 1996).

6

3.1.1. Dobivanje boje kod ccd senzora uporabom filtera integriranih na samom senzoru

Dobivanje boje kod CCD senzora uporabom filtera integriranih na samom senzoru bazira se na tome da svaki piksel pohranjuje informacije samo o jednoj boji. Takav način pohranjivanja boja kreira mozaik piksela. Kako bi dobili stvarni prikaz, potrebno je napraviti demozaiciranje. Kako bismo rekonstruirali informacije o boji, potrebno je kreirati informacije o iluminaciji i boji. Budući da je ljudsko oko manje osjetljivo na degradaciju u boji nego na informaciju o osvjetljenju, fotodetektori za prikaz iluminacije moraju se pojavljivati u većem broju nego fotodetektori za prikaz boje. Spektralna osjetljivost ljudskog oka na osvjetljenje je slična spektralnoj snazi zelene boje, pa se za dobivanje osvjetljenja koriste pikseli osjetljivi na zelenu boju. Crveni i plavi pikseli nadomještaju informacije o boji (Ramanth, 2000) Na osnovi tih spoznaja konstruiraju se filteri za dobivanje informacija o bojama. Najviše je korištena izvedba patentirana od strane Bayera 1976. godine. (Bayer, 1976.). Predstavlja mozaik crvenih, zelenih i plavih optičkih filtera koji se mogu opisati kao jednostavan 2 x 2 uzorak prikazan na slici 4. Uzorak se ponavlja kroz cijeli senzor u zavisnosti od početnog, koji predstavlja gornji lijevi kut senzora. U ostatku senzora uzorak se samo multiplicira. Uzorak koji se često koristi u kamerama tvrtke Sony je Yamanaka uzorak (slika 5) koji zelene piksele ima poredane u jedan red. Digitalne kamere koriste nelinearna logaritmička pojačala za konverziju svjetla u napon. Te vrijednosti je potrebno pretvoriti u linearne vrijednosti prije nego što budu pretvorene u XYZ sustav boja. Ta transformacija se odvija po zakonitostima Opto elektroničke Konverzacijske Funkcije.

Svaki CCD senzor registrira samo jednu boju na svakom pikselu pa iz mozaika boja koja nastaje kao rezultat korištenog filtera (Bayerna, Yamamake ili nekog drugog) rekonstruirati boju koja odgovara stvarnoj boji. Na taj način dobivamo sliku u punoj rezoluciji. Takav proces se naziva demozaiking. Interpolacija se izvodi na sirovim podacima. Postoji nekoliko metoda za interpolaciju: od najjednostavnije, linearne interpolacije pa do puno kompleksnijih kao što su interpolacije nazvane prema tvorcima: Cok, Freeman, Laroche, Prescot, Hamilton-Adams i dr. (Ramanath i dr., 2002.). Osnovne značajke CCD senzora:

Veća dijagonala CCD-a omogućava i bolju kvalitetu slike. Često senzori 1/4" i 1/3" nose istu tehničku specifikaciju, ali u praksi pokazuju jako različite rezultate u korist 1/3" CCD.

Veći pixel može primiti više svjetlosti, pa može preciznije interpretirati boje. Na malim CCD-ma

npr. 1/4" rezolucije 480 TVL ( oko 430.000 pixela ) svaki pixel je značajno manji nego na 1/3" istih karakteristika. Na malim CCD-ima pixeli su "stisnuti" jedan uz drugi pa je potrebna kvalitetnija optika koja će precizno usmjeriti svjetlo.

Manji CCD-i su jeftiniji.

Već i prvi modeli CCD-a bili su dobri, a do danas su razvijeni modeli veličine 62 X 62 mm sa

rezolucijom od 5120 X 5120 točaka, koji se naravno koriste za specijalne zahtjeve.

CCD element radi u području od 400 nm do 1100 nm, a najosjetljiviji je u području od 800 nm (infracrveno područje ). Spektralna osjetljivost CCD elementa o osnovi je rezultat foto-električnog fenomena. Veće valne dužine ( područje infracrvenog ) ulaze dublje u silikonsku strukturu.

CCD-a, pa ometaju njegov rad, ali mu s druge strane povećavaju osjetljivost na svjetlo.

7

3.2. C-MOS senzori

(engl. Complimentary Metal Okside Semiconductor)

Godine 1998. pojavio se CMOS (komplementarni metal-oksidni poluvodič), kao alternativa tehnologiji CCD u registriranju slika. Procesi proizvodnje CMOS-a su oni isti koji se koriste i za proizvodnju milijuna procesora i memorijskih čipova širom svijeta. Za sve te procese ustanovljene su tehnike visokog prinosa, čija je infrastruktura već na licu mjesta, što znači da je proizvodnja CMOS čipova daleko jeftinija od proizvodnje specijaliziranih CCD uređaja. Druga prednost je u tome što CMOS ima značajno manje zahtjeve za napajanjem od CCD uređaja. Pored toga, dok CCD uređaji imaju samo jednu funkciju registriranja gdje je svjetlost pala na svaku od stotina tisuća točaka za uzorkovanje, CMOS može obavljati i druge zadatke, na primjer, analogno-digitalna konverzija, obrada signala, podešavanje ravnoteže bijelog i upravljanje kamerom i sl. Moguće je također povećati gustoću CMOS uređaja i dubinu bitova bez rasta troškova.

Iz tih i još nekih razloga mnogi industrijski analitičari vjeruju da će na kraju gotovo sve

jednostavnije i jeftinije digitalne kamere biti zasnovane na CMOS tehnologiji, a da će samo one iz srednje klase i vrhunske koristiti CCD uređaje. Ostaju i problemi koje treba riješiti, na primjer, slike sa šumom i nemogućnost korektnog registriranja pokreta, pa je na početku novog milenija potpuno jasno kako CMOS treba preči izvjestan put prije nego što dostigne ravnopravnost sa CCD tehnologijom.

Slika 3.1. CMOS senzor Ipak, perspektive ove tehnologije veoma su se povećale krajem 2000. godine, kada je

firma Foveon Inc. iz Silicijske doline objavila proizvodnju svog CMOS senzora za obradu slike od 16,8 miliona piksela (4096x4096) - oko tri puta većih rezolucija od bilo kog ranije objavljenog CMOS senzora za sliku i više od pedeset puta veće rezolucije nego najčešće proizvođeni CMOS senzori digitalnih kamera za najšire tržište u tom trenutku. Do sada je u proizvodnji CMOS senzora za sliku korištena tehnologija 0,35–0,50 mikronskog procesa i bilo je opće prihvaćeno da će 0,25 mikrona predstavljati slijedeću rundu ponuda. Foveonov 16-megapikselski senzor prvi je senzor za sliku bilo koje veličine proizveden upotrebom tehnologije 0,18-mikronskog procesa - što je vlasnički proces proizvodnje analognih CMOS uređaja razvijen u suradnji sa firmom National Semiconductor

8

Corporation - i to predstavlja dva skoka unaprijed u industriji CMOS uređaja za primjene u obradi slike. Upotreba 0,18-mikronskog procesa omogućava da se više piksela stisne na dati fizički prostor, a ovo daje bolju rezoluciju senzora. Tranzistori napravljeni 0,18-mikronskim procesom su manji i zato ne zauzimaju mnogo prostora senzora, pa on može biti korišten za detekciju svijetla. Ta prostorna efikasnost omogućava projekte sa "pametnijim" pikselima, koji mogu osigurati nove mogućnosti za vrijeme ekspozicije, bez žrtvovanja osjetljivosti na svjetlo.

Senzor 4096x4096 ima dimenzije 22 mm x 22 mm i ima procijenjenu ISO brzinu od 100 sa dinamičkim opsegom od 10 točaka, a sastoji se od oko 70 milijuna tranzistora. Očekuje se da se senzor, osamnaest mjeseci poslije pojavljivanja, nađe u proizvodima za profesionalno tržište visokih kvaliteta - uključujući tu profesionalne kamere, filmske skenere, medicinsku obradu slike, skeniranje dokumenata i muzejsko arhiviranje. Predviđa se da će takva senzorska tehnologija, na duži rok, prijeći i na veće tržište, za široku potrošnju.

Ovaj tip senzora je malo zastupljen u video nadzornim kamerama i to najčešće u jeftinim kućnim varijantama kamera. Razlog je taj što senzori koji se koriste za video nadzor nemaju kvalitetnu sliku, a minimalna osjetljivost im nije zadovoljavajuća dok im je s druge strane cijena vrlo niska. Ipak C-MOS senzori se razvijaju za druge aplikacije ( specijalne kamere, digitalni fotoaparati itd.) gdje postižu izvanredne rezultate.

Slika 3.2. CMOS senzor u svojoj prirodnoj veličini

9

3.3. Foveon senzori

Slika 3.3 Prikaz Foveon senzora U ožujku 2002. godine predstavljen je novi senzor firme Foveon. Na slici 3.2.1 prikazana je slika

Foveon senzora, točka bi trebala hvatati svjetlost po cijeloj površini. Kako je sastavljen klasični CCD ili CMOS je objašnjeno u prijašnjim poglavljima, jednostavno rečeno, četiri točke tvore jednu realnu. Dvije sa zelenim filtrom, jedna s crvenim i plavim. Zato niti jedan klasični senzor nema zapisan realan broj točaka, nego točke koje je generirao unutarnji proces u analogno-digitalnoj konverziji i procesoru s algoritmima za preračunavanje podataka. Zato se uvijek naglašava da nisu važne točke već matematički algoritmi.

Način prijema svjetlosnih impulsa na silicij i to u tri sloja je naravno bila vrlo dobra inovacija. Svaki sloj bi trebao primati određenu valnu duljinu i tako uhvatiti cijelu sliku u realnim točkama. Već po teoriji bi slika s ovog senzora trebala biti bolja od one kod klasičnog. Ali svaka medalja ima dvije strane. Nikada nije tako dobra kako se na početku predstavi i isto tako loša kad joj kod nastanka problema spočitavaju.

U većini naših računalnih revija i u dnevnom tisku su se odmah nakon CeBit-a 2002. požurili prepisivati službene članke za novinare i internetske podatke na stranicama Foveona. A nitko se nije pitao da li je to sve istina. I zapravo su se mogli čitati doslovni prijevodi bez razmišljanja o fotografiji. Samo opisivanje tehnike. Kao da senzor nije namijenjen zahvatu svjetlosti za konačni proizvod, fotografiju. Nakon poduljeg vremena približava se već i Photokina 2002, a o kameri još uvijek samo super opisi, dok je na tržištu još uvijek nema. Tada su pisci članaka o digitalnoj fotografiji izvukli pouku da prvo dočekaju proizvod i tek tada hvale ili kude te da je od hvale do kvalitete u praksi dugi put.

10

Slika 3.4. Ako klasični senzori trebaju tri točke za RGB zahvat, kod Foveon senzora nije tako. Svaka točka odjednom prima i filtrira RGB spektar.

Tehnologija Foveon X3 je inovativna i s time se svi slažu. Donosi nove spoznaje i nadasve u

budućnosti donosi novu kvalitetu. Tu se s propagandnim zapisom proizvođača svi u potpunosti slažu. No, pitanje je kako su ostale karakteristike zbog obrazlaganja o inovativnosti i kvaliteti od javnosti sakrivene i ne više tako revolucionarne? Poznavanjem tehnologije senzora su lošije stvari brzo vidljive. Dobra inovacija još ne znači proboj u masovnu proizvodnju i željenu zaradu. To ovisi o više faktora. Na prvom mjestu je uvijek cijena i time povezana količina prodaje.

Prvo, senzor je u svoju kameru za sada stavila samo Sigma. Sama kamera je u prosječnom razredu. Drugo, vjerojatno ne znate da manje polje na točki/pikselu, odnosno kod klasičnog senzora manja

točka znači manju osjetljivost. Još nakon godinu dana imaju mnogo problema sa šumom na senzoru koji neki konkurenti s klasičnim senzorom uspješno rješavaju. I na kraju, u digitalnoj fotografiji se sve brzo mijenja. Ako odmah nakon predstavljanja, kada jedini i najbolji proizvod ne daš na tržište, ubrzo te konkurencija prestigne. Foveon je sa svojom odličnom inovacijom više od godine dana sve vukao za nos. Nije važna samo inovativnost, već i prava doza razvoja, kvalitete i glavnog uvjeta, cijene.

Teškoće su bile u tome što točka/piksel nije u cijelosti osjetljiva na valnu dužine jedne boje. Već samo jedan njen manji dio. Tu su skicu jako uopćili i odgovor nije bilo moguće otkriti. S pregledom patentne skice teškoća je jasna. Dobra inovacije još uvijek stoji, najvjerojatnije ima i lijepu budućnost. Zato su na početku razvoja teškoće obično veće.

11

Rad Foveon senzora

Slika 3.5. Prikaz Foveon senzora u grafičkom obilku

Dijagram koji je prikazan na slici 3.2.1 prikazuje kako senzor radi u grafičkom obliku. Na lijevoj strani je prikazano upijanje boje spektra u skladu sa svojim valnim duljinama koji prolaze kroz silicij. Na desnoj strani, Foveon X3 senzor određuje slojeve u siliciju za svaki izlazni piksel koji prikazuje apsorbirane boje na svakoj razini. Čistoća boje i intenzitet plave, zelene i crvene s desne strane su prikazane za senzor radi jednostavne ilustracije

Zbog debljine silicija svaki od tri sloja Foveon X3 senzora je manji od pet mikrometra. Međutim, budući da je najveći sloj senzora crveni, senzor se može usporediti sa debljinama drugih silicijskih CCD i CMOS senzora. Jedino što se javljaju neke difuzije elektrona i gubitak oštrine na duže valne duljine.

12

4. Zaključak

Oduvijek je čovjek osjećao neku potrebu da zabilježi događaje iz života, pokrete i oblike, u želji da trajno sačuva svoj lik. Za te stvari je koristio različite načine, metode i aparate kroz povijest. Digitalna i računalska tehnologija koje su se razvile krajem 20. stoljeća, omogućile su revolucionarnu promjenu karaktera fotografije prenoseći je potpuno iz realnog svijeta stvari u svijet digitalnih bitova. Tako je već danas moguće slike spremiti na CD-e, DVD-e visokih kapaciteta, memorijske kartice, tvrde diskove na računalu i ostale medije koje koriste digitalnu tehnologiju za zapisivanje. U današnje vrijeme kada je tržište preplavila pojava digitalnih fotoaparata, digitalna fotografija polako zamjenjuje, odnosno u većini slučajeva već jeste zamijenila analognu. Ali sad nastaju nove dileme, da li kamere sa CCD ili CMOS senzorom, kojom rezolucijom, kolikim zoom-om, kakav display, kolika i kakva memorijska kartica, koji proizvođač, itd. Puno pitanja koja se postavljanju pred kupca digitalnog fotoaparata i puno pojedinosti koje bi trebao znati, barem u osnovnim segmentima, svaki korisnik te relativno nove tehnologije. Ovaj seminar bavio se usporedbom triju osnovnih vrsta senzora koja se nalaze u današnje vrijeme na tržištu i koji su sastavni dijelovi svakog digitalnog aparata.

13

14

5. Literatura [1] AGFA digitalni tečaj: http://www.badrov.hr/O_fotografiji/Senzori.htm [2] http://www.pf.unze.ba/cdp/pdf/KurtovicLejlaSenzori.pdf [3] http://www.foto-studio-time.hr/Digitalni%20Fotoaparati.htm [4] http://www.etfos.hr/~dantonic/Nastava/rip/Seminar%2018%20-%20Senzori%20slika.pdf