V souvislosti s nástupem nové zrcadlovky Canon EOS 5D zveřejnil Canon materiál o snímačích CMOS. Je třeba překonat nedůvěru vůči „selfpromo“, tedy vůči sama sebe chválícím, článkům – materiál obsahuje řadu zajímavých technických detailů. Připomenu, že prvky CMOS se liší od snímačů CCD tím, že zde odpadá technické řešení „vázaného náboje“, kdy náboje odcházejí postupně, protože náboj z každé buňky se odváděn zvlášť, přímo do analog-digitálního převodníku. Prvky CMOS s nižším rozlišením jsou výrobně jednodušší a energeticky úspornější a používají se v levných fotoaparátech. Naopak Canon vynikl ve vývoji a výrobě CMOS snímačů s velkým rozlišením a osazuje jimi svoje jednooké zrcadlovky. Tento článek poprvé vysvětluje, proč Canon vsadil na velkoplošné CMOS a nedržel se CCD.
(Pozn. red.)
Historie
Historie vývoje snímacích prvků ve společnosti Canon sahá až do roku 1987, kdy byl vyroben první snímač BASIS pro systém automatického zaostřování fotoaparátu EOS 650. Od té doby se výzkum nezastavil a v roce 2000 byl na trh uveden 3,11megapixelový fotoaparát EOS D30: první komerční využití CMOS pro zachycení obrazu u digitálních zrcadlovek.
Povzbuzena úspěchem fotoaparátu pokračovala společnost Canon v dalším vývoji a zdokonalování této technologie. V březnu 2002 uvedl Canon druhou zrcadlovku EOS se snímačem CMOS: EOS D60 s rozlišením 6,3 megapixelu.
Hledání většího senzoru
Jak EOS D30, tak D60 měly obrazový snímač formátu APS-C o rozměrech 22,7 x 15,1 mm. Pro srovnání – políčko klasického kinofilmu má rozměry 36 mm x 24 mm.
Jedním z důvodů, proč Canon usiloval o snímač v plné velikosti, byl potenciál lepší kvality obrazu. Kvalita obrazu v případě snímače v plné velikosti je vynikající vlivem vyššího rozlišení a větších pixelů.
Navíc celý 35mm formát – a tedy i celý systém EOS – je založen na fotografii celého políčka. Celé políčko obnovuje tradiční pojetí fotografie – širokoúhlé objektivy jsou opět širokoúhlé, hledáček je větší a jasnější, lépe se pracuje s hloubkou ostrosti.
Zlepšené rozlišení
Jedním z rozšířených omylů je, že rozlišení je dáno výlučně schopností obrazového snímače. Tak tomu ale není. Rozlišení je schopnost optického systému rozlišit dva objekty, které jsou blízko sebe. Tato schopnost „vidět“ či rozeznat detail je v prvé řadě ovlivněna optikou. To je také důvod, proč profesionální fotografové neváhají investovat do celé řady profesionálních objektivů, jako jsou např. EF objektivy řady L od společnosti Canon.
Objektivy EF však byly navrženy pro kinofilm a optimalizovány pro pokrytí celého 35mm políčka. Avšak velikost snímače typu APS-C pokrývá pouhých 40 % klasického políčka. Konstruktérům společnosti Canon bylo od počátku jasné, že mají-li mít fotografové maximální užitek z objektivů EF, je zapotřebí vyvinout obrazový snímač o velikosti celého políčka.
Větší pixely
Velký snímač znamená, že velikost jednotlivých pixelů je možné zvýšit při zachování jejich počtu. Větší pixely jsou citlivější a mají širší dynamický rozsah pro lepší detail, což se projeví především ve velmi tmavých či naopak přesvětlených oblastech. Mají také lepší poměr signálu k šumu ve prospěch nižšího šumu především při fotografování s vyšší citlivostí.
Problémy s výrobou
Obrazové snímače – stejně jako ostatní polovodiče – jsou vyráběny metodou fotolitografie. Většina fotolitografických strojů pro výrobu polovodičů je navržena pro maximální jednorázovou expozici, což je přibližně velikost snímače formátu APS-C. Výroba větších senzorů předpokládá velmi přesné vyrovnání a vzájemné propojení mnoha souvisejících expozic.
Při výrobě snímače CCD může tento proces srovnání vícenásobných expozic vést k neúplným či nesprávným spojením mezi kanály přenosu náboje, což jsou cesty, kudy jsou vedeny signály z jednotlivých pixelů.
To představuje potenciálně nepřekonatelný problém, protože nezesílený signál procházející kanály přenosu náboje je neobyčejně náchylný k degradaci způsobené přechody přes hranice jednotlivých expozic.
Jedním z možných řešení vícenásobné expozice u CCD snímačů je umístit do vnějších rohů snímače zesilovače signálu, takže náboj nepřechází přes žádné hranice expozic. Protože se však zpracování signálů jednotlivými zesilovači vždy nepatrně liší, je výstup každého segmentu snímače viditelně odlišný od výstupu segmentu sousedního.
Na rozdíl od snímačů CCD mají snímače CMOS zesilovač signálu u každého pixelu. Protože jsou výsledné signály silné, mohou přecházet přes hranice expozic bez znatelné degradace. Prostřednictvím optimalizace křemíkových plátků dosáhl Canon neobyčejně konzistentního výkonu zesilovačů. Jakákoliv odchylka v zesílení signálu je pak neznatelná, protože je náhodně rozmístěna v prostoru políčka.
První snímač plné velikosti
V listopadu 2002 Canon uvedl 11,1megapixelový EOS-1Ds, první fotoaparát se snímačem v plné velikosti filmového políčka. Fotoaparát zaznamenal okamžitý úspěch. Kvalita obrazu, rozsah citlivosti 100-1250 ISO (s možností rozšíření dolní hranice na 50) a rychlost snímání 3 snímky za sekundu se staly srovnávacím měřítkem pro ostatní digitální zrcadlovky.
EOS-1Ds neměl na trhu konkurenci až do listopadu 2004, kdy byl veřejnosti představen druhý přístroj se snímačem v plné velikosti filmového políčka, a sice 16,7megapixelový EOS-1Ds Mark II. Nový snímač CMOS druhé generace s novými mikročočkami nad každým pixelem a přepracovanými obvody pro snížení šumu poskytuje obraz prakticky bez viditelného šumu. Jeho široký dynamický rozsah umožňuje reprodukci velmi jemných tonálních gradací ve stínech, středních tónech i prosvětelených oblastech. Podle mínění celé řady kritiků překonává kvalita obrazu nejen klasický 35mm film, ale dokonce i film středního formátu.
Nízká hladina šumu, nízká spotřeba energie
Mezi výhody technologie Canon CMOS oproti technologii CCD patří nižší hladina šumu a nižší spotřeba elektrické energie.
Snímače CCD používají pro přenos akumulovaného elektrického náboje z jednotlivých pixelů příslušným přenosovým kanálům systém postupného předávání. Jeden po druhém jsou náboje pixelů předávány do zesilovače na okraji snímače. Teprve poté, co je každý jednotlivý pixel načten, může být signál zesílen a předán do obrazového procesoru fotoaparátu.
Tato operace je náročná na čas i na spotřebu elektrické energie. Je obtížné vyrábět CCD fotoaparáty s rychlou reakcí a nízkou spotřebou. Vysoká spotřeba energie snižuje životnost baterií a je také zdrojem nežádoucího tepla, které přispívá ke zvýšení šumu a tedy snížení kvality obrazu.
U snímačů CMOS vyráběných společností Canon je konverze signálu prováděna jednotlivými zesilovači na každém pixelu. Nadbytečné operace přenosu náboje jsou eliminovány, čímž se značně urychluje celý proces dopravení signálu do obrazového procesoru. Generování šumu je značně sníženo a zrovna tak i spotřeba energie.
Nízké šumové charakteristiky CMOS snímače fotoaparátu EOS 5D se uplatní především při fotografování s vysokou citlivostí ISO a dlouhých expozičních časech.
V souvislosti s nástupem nové zrcadlovky Canon EOS 5D zveřejnil Canon materiál o snímačích CMOS. Je třeba překonat nedůvěru vůči „selfpromo“, tedy vůči sama sebe chválícím, článkům – materiál obsahuje řadu zajímavých technických detailů. Připomenu, že prvky CMOS se liší od snímačů CCD tím, že zde odpadá technické řešení „vázaného náboje“, kdy náboje odcházejí postupně, protože náboj z každé buňky se odváděn zvlášť, přímo do analog-digitálního převodníku. Prvky CMOS s nižším rozlišením jsou výrobně jednodušší a energeticky úspornější a používají se v levných fotoaparátech. Naopak Canon vynikl ve vývoji a výrobě CMOS snímačů s velkým rozlišením a osazuje jimi svoje jednooké zrcadlovky. Tento článek poprvé vysvětluje, proč Canon vsadil na velkoplošné CMOS a nedržel se CCD.
(Pozn. red.)
Historie
Historie vývoje snímacích prvků ve společnosti Canon sahá až do roku 1987, kdy byl vyroben první snímač BASIS pro systém automatického zaostřování fotoaparátu EOS 650. Od té doby se výzkum nezastavil a v roce 2000 byl na trh uveden 3,11megapixelový fotoaparát EOS D30: první komerční využití CMOS pro zachycení obrazu u digitálních zrcadlovek.
Povzbuzena úspěchem fotoaparátu pokračovala společnost Canon v dalším vývoji a zdokonalování této technologie. V březnu 2002 uvedl Canon druhou zrcadlovku EOS se snímačem CMOS: EOS D60 s rozlišením 6,3 megapixelu.
Hledání většího senzoru
Jak EOS D30, tak D60 měly obrazový snímač formátu APS-C o rozměrech 22,7 x 15,1 mm. Pro srovnání – políčko klasického kinofilmu má rozměry 36 mm x 24 mm.
Jedním z důvodů, proč Canon usiloval o snímač v plné velikosti, byl potenciál lepší kvality obrazu. Kvalita obrazu v případě snímače v plné velikosti je vynikající vlivem vyššího rozlišení a větších pixelů.
Navíc celý 35mm formát – a tedy i celý systém EOS – je založen na fotografii celého políčka. Celé políčko obnovuje tradiční pojetí fotografie – širokoúhlé objektivy jsou opět širokoúhlé, hledáček je větší a jasnější, lépe se pracuje s hloubkou ostrosti.
Zlepšené rozlišení
Jedním z rozšířených omylů je, že rozlišení je dáno výlučně schopností obrazového snímače. Tak tomu ale není. Rozlišení je schopnost optického systému rozlišit dva objekty, které jsou blízko sebe. Tato schopnost „vidět“ či rozeznat detail je v prvé řadě ovlivněna optikou. To je také důvod, proč profesionální fotografové neváhají investovat do celé řady profesionálních objektivů, jako jsou např. EF objektivy řady L od společnosti Canon.
Objektivy EF však byly navrženy pro kinofilm a optimalizovány pro pokrytí celého 35mm políčka. Avšak velikost snímače typu APS-C pokrývá pouhých 40 % klasického políčka. Konstruktérům společnosti Canon bylo od počátku jasné, že mají-li mít fotografové maximální užitek z objektivů EF, je zapotřebí vyvinout obrazový snímač o velikosti celého políčka.
Větší pixely
Velký snímač znamená, že velikost jednotlivých pixelů je možné zvýšit při zachování jejich počtu. Větší pixely jsou citlivější a mají širší dynamický rozsah pro lepší detail, což se projeví především ve velmi tmavých či naopak přesvětlených oblastech. Mají také lepší poměr signálu k šumu ve prospěch nižšího šumu především při fotografování s vyšší citlivostí.
Problémy s výrobou
Obrazové snímače – stejně jako ostatní polovodiče – jsou vyráběny metodou fotolitografie. Většina fotolitografických strojů pro výrobu polovodičů je navržena pro maximální jednorázovou expozici, což je přibližně velikost snímače formátu APS-C. Výroba větších senzorů předpokládá velmi přesné vyrovnání a vzájemné propojení mnoha souvisejících expozic.
Při výrobě snímače CCD může tento proces srovnání vícenásobných expozic vést k neúplným či nesprávným spojením mezi kanály přenosu náboje, což jsou cesty, kudy jsou vedeny signály z jednotlivých pixelů.
To představuje potenciálně nepřekonatelný problém, protože nezesílený signál procházející kanály přenosu náboje je neobyčejně náchylný k degradaci způsobené přechody přes hranice jednotlivých expozic.
Jedním z možných řešení vícenásobné expozice u CCD snímačů je umístit do vnějších rohů snímače zesilovače signálu, takže náboj nepřechází přes žádné hranice expozic. Protože se však zpracování signálů jednotlivými zesilovači vždy nepatrně liší, je výstup každého segmentu snímače viditelně odlišný od výstupu segmentu sousedního.
Na rozdíl od snímačů CCD mají snímače CMOS zesilovač signálu u každého pixelu. Protože jsou výsledné signály silné, mohou přecházet přes hranice expozic bez znatelné degradace. Prostřednictvím optimalizace křemíkových plátků dosáhl Canon neobyčejně konzistentního výkonu zesilovačů. Jakákoliv odchylka v zesílení signálu je pak neznatelná, protože je náhodně rozmístěna v prostoru políčka.
První snímač plné velikosti
V listopadu 2002 Canon uvedl 11,1megapixelový EOS-1Ds, první fotoaparát se snímačem v plné velikosti filmového políčka. Fotoaparát zaznamenal okamžitý úspěch. Kvalita obrazu, rozsah citlivosti 100-1250 ISO (s možností rozšíření dolní hranice na 50) a rychlost snímání 3 snímky za sekundu se staly srovnávacím měřítkem pro ostatní digitální zrcadlovky.
EOS-1Ds neměl na trhu konkurenci až do listopadu 2004, kdy byl veřejnosti představen druhý přístroj se snímačem v plné velikosti filmového políčka, a sice 16,7megapixelový EOS-1Ds Mark II. Nový snímač CMOS druhé generace s novými mikročočkami nad každým pixelem a přepracovanými obvody pro snížení šumu poskytuje obraz prakticky bez viditelného šumu. Jeho široký dynamický rozsah umožňuje reprodukci velmi jemných tonálních gradací ve stínech, středních tónech i prosvětelených oblastech. Podle mínění celé řady kritiků překonává kvalita obrazu nejen klasický 35mm film, ale dokonce i film středního formátu.
Nízká hladina šumu, nízká spotřeba energie
Mezi výhody technologie Canon CMOS oproti technologii CCD patří nižší hladina šumu a nižší spotřeba elektrické energie.
Snímače CCD používají pro přenos akumulovaného elektrického náboje z jednotlivých pixelů příslušným přenosovým kanálům systém postupného předávání. Jeden po druhém jsou náboje pixelů předávány do zesilovače na okraji snímače. Teprve poté, co je každý jednotlivý pixel načten, může být signál zesílen a předán do obrazového procesoru fotoaparátu.
Tato operace je náročná na čas i na spotřebu elektrické energie. Je obtížné vyrábět CCD fotoaparáty s rychlou reakcí a nízkou spotřebou. Vysoká spotřeba energie snižuje životnost baterií a je také zdrojem nežádoucího tepla, které přispívá ke zvýšení šumu a tedy snížení kvality obrazu.
U snímačů CMOS vyráběných společností Canon je konverze signálu prováděna jednotlivými zesilovači na každém pixelu. Nadbytečné operace přenosu náboje jsou eliminovány, čímž se značně urychluje celý proces dopravení signálu do obrazového procesoru. Generování šumu je značně sníženo a zrovna tak i spotřeba energie.
Nízké šumové charakteristiky CMOS snímače fotoaparátu EOS 5D se uplatní především při fotografování s vysokou citlivostí ISO a dlouhých expozičních časech.
