Past na fotony aneb snímače digitálních fotoaparátů

Přestože se domnívám, že základní princip snímačů digitálních fotoaparátů dnes už snad každý „technologicky založený“ člověk zná, pojďme si udělat malé opakování, které bude navíc doplněno o informace o nejnovějších typech čipů.

Naplňte číše!

Snímač digitálu si lze jednoduše představit jako matici kalíšků, do nichž se lije světlo prošlé objektivem. Ve světlých částech obrazu tedy budou kalíšky zaplněny více, ve tmavých partiích pak méně, nebo třeba vůbec. Všimněte si, že nyní pojednáváme pouze o jasu, nikoli o barvě – snímače jsou totiž z principu černobílé. Kde se tedy vzala barevná informace?

Nad obrazovými buňkami jsou umístěné barevné filtry – viz schéma tzv. Bayerovy masky, což je v současné době převládající konstrukce. Jde o RGBG filtry, kdy G – zelený filtr – je vzhledem k vyšší citlivosti lidského oka na tuto barvu zdvojen. Každý z filtrů propouští světlo jen svojí vlnové délky a finální barevnost se posléze interpoluje – dopočítává z několika okolních pixelů. Zpravidla se barva počítá ze čtyř obrazových bodů v matici 2 × 2, nebo z osmi pixelů obklopujících v matici 3 × 3 aktuální obrazový bod. Výsledná fotografie je tedy uložená v barevném prostoru RGB se třemi kanály po 256 úrovních jasu – to dá po vynásobení známých (byť ideálních nebo, chcete-li, teoretických) 16,7 milionů odstínů barev osmibitového JPEGu.

 
Bayerova maska 

Dilema CCD vs. CMOS

Číše obrazových buněk snímače naplněné světlem jsou převedeny na – nyní ještě analogový – elektrický signál, který musí být následně odveden do A/D převodníku, jenž ze spojitého signálu teprve vytvoří digitální záznam. Podle toho, jakým způsobem se signál odečítá ze snímače, rozeznáváme dva základní typy: CCD a CMOS.

CCD odesílá elektrický signál jednotlivých buněk zpravidla pomocí trojfázového posuvu, kdy se nejprve přesune signál ze všech svislých buněk do spodní vodorovné řady. Z té se opět trojfázovým posunem odesílá signál k zesilovači a to vše se opakuje, dokud se „nevyprázdní“ celý snímač. Několik spodních a bočních řad a sloupců obrazových bodů se tedy nepodílí na samotné tvorbě obrazu, ale fungují jako jakési sběrnice. Proto také ve specifikacích fotoaparátů můžete vypozorovat rozdíly mezi fyzickým a efektivním rozlišením snímače.

CCD displej je vzhledem k principu odečítání signálu velmi hustě pokryt sítí elektrod z napařeného hliníku, které citelně zmenšují aktivní plochu samotných obrazových buněk. Z toho důvodu jsou nad buňkami ještě umístěné mikročočky, které mají za úkol usměrnit dopadající světlo na menší citlivou plochu jednotlivé buňky.

Mezi kompakty a zrcadlovkami 

Přestože se ukazuje, že budoucnost patří CMOS snímačům, lze v nabídce výrobců digitálních fotoaparátů najít jakési dva protipóly: digitální zrcadlovky až na zanedbatelné výjimky zcela ovládly snímače CMOS, naproti tomu kompaktní digitály (včetně ultrazoomů) lpějí na CCD.

Výjimkou jsou pouze nejnovější přístroje Sony se snímači CMOS Exmor R (plus Nikon Coolpix P100) a Fujifilm, který některé svoje aparáty osazuje vlastním Super CCD EXR, jenž je od konvenčního CCD poměrně odlišný. 

Volte CMOS

Snímače typu CMOS se v principu od CCD liší tím, že každá buňka má vlastní připojení. Lze tedy využívat přímého zesílení signálu (na složité cestě odečítání signálu z CCD vzniká větší rušení – digitální šum), snímače CMOS mají menší spotřebu energie a jsou také výrobně levnější. V nedávné době začala firma Sony produkovat zcela nový typ snímačů s názvem CMOS Exmor R s technologií Back Illuminated. „Zadní podsvícení“ bohužel není zrovna přesný název – zde jde o to, že se výrobci podařilo elektrody napařené zatím vždy na přední straně křemíkového čipu umístit na jeho zadní stěnu. Tím se samozřejmě značně zvětšila aktivní plocha jednotlivých buněk, což podle Sony vede ke zvýšení citlivosti až o 1 EV. Exmor R by tedy měl být dvakrát citlivější než běžné CMOS snímače.

Porovnání běžného CMOS snímače s back-illuminated CMOS snímačem

Ve specifikacích fotoaparátů standardu 4/3 nebo Micro 4/3 také narazíte na snímače typu Live MOS. Jde o víceméně marketingové označení – v principu jsou to CMOS snímače. Ostatně čip typu CMOS představuje také menšinový Foveon X3.

Z jiného světa

Kromě běžných snímačů CCD nebo CMOS s Bayerovou maskou existují ještě dva druhy světlocitlivých čipů, které jsou zásadně odlišné. Jednak je to snímač Foveon X3, u nějž se tvůrci inspirovali u klasického filmu, který je tvořen na sobě položenými vrstvami s různou spektrální citlivostí. Barevná informace se tedy nijak neinterpoluje (nedopočítává z několika okolních bodů). Díky tomu, že křemík pohlcuje barevné spektrum v závislosti na své tloušťce, bylo možné vyrobit snímač Foveon X3. V každém obrazovém bodu tak vzniká plnohodnotná obrazová informace.

 
Foveon

To je „voda na mlýn“ kritikům konvenčních snímačů s barevnou maskou, kteří rádi tvrdí, že tyto mají ve skutečnosti jen čtvrtinové rozlišení. Jenže to by nesměla Sigma, coby firma, která v současnosti jako jediná Foveony používá (ve dvou digitálních zrcadlovkách Sigma SD 14/SD 15 a dvou kompaktech Sigma DP1/DP2), fyzické rozlišení naopak trojnásobně interpolovat nahoru. V každém případě je zřejmé, že teoretické předpoklady skvělých vlastností Foveonu se zatím v praxi projevily víceméně sporně, takže k jeho masovému rozšíření nedošlo.

Bílou vránou číslo dvě mezi světlocitlivými čipy digitálních fotoaparátů jsou pak Super CCD snímače firmy Fujifilm. Ty již prošly poměrně dlouhým vývojem, bylo vytvořeno několik generací, nyní jsou na trhu přístroje se snímači Super CCD EXR. Základní charakteristikou Super CCD jsou obrazové buňky ve tvaru osmiúhelníku. Díky tomu se buňky v matici částečně překrývají, takže efektivněji využívají plochu snímače. Poslední verze Super CCD EXR je pak navíc charakteristická speciální barevnou maticí a odlišným načítáním signálu ze snímače podle způsobu využití. Chcete-li preferovat vysokou citlivost s malým šumem, signál je odečítán vždy zároveň ze dvou pixelů umístěných šikmo pod sebou.

Je-li preferován velký dynamický rozsah, snímá polovina obrazových bodů s preferencí vysoké citlivosti, druhá polovina je orientovaná na nízkou citlivost, firmware pak zařídí korektní spojení do jednoho obrazu. Snímače Super CCD EXR Fujifilm vcelku úspěšně používá u svých kompaktních fotoaparátů a ultrazoomů (digitální zrcadlovku v současné době tato firma v nabídce žádnou nemá). 

Větší je lepší

Tak jako obrazovou kvalitu ovlivňuje konstrukce snímače, velmi silně do ní zasahuje také jeho velikost. Jednoduchý vztah – čím větší, tím lepší – je v tomto případě zcela na místě. Větší snímač má obvykle větší jednotlivé obrazové buňky (pokud nemá extrémní rozlišení), což vede k lepšímu zisku využitelného signálu na úkor digitálního šumu a většímu dynamickému rozsahu. Je zřejmé, že například dvanáctimegapixelový snímač kompaktního fotoaparátu o rozměrech cca 6 × 5 mm nemůže konkurovat čipu se stejným rozlišením, avšak rozměry 17 × 13 mm, nebo dokonce 24 × 16 mm.

V tomto ohledu se v poslední době začíná používat hodnota tzv. pixel density – hustota obrazových bodů vyjadřovaná v megapixelech na čtvereční centimetr. Samozřejmě platí, že menší číslo je lepší, takže zůstaneme-li u našeho příkladu, fotoaparát se snímačem o velikosti cca 6 × 5 mm, což je čip 1/2,3", bude mít hustotu 50 Mpx/cm², kdežto zrcadlovka nebo „nezrcadlovka“ 4/3 či Micro 4/3 standardu s rozměrem snímače 17 × 13 mm pak bude mít hustotu obrazových bodů desetkrát menší – 5 Mpx/cm². A konečně digitální zrcadlovka se snímačem velikosti APS-C (cca 24 × 16 mm) bude vykazovat hodnotu 3,4 Mpx/cm².

Digikompaktům, jak se zdá, jsou už nadobro souzeny „pidisnímače“ v milimetrových velikostech. Největšími čipy 1/1,7" s nejlepší hodnotou hustoty obrazových bodů 2,3 Mpx/cm² disponují nejlepší modely Canonu – PowerShot G11 a S90, podobně je na tom dnes už starší Panasonic Lumix DMC-LX3. Pro srovnání – digitální zrcadlovka Canon EOS 5D Mark II s fullframovým (plnoformátovým) snímačem (36 × 24 mm) o rozlišení 21 Mpx má hustotu obrazových bodů 2,4 Mpx/cm².

Tabulka nejpoužívanějších rozměrů snímačů

* Platí pro zrcadlovky Nikon (označuje jej jako DX), Pentax, Sony a „nezrcadlovku“ Samsung NX10
** Pouze jeden model, Canon EOS 1D Mark IV
*** Nikon fullframe označuje jako FX

Snímač vs. optika a hloubka ostrosti

Zatímco u kompaktů, resp. obecně u fotoaparátů s pevně vestavěným nevýměnným objektivem, je optika vždy přizpůsobena snímači, u digitálních zrcadlovek s výměnnými objektivy tomu tak není ve všech případech, a proto se zde setkáváme s tzv. crop faktorem. Jde o to, že většina digitálních zrcadlovek svou základní konstrukcí vychází ze svých kinofilmových předchůdců, po kterých zdědily kromě jiného také vzdálenost bajonetu objektivu ke snímači (dříve filmu). To je nutné pro to, aby se dala používat standardní kinofilmová optika. Je-li však snímač menší než původní políčko kinofilmu, tedy použije-li se rozšířenější čip APS-C (nebo APS-H), dojde k ořezu obrazového pole a tím i ke zúžení záběru. Například obrazový úhel kinofilmové „padesátky“ tak po přepočtu crop faktorem 1,5× bude odpovídat perspektivě 75mm ohniska.

Malou výjimkou jsou digitální zrcadlovky 4/3, tedy Four Thirds standardu, a „nezrcadlovkové“ přístroje Micro 4/3. Zde není úplně přesné hovořit o ořezovém faktoru, protože velikost snímače i optika byly v této specifikaci navrženy od samého počátku – z ničeho staršího se nevycházelo, žádný bývalý standard nebyl modifikován. Proto by se zde místo pojmu crop faktor měl používat spíše termín „přepočet ohniska na ekvivalent 35mm filmu“.

Je logické, že čím menší je snímač, tím fyzicky kratší jsou použité ohniskové vzdálenosti optiky (byť po přepočtu na 35mm film jsou čísla jiná). Třeba u kompaktních aparátů není problém se setkat s ohnisky, která začínají na hodnotách cca čtyři až šest milimetrů, a přitom představují obrazový úhel srovnatelný s 25- až 28mm objektivem na plném formátu. Ultrakrátké fyzické ohnisko použité kvůli miniaturnímu snímači pak způsobuje jednu nepříjemnou vlastnost, kterou nemají v lásce kreativní fotografové – extrémně velkou hloubku ostrosti. Znamená to, že ve výsledné fotografii je ostré vše „od nevidím do nevidím“, slévá se popředí s pozadím, ostrostí jsou zvýrazněny objekty, které by naopak měly být potlačeny apod.

Ještě více nepříjemný je fakt, že u takovýchto fotoaparátů (což je drtivá většina kompaktních digitálů) není hloubka ostrosti uživatelsky v podstatě nijak ovlivnitelná. Proto vyspělí fotoamatéři neřkuli polo- a profesionálové obvykle sáhnou raději po digitálních zrcadlovkách, které mají výhodu jak větších snímačů a jejich lepších obrazových vlastností, tak s nimi spojenou optiku o delší ohniskové vzdálenosti, s níž už lze pracovat s hloubkou ostrosti.

Foťák podle čipu

Nový fotoaparát se sice obvykle nevybírá jen podle snímače, nicméně kdyby tomu tak bylo, je zřejmé, že vám doporučíme obecně se orientovat na co největší snímače typu CMOS. To ale není vždy možné – požadujete-li například kapesní kompakt, budete se muset spokojit s kompromisem malého čipu. V tomto kontextu vyznívá velmi dobře nová kategorie tzv. „nezrcadlovek“, které mají rozumně velký snímač a zároveň jsou menší a lehčí než běžné zrcadlovky.

Článek byl převzat z časopisu DIGIfoto