Sensoren i dit kamera er det der gør det til et digitalkamera. Den har erstattet filmen, både på godt og på ondt.

Dens fornemmeste og eneste opgave er at oversætte det den ser, til digitale 0- og 1-taller der gemmes som et digitalt billede, som en computerenhed kan tolke og vise frem.

Der er flere forskellige sensortyper, og her vil gennemgås de mest almene; med fokus på CCD og CMOS sensorer.

Om dit kamera bruger CCD eller CMOS kan læses i dit kameras specifikationer – eks. i manualen. Faktisk findes der to andre muligheder, nemlig LBCAST (JFET teknologi) fra Nikon samt Foveon fra Sigma.

Bemærk; når ordet støj bruges i denne artikel, er det i forbindelse med kornethed/grums, og ikke eks. lyd. 🙂

CMOS, LBCAST & Foveon

CMOS og LBCAST er det man kalder “aktive sensorer” (på engelsk “Active Pixel Sensors”, forkortet “APS” – IKKE at forveksle med analoge kompaktkameraer der bærer samme forkortelse, her står APS for “Advanced Photo System” men det er en anden historie).

Active Pixel Sensors virker næsten på samme måde som menneskets øje. Vi mennesker har “tapper” og “stave”, og de opfanger lysfotonerne. På samme måde har en CMOS og en LBCAST millioner af pixels, der opfanger lysfotoner. Disse lysfotoner oversættes til elektroniske impulser i den menneskelige hjerne – i digitalkameraet oversættes de til lignende elektroniske informationer, her af en A/D (Analog/Digital) converter.

Forestil dig en hel masse små spande der samler regndråber – her er regndråberne blot lysfotoner, men princippet er det samme.

Den mest almindelige APS er CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). CMOS ses sjovt nok både i de helt billige og de helt dyre kameraer, dog sjældent i “mellemklasse”-kameraer. CMOS’en er billig at producere, er mindre og arbejder også hurtigere end CCD’en.

De ældre CMOS-sensorer var meget lyssvage, hvilket var en kæmpe ulempe. Der er dog blevet udviklet ikke så lidt på CMOS-teknologien, og således ser vi også CMOS i store og dyre SLR digitalkameraer.

Den længe ventede Foveon fra Sigma er baseret på netop CMOS, og den er en ægte førstegeneration af sin art. Den har et seperat lag for rød, grøn og blå (de tre grundfarver for additiv farveblanding i den elektroniske verden), hvilket gør at den støjer mindre. Desværre er ulempen så at den er meget lyssvag – lige p.t…

CCD

Princippet i en CCD er simpelt; vi har en sensor, og uden om såvel som på den, har vi små kredsløb der fortolker det som sensoren opfanger direkte. Dette gør CCD’en meget lysstærk, men samtidigt også dyrere at producere.

CCD står for “Charged Coupled Device”, og der findes 2 typer; Interline-Transfer CCD’en der bruges i billigere digitalkameraer, samt FullFrame CCD’en der bruges i dyrere digitalkameraer.

Fullframe CCD’en giver mulighed for at gemme i RAW, og støjer kun meget lidt – dog stadigvæk mere end de nyere/dyreste CMOS-sensorer. Ulempen ved fullframe CCD’er er at man ikke kan få et videosignal direkte ud af dem, dermed elimineres muligheden for aktivt brug af LCD-displayet som søger. Fullframe CCD’er yderst sjældne, og i skrivende stund kan jeg ikke umiddelbart finde nogen digitalkameraer der benytter fullframe CCD.

Interline Transfer CCD’en har en betydelig lavere fillrate end fullframe CCD’en. Derfor støjer den mere, men hvad værre er; den har stærke tendenser til blooming. Der kompenseres dog for disse ulemper vha. en mikrolinse, og det er her hvor mange går galt i byen – for mikrolinsens specifikationer står (oftest) ikke nogen steder!

Blooming er resultatet af overbelysning; vi vil gennemgå blooming-fænomenet længere nede i denne artikel.

SuperCCD & Super HAD CCD

SuperCCD’er er blevet særdeles aktuelle. De er udviklet og produceres af FujiFilm. Oprindeligt blev SuperCCD’en udviklet med henblik på at kunne interpolere op i højere antal pixels, men nu om dage yder SuperCCD’en “kun” det antal megapixels som den oprigtigt kan levere.

Resultatet ses med det samme; en utrolig evne til at skalere op i ISO, med lavere støjniveau end det er set før i de små størrelse sensorer. Den nuværende generation 6 af FujiFilms SuperCCD’er præsterer at kunne skalere op til ISO 3200.

SuperHAD CCD er en opfindelse fra Sony, der vha. forbedrede mikrolinser projicerer større mængder lys ned per fotodiode på sensoren – og således muliggør større sensitivitet og mindre støjniveau end konventionelle CCD’er.

Generelt

Man må passe på ikke at sammenligne forskellige typer (eks. CCD og CMOS) direkte, idet en god CMOS er bedre end en dårlig CCD, og vice versa.

Man foretrækker generelt at have sensoren så STOR som muligt, eller rettere; man efterstræber at den får samme fysiske størrelse som en 35mm film. De dyrere dSLR digitalkameraer har sensorer der faktisk er denne størrelse – de sluger så også mere strøm, men leverer til gengæld en fantastisk billedkvalitet.

I kompakte digitalkameraer ser man typisk størrelserne 1/3.2″, 1/2.7″ og 1/1.8″. Den store 1/1.8″ er naturligvis at foretrække, medmindre tilhørende mikrolinse er af meget dårlig kvalitet – det samme hvis der er “noget galt” med selve optikken i kameraet og/eller selve softwaren.

På større (og dyrere) semikompaktdigitalkameraer ses 2/3″ sensorer. De er meget lysfølsomme, og stort set altid i meget høj kvalitet.

For at kompensere for det evt. manglende lys på små sensorer bruger man mikrolinser. En mikrolinse kanaliserer lyset fra et større område ned på hver fotodiode på sensoren (1 mikrolinse per fotodiode), dermed opnås større lysægthed. Kvaliteten for denne mikrolinse kan variere voldsomt, og det er blot en af de mange betydningsfulde ting der ikke kan læses på et kameras specifikationer.

Det skal desuden nævnes at flere videreudviklinger af sensortyperne både er udkommet og i gang – de er ikke nævnt her pga. deres manglende udbreddelse i digitalkameraer. Eks. Sonys ClearVID CMOS bruges p.t. kun i videokameraer.

Opløsning – antal MPixels

Antallet af pixels i et billede – ja, det siger jo sig selv; ANTALLET af pixels i et billede, siger INTET om kvaliteten! Mange smarte sælgere har brugt antal pixels som salgsgimmick i årevis, og enten af uvidenhed eller dårskab, sat lighedstegn mellem størrelse og kvalitet.

Antallet af pixels i et billede siger nemlig udelukkende noget om størrelsen på billedet. Store billeder kan selvsagt godt være meget grimme – også rent teknisk set.

Ser vi mere seriøst på det, så har det en effekt – jo flere antal pixels en sensor skal præstere, des MINDRE lysstærk bliver den hvis størrelsen på sensoren er den samme!

Nåda, mange megapixels går jo ligefrem hen og kan blive en ulempe!

Igen tager vi lige eksemplet med regndråber og spande; hvis vi sætter dobbelt så mange spande på samme areal, så kommer der selvsagt ikke så meget vand ned i hver spand som hvis der kun stod det halve antal spande i dobbeltstørrelse.

Jovist, man kan kompensere for det manglende lys ved at signalforstærke sensoren (dvs. forhøje ISO-tallet), men dette er jo faktisk en indsnævring af det dynamiske spekter – plus at der vil komme mere støj. Et problem løst, to nye skabt.

Det er tid til lidt mere tekniske udredninger – det bliver ikke sværere at forstå end det du har læst indtil nu, men det vil forhåbentlig give dig en bedre forståelse af tingene… 🙂

Teknisk – sensoren opfanger lys

Ja, som vi ved opfanger både CCD og CMOS sensorer jo lys. Det gøres ved at der sidder en masse små foto dioder / fotoceller, der når de eksponeres for lys, opfanger lysfotoner. Disse lysfotoner oplader hver enkelt sensor til et givent niveau – des mere sensoren oplades, des lysere vil denne pixel den repræsenterer blive.

Dette foregår på samme måde som en spand der opfanger regndråber. Des længere tid der går, des flere lysfotoner vil sensoren derfor kunne fange.

Men sensoren opfanger faktisk kun i gråtoner – og hvordan bliver det til farver?

Teknisk – lys bliver til farver

Foto dioderne ligger i et mønster, oftest benyttes et mønster kaldt “Bayer mønster”. Her er hver anden pixel er altid grøn – mønsteret ses illustreret herunder:

Dette kaldes også et “GRGB mønster” (Green Red Green Blue).

Det gør at der som udgangspunkt er langt mere information for grøn, i forhold til de andre farver – hvilket vil give grøn farvestik. Dette var i starten meget svært for kameraproducenterne at kompensere for, men nu om dage er langt de fleste kameraproducenter blevet dygtige til at levere korrekte og flotte farver.

Ved hjælp af avancerede matematiske algoritmer, der beregner den korrekte farve for hver pixel ud fra de omkringliggende pixels, skabes det færdige billede – og voilá, så har du et fint farvebillede med alle farver repræsenteret.

Denne process er naturligvis meget ressourcekrævende, specielt når der også samtidigt skal fjernes lidt støj, og digitalkameraerne i dag har derfor dedikerede processorenheder indbygget – såsom Canons DIGIT-processorer, Nikons Image Processor, Panasonics VENUS-engine, Sonys Bionz osv…

Af andre farvemønstre kan nævnes CYGM (Cyan Yellow Green Magenta) og RGBE (Red Green Blue Emerald).

Det skal desuden nævnes at Foveon-sensorer har 3 lag, hvorimod andre sensorer jo kun har ét lag. Derfor er en interpolering ikke nødvendig på en Foven-sensor, idet den faktisk som den eneste sensortype, kan siges at se i farver uden hjælp.

Teknisk – blooming

Blooming er en tendens der oftest kendes for CCD’er, men CMOS-sensorer kan også have dette problem til trods for hvad mange CMOS-producenter/tilhængere påstår.

Blooming er når hver foto diode overoplades fordi der kommer for mange lysfotoner. Ligesom hvis en spand bliver overfyldt med vand. Den overskydende ladning smitter af på de omkringliggende foto dioder, og dette ses som et blålilla skær:

Dette fænomen afhjælpes (helt eller delvist) af anti blooming gates, der sidder og aftager den overskydende spænding for alle dioderne.