Kuidas kaamera andurid on aja jooksul arenenud

Varajased fotograafiaprotsessid: pildihõive teke

Enne elektrooniliste andurite tulekut toetus fotograafia kujutiste salvestamisel keemilistele protsessidele. Need varased meetodid panid aluse tulevasele andurite arendamisele. Fotograafia areng sai alguse camera obscurast, pimendatud ruumist väikese auguga, mis projitseerib vastasseinale ümberpööratud kujutise.

Valgustundlike materjalide edasine väljatöötamine võimaldas neid projitseeritud pilte jäädvustada. Mõned peamised verstapostid hõlmavad järgmist:

• Dagerrotüüp (1839): esimene avalikult kättesaadav fotograafiaprotsess, mille tulemusel saadakse väga detailne kujutis hõbetatud vasklehele.
• Calotype (1841): selle protsessi tutvustas William Henry Fox Talbot. Selle protsessi käigus kasutati hõbejodiidiga kaetud paberit, mis võimaldab ühest negatiivist luua mitu väljatrükki.
• Märgkolloodiumprotsess (1851): see protsess pakkus varasemate meetoditega võrreldes suuremat tundlikkust ja detailsust, kuid nõudis kohest edasiarendamist pärast kokkupuudet.

Need varased protsessid olid tülikad ja nõudsid ulatuslikke teadmisi keemiast, kuid need kujutasid endast esimesi samme visuaalse teabe hõivamiseks ja säilitamiseks.

Elektrooniliste pildiandurite tõus: uus ajastu

Elektrooniliste pildisensorite leiutamine tähistas fotograafia ajaloos olulist pöördepunkti. Need andurid muutsid valguse elektrilisteks signaalideks, sillutades teed digitaalsele pildistamisele. Tekkisid kaks peamist tehnoloogiat: Charge-Coupled Devices (CCD) ja Complementary Metal-Oxide-Semiconductors (CMOS).

Laadimisega seotud seadmed (CCD-d)

CCD-d olid esimesed laialdaselt kasutusele võetud elektroonilised pildiandurid. Need pakkusid suurepärast pildikvaliteeti ja tundlikkust. CCD-andurid muudavad footonid elektronideks, mis seejärel salvestatakse üksikutesse pikslitesse. Seejärel kantakse need elektronid üle kiibi võimendisse ja muundatakse digitaalseks signaaliks.

CCD-andurite peamised omadused on järgmised:

• Kõrge pildikvaliteet: CCD-d toodavad üldiselt madala mürataseme ja suure dünaamilise ulatusega pilte.
• Globaalne katik: CCD-d kasutavad tavaliselt globaalset katikut, kus kõik pikslid säritatakse samaaegselt, vähendades liikuvate objektide moonutusi.
• Suurem energiatarve: CCD-d vajavad CMOS-anduritega võrreldes rohkem energiat.
• Keerulisem tootmine: CCD-de tootmisprotsess on keerulisem, mis toob kaasa kõrgemad tootmiskulud.

Täiendavad metalloksiid-pooljuhid (CMOS)

CMOS-andurid kujunesid elujõuliseks alternatiiviks CCD-dele, pakkudes energiatarbimise ja kulude osas mitmeid eeliseid. CMOS-andurid integreerivad võimendid ja analoog-digitaalmuundurid otse andurikiibile, võimaldades kiiremat lugemiskiirust ja väiksemat energiatarbimist.

CMOS-andurite peamised omadused on järgmised:

• Väiksem energiatarve: CMOS-andurid tarbivad oluliselt vähem energiat kui CCD-d, mistõttu on need ideaalsed kaasaskantavate seadmete jaoks.
• Madalam hind: CMOS-andurite tootmisprotsess on lihtsam ja odavam.
• Kiirem lugemiskiirus: CMOS-andurid suudavad andmeid välja lugeda palju kiiremini kui CCD-d, võimaldades video salvestamisel suuremat kaadrisagedust.
• Rullkatik: paljud CMOS-andurid kasutavad rulluvat katikut, kus pikslid säritatakse järjestikku, mis võib kiiresti liikuvate objektide puhul põhjustada moonutusi. Globaalsed katiku CMOS-andurid on aga muutumas üha tavalisemaks.

Sensortehnoloogia edusammud: pildikvaliteedi ja jõudluse parandamine

Aastate jooksul on nii CCD- kui ka CMOS-anduritehnoloogias tehtud olulisi edusamme. Need edusammud on keskendunud pildikvaliteedi, tundlikkuse ja jõudluse parandamisele. Peamised arendusvaldkonnad hõlmavad järgmist:

Suurenenud pikslite tihedus

Anduri pikslite arvu suurendamine võimaldab pildile rohkem detaile jäädvustada. Kuid lihtsalt pikslitiheduse suurendamine võib põhjustada väiksemaid piksleid, mis võib vähendada valgustundlikkust ja suurendada müra. Tootjad on nende probleemide leevendamiseks välja töötanud mitmesuguseid tehnikaid, näiteks:

• Taustvalgustusega andurid: need andurid asetavad juhtmestiku ja vooluringid valgustundliku ala taha, võimaldades piksliteni jõuda rohkem valgust.
• Mikroläätsed: mikroläätsed asetatakse iga piksli kohale, et suunata valgus valgustundlikule alale, parandades valguse kogumise tõhusust.

Parem jõudlus väheses valguses

Kvaliteetsete piltide jäädvustamine vähese valgusega tingimustes on alati olnud väljakutse. Sensortehnoloogia edusammud on märkimisväärselt parandanud hämaras jõudlust. See saavutatakse läbi:

• Suuremad pikslid: suuremad pikslid suudavad jäädvustada rohkem valgust, mille tulemuseks on heledamad ja vähem mürarikkad pildid vähese valguse tingimustes.
• Täiustatud müravähendusalgoritmid: need algoritmid vähendavad piltide müra detaile ohverdamata.

Laiem dünaamiline ulatus

Dünaamiline ulatus viitab valguse intensiivsuse vahemikule, mida andur suudab jäädvustada, alates tumedamatest varjudest kuni eredaimate esiletõsteteni. Laiema dünaamilise ulatusega andurid suudavad suure kontrastsusega stseenides jäädvustada rohkem detaile. Dünaamilise ulatuse parandamise tehnikad hõlmavad järgmist:

• Suure dünaamilise ulatusega (HDR) pildistamine: HDR-pildistamine hõlmab mitme pildi jäädvustamist erinevate säritustega ja nende kombineerimist, et luua üks laiema dünaamilise ulatusega kujutis.
• Kahe võimendusega andurid: need andurid kasutavad stseeni nii heledate kui ka tumedate alade üheaegseks jäädvustamiseks kahte erinevat võimendusseadet.

Globaalne katikutehnoloogia

Nagu varem mainitud, võivad rulluva katiku CMOS-andurid tekitada kiiresti liikuvatel objektidel moonutusi. Globaalne katikutehnoloogia paljastab kõik pikslid korraga, kõrvaldades selle moonutuse. Globaalsed katiku CMOS-andurid on kiiretes kaamerates ja professionaalsetes videokaamerates üha tavalisemad.

Anduri suurus: oluline tegur

Sensori suurus mängib olulist rolli pildikvaliteedis, teravussügavuses ja kaamera üldises jõudluses. Suuremad andurid pakuvad üldiselt paremat pildikvaliteeti, paremat jõudlust hämaras ja väiksemat teravussügavust. Levinud andurite suurused on järgmised:

• Täiskaader (36 mm x 24 mm): tavaliselt leidub tipptasemel DSLR-ides ja peeglita kaamerates, pakkudes suurepärast pildikvaliteeti ja madalat teravussügavust.
• APS-C: väiksem kui täiskaader sensorid, kuid pakuvad siiski head pildikvaliteeti ja neid leidub tavaliselt keskklassi peegelkaamerates ja peeglita kaamerates.
• Micro Four Thirds: isegi väiksem kui APS-C sensorid, pakkudes head tasakaalu pildikvaliteedi ja kaamera suuruse vahel.
• 1-tolline: tavaliselt leidub tipptasemel kompaktkaamerates ja nutitelefonides.
• Nutitelefoni andurid: tavaliselt väga väikesed, kuid sensortehnoloogia ja pilditöötlusalgoritmide edusammud on pildikvaliteeti oluliselt parandanud.

Anduri suuruse valik sõltub kasutusotstarbest ja eelarvest. Suuremad andurid on üldiselt kallimad, kuid pakuvad paremat pildikvaliteeti.

Kaameraandurite tulevik

Kaameraandurite areng on pidev protsess. Teadlased ja insenerid töötavad pidevalt välja uusi tehnoloogiaid pildikvaliteedi, jõudluse ja funktsionaalsuse parandamiseks. Mõned paljutõotavad arendusvaldkonnad on järgmised:

• Arvutusfotograafia: tarkvaraalgoritmide kasutamine pildikvaliteedi parandamiseks ja väikeste andurite piirangute ületamiseks.
• Kvantsensorid: andurid, mis suudavad tuvastada üksikuid footoneid, mis võib viia vähese valguse jõudluse märkimisväärsele paranemisele.
• Kumerad andurid: andurid, mis on kumerad nii, et need vastaksid läätsede kumerusele, vähendades potentsiaalselt moonutusi ja parandades pildi teravust.

Need edusammud tõotavad järgmistel aastatel fotograafias ja pilditehnoloogias veelgi revolutsiooni teha.