O avtorju: Matjaž Intihar / e-Fotografija.si

Kako je tipalo sestavljeno in kako se je razvijalo do danes

Tipalo je srce digitalne fotografije in videa. Njegova osnovna naloga je preoblikovanje svetlobe v električni signal. Sestavljeno je iz mreže fotodiod, ki zaznavajo svetlobo, ter iz elektronskega vezja, procesorja, ki zajete podatke pretvori v digitalno obliko. Ob fotodiodah so še barvni filtri RGB (najpogosteje Bayerjev mozaik) in mikroleče, ki usmerjajo svetlobo v posamezne točke na tipalu.

V prvih digitalnih kamerah so bila v uporabi CCD tipala (Charge-Coupled Device). Ta so zagotavljala odlično kakovost slike, predvsem pri nižjih ločljivostih, vendar pa so bila energijsko potratna, draga za proizvodnjo in omejena pri hitrosti branja. Zato so jih postopno začela izpodrivati CMOS tipala (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), ki so bila sprva slabša v kakovosti, a so hitro napredovala. Njihova ključna prednost je bil bistveno boljši izkoristek energije, cenejša proizvodnja in možnost vgradnje dodatnih funkcij neposredno v tipalo.

Prve generacije CMOS tipal so bile FSI (Front-Side Illuminated). Pri njih je bila pred fotodiodami plast elektronskih povezav, kar je zmanjšalo izkoristek svetlobe. Slike so bile kakovostne pri nižjih občutljivostih, a hitro so se pojavljali šum in omejitve pri slabši svetlobi.

Razvoj je prinesel BSI tipala (Back-Side Illuminated), pri katerih so inženirji obrnili plast vezja na zadnjo stran. Tako fotoni najprej zadenejo fotodiode in ne kovinskih povezav. Ta prelomnica je pomenila velik preskok v občutljivosti (šumu), predvsem pri fotofonih, kjer je bila zaradi majhnih tipal in posledično točk, vsaka dodatna kapljica svetlobe dragocena.

Naslednji korak je bil ločitev svetlobno občutljive plasti in logičnega dela tipala. Tako so nastala delno zložena tipala (stacked), kjer fotodiode opravljajo samo svojo nalogo, obdelava podatkov pa poteka na ločeni plasti. To je omogočilo hitrejše odčitavanje in več zmogljivosti pri procesiranju signala. Se pa izgubi nekaj dinamičnega razpona.

Najmodernejša stopnja so povsem zložena tipala, pri katerih se je med fotodiode in logično plast dodal še vgrajeni pomnilnik (DRAM). Ta omogoča, da tipalo v trenutku shrani ogromne količine podatkov in jih nato postopno prenese v procesor. Posledica so izjemne hitrosti zajema – stotine slik na sekundo, skoraj popolna odprava učinka zaporednega zajema (rolling shutterja) in nove možnosti pri videu, kot so ultra počasni posnetki. (članek: Od centralnega zaklopa do popolne elektronike)

Od prvih CCD tipal, ki so se uveljavila kot pionir digitalne dobe (leta 1968), do današnjih več slojnih CMOS konstrukcij, ki združujejo visoko ločljivost, dinamični razpon in hitrost, je razvoj tipal ena ključnih tehnoloških zgodb digitalne fotografije. Več o zgodovini v knjigi e-Fotografija / PDF.

 

Kako so se razvijala tipala

Tipalo je srce digitalne fotografije. Njegova naloga je preoblikovati svetlobo v električni signal. Sestavljeno je iz mreže fotodiod in elektronskega vezja, ob katerih so barvni filtri in mikroleče.

- 1968/70 – CCD tipalo: razvito v Bell Labs (slika levo zgoraj). CCD so dolgo veljala za vrhunec kakovosti, a so bila energijsko potrata, počasna in draga za proizvodnjo.

- 1990–2000 – CMOS tipala: cenejša, energijsko učinkovitejša, z možnostjo integrirane elektronike. Sprva slabša od CCD, a hitro napredujejo.

- FSI CMOS: prve generacije, kjer je bila pred fotodiodami plast vezja, ki je zmanjševala občutljivost.

- BSI CMOS: obrnjen vrstni red slojev, fotoni zadenejo neposredno fotodiode. Velik preskok v občutljivosti, posebej pomembno za fotofone.

- Delno zložena tipala: fotodiode in logika na ločenih plasteh, hitrejše odčitavanje in obdelava signala.

- Povsem zložena tipala z DRAM: ve čslojna struktura, ki omogoča ekstremne hitrosti in skoraj popolno odpravo rolling shutterja. Obenem se še izboljšuje dinamični razpon. (Apple je prijavil patent za tipalo s kar 20EV dinamičnega razpona)

Razvoj tipal je šel z roko v roki z razvojem zaklopov (članek: Od centralnega zaklopa do popolne elektronike). Bolj ko so tipala postajala hitra, manj je bil nujen mehanski zaklop.

 

Tipala v praksi

Primerjava med FSI in BSI tipalom pri isti sceni – nočna fotografija ISO 6400:

Scena: Nočna ulica, malo svetilk, precej temnih predelov.

Rezultat:

Klasično FSI tipalo (osvetljeno od spredaj)

• Svetloba mora najprej skozi plast povezav in tranzistorjev, zato pride do fotodiod manj fotonov.

• Slika je temnejša, s slabšim kontrastom v sencah.

• Poveča se digitalni šum – zrnata struktura v temnih delih slike.

• Detajli v sencah so izgubljeni, saj je signal šibek.

• Dinamični razpon je manjši, svetla območja (npr. svetilka) se hitro prežgejo.

BSI tipalo (osvetljeno od zadaj)

• Svetloba pade neposredno na fotodiode brez ovir, zato je zajeta količina svetlobe večja.

• Slika je svetlejša, z več detajli v temnih predelih.

• Šuma je bistveno manj, ker je signal močnejši in procesor lažje loči signal od šuma.

• Dinamični razpon je širši – svetilke niso tako hitro prežgane, v senci pa se ohranijo detajli.

• Slika je bolj naravna, z več barvnimi informacijami in boljšim kontrastom.

Povzetek razlike

FSI: manj svetlobe pride do tipala - več šuma, manj detajlov, slabši dinamični razpon.

BSI: več svetlobe pride do tipala - manj šuma, več detajlov v temi, širši dinamični razpon.

Graf, ki prikazuje razliko med FSI (klasično spredaj osvetljeno tipalo) in BSI (zadaj osvetljeno tipalo):

Pri nižjih ISO (800–1600) so razlike manjše.

Pri višjih ISO (6400–25600) se jasno vidi prednost BSI tipala, saj ohranja višje razmerje signal/šum (SNR) - manj šuma in več detajlov v temnih delih slike.

---

BSI CMOS tipalo (osvetljeno od zadaj)

• Svetloba pade neposredno na fotodiode, zato je zajeta količina svetlobe večja kot pri FSI.

• Slika je svetlejša, z več detajli v sencah in z manjšim šumom.

• Dinamični razpon je širok, barvne informacije so bolj naravne.

• Omejitev: branje podatkov s tipala poteka zaporedno, kar pri hitrem gibanju povzroča rolling shutter efekt (nagibanje linij, »želatinasti« premiki).

• Hitrost rafala je omejena – zajem zaporednih posnetkov je počasnejši v primerjavi s tipali z dodatnim pomnilnikom.

BSI CMOS + DRAM (z vgrajenim hitrim pomnilnikom)

• Poleg tipala je vgrajen hiter DRAM procesor, ki služi kot začasni pomnilnik.

• Tipalo lahko prebere celotno sliko bistveno hitreje – skoraj kot global shutter.

• Rolling shutter efekt je močno zmanjšan ali praktično odpravljen pri fotografiji.

• Omogoča ekstremno hiter rafal (20–60 posnetkov/s pri najnovejših kamerah).

• Video lahko dosega višje ločljivosti in hitrosti (npr. 4K/120p ali celo 1000+ svs pri eksperimentalnih kamerah).

• Slabost: dražja proizvodnja, večja poraba energije, večje segrevanje.

Povzetek razlike

BSI CMOS: odlična kakovost slike in širok dinamični razpon, a omejitve pri hitrosti in rolling shutterju.

BSI CMOS + DRAM: združuje enake prednosti kot BSI, hkrati pa omogoča izjemno hitro branje podatkov, manjši "rolling shutter" in višje hitrosti fotografiranja/videa.

O avtorju: Matjaž Intihar / e-Fotografija.si