Sensortyper og -størrelser

Basis

Grunnleggende om kamerasensorer

Kamerasensorer kommer i ulike teknologier og størrelser, og hver av dem har sine egne fordeler og begrensninger.

Hovedtyper av sensorteknologier

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

• Mest vanlige type i moderne kameraer

• Bruker mindre strøm enn CCD

• Ofte raskere avlesningshastighet

• Hvert piksel har egen konverteringskrets

CCD (Charge-Coupled Device)

• Tidligere dominerende teknologi

• Ofte bedre bildekvalitet ved lavere ISO

• Mindre elektronisk støy

• Høyere strømforbruk

Vanlige sensorstørrelser

Fra minst til størst:

• 1/2.3": Typisk i mobiltelefoner og kompaktkameraer

• 1": Premium kompaktkameraer

• Micro Four Thirds (MFT): 17.3 x 13mm

• APS-C: Ca. 23.6 x 15.6mm (Nikon, Sony) eller 22.2 x 14.8mm (Canon)

• Full Frame: 35mm (36 x 24mm), tilsvarende 35mm film

• Medium Format: Større enn full frame, vanligvis 44 x 33mm eller større

Hvordan sensorstørrelse påvirker bilder

• Større sensor:

  • Mer lys fanges opp

  • Bedre ytelse i svakt lys

  • Mer detaljrikdom

  • Lavere dybdeskarphet (mer bakgrunnsuskarphet)

• Mindre sensor:

  • Gir større dybdeskarphet

  • Lettere og mer kompakte kameraer

  • Ofte rimeligere

  • Kan gi mer støy i svakt lys

Sensorstørrelse er ofte en viktigere faktor for bildekvalitet enn antall megapiksler.

Utdypende

Dypere forståelse av sensorteknologier

CMOS-teknologi i detalj

• Aktive pikselsensorer: Hver piksel har sin egen forsterker og støyreduksjonskrets

• Global vs. rullende lukker:

  • Rullende lukker (vanligst): Leser sensoren linje for linje, kan gi forvrengning ved raske bevegelser

  • Global lukker: Leser hele sensoren samtidig, bedre for raske bevegelser

• Backside Illuminated (BSI): Sensorer der ledningene er plassert på baksiden, som gir bedre lysoppfanging

• Dual Native ISO: Noen nyere sensorer har to grunnleggende ISO-verdier for bedre ytelse over hele ISO-området

CCD-teknologi

• Pikslene overfører ladning sekvensielt til en felles utgangsnode

• Generelt bedre dynamisk område enn tidlige CMOS-sensorer

• Fortsatt brukt i noen vitenskapelige og industrielle applikasjoner hvor bildekvalitet er viktigere enn hastighet

Spesielle sensordesign

Foveon X3

• Fanger alle tre farger (RGB) ved hvert pikselpunkt

• Ingen behov for Bayer-filter

• Gir bedre fargeoppløsning og skarphet

• Begrenset til Sigma-kameraer

Stacked CMOS

• Separerer pikslene og prosessorelektronikken i ulike lag

• Raskere dataoverføring

• Bedre høyhastighetsytelse

• Brukt i Sony Alpha-kameraer og nyere iPhone-modeller

Sensorstørrelser i sammenligning

Sensortype	Størrelse (mm)	Cropfaktor	Typiske kameraer
1/2.3"	6.17 x 4.55	5.6x	Kompaktkameraer, smarttelefoner
1"	13.2 x 8.8	2.7x	Premium kompakt (Sony RX100)
Micro 4/3	17.3 x 13.0	2x	Olympus, Panasonic
APS-C (Canon)	22.2 x 14.8	1.6x	Canon EOS xxD, xxxD, M-serien
APS-C (Nikon/Sony)	23.6 x 15.6	1.5x	Nikon DX, Sony a6xxx
Full Frame	36.0 x 24.0	1x	Pro-kameraer, Sony a7, Nikon Z, Canon R
Medium Format	44 x 33 (varierer)	0.79x	Hasselblad, Fujifilm GFX

Pikselstørrelse og tetthet

• Større piksler:

  • Fanger mer lys

  • Bedre signal-til-støy-forhold

  • Vanligvis bedre dynamisk område

• Mindre piksler:

  • Tillater høyere oppløsning på samme sensorstørrelse

  • Kan fange finere detaljer hvis optikken tillater det

  • Vanligvis mer utsatt for støy i svakt lys

Pikselstørrelse måles i mikrometer (μm). Profesjonelle kameraer har typisk pikselstørrelser mellom 4-8μm, mens smarttelefoner ofte har 1-2μm piksler.

Dypdykk

Avansert sensorteknologi og -fysikk

Sensorarkitektur og signalbehandling

Analog-til-digital konvertering (ADC)

• Bit-dybde: Påvirker tonedynamikk

  • 12-bit: 4,096 nivåer per fargekanal

  • 14-bit: 16,384 nivåer per fargekanal

  • 16-bit: 65,536 nivåer per fargekanal

• On-chip vs. off-chip ADC: On-chip gir generelt raskere ytelse og mindre støy

• Dual-gain ADC: Separat behandling av høye og lave lysnivåer for bedre dynamisk område

Fargeinterpolering (demosaicking)

• Prosessen for å rekonstruere full fargeinformasjon fra Bayer-mønsteret

• Avanserte algoritmer reduserer moiré og fargeartifakter

• Påvirker opplevd skarphet og fargedetaljer

Kvantemekanikk i sensorer

Kvanteffektivitet (QE)

• Prosentandelen av fotoner som konverteres til elektroner

• Moderne sensorer: 50-80% QE (sammenlignet med film: typisk 2-10%)

• Varierer med bølgelengde (farger)

• Mikrolinser over pikslene øker QE ved å fokusere lys på de lysfølsomme områdene

Støymekanismer

• Lesetøy: Elektronisk støy fra sensor-avlesning

• Mørkestrøm: Termisk genererte elektroner, dobles typisk for hver 6-8°C temperaturøkning

• Shot noise: Kvantestøy fra den statistiske naturen til fotoner

• Fixed-pattern noise: Variasjoner mellom individuelle piksler

• RTS (Random Telegraph Signal) støy: Fluktuasjoner i individuell pikselrespons

Sensorgrenser og tekniske innovasjoner

Diffraksjonsgrensen

• Fysisk grense for oppløsning basert på bølgeegenskapene til lys

• Matematisk definert som: 1.22 × λ × f-nummer

• Piksler mindre enn ca. 2μm gir liten fordel med typiske objektiver på grunn av diffraksjonsgrenser

Moderne sensorkonstruksjoner

• Copper wiring: Erstatter aluminium for redusert motstand og forbedret ytelse

• Deep trench isolation: Fysiske barrierer mellom piksler for å redusere crosstalk

• Dualhøyde pikselstrukturer: For å balansere dynamisk område og detaljer i høylys

• Organiske fotodioder: Nyere teknologi med potensielt høyere QE og dynamisk område

Målinger og ytelseskarakteristikker

DxOMark sensorskårer

• Industristandardmålinger for:

  • Fargedybde (bits)

  • Dynamisk område (EV, Exposure Value)

  • Lavlysytelse (ISO-verdi)

Støykarakteristikk

• Read Noise Floor: Minimumsstøyen i sensoren, målt i elektroner (e-)

• Full Well Capacity: Maksimalt antall elektroner en piksel kan holde før metning

• Dynamic Range: Forholdet mellom maksimalsignal og støygulvet (typisk 12-15 stopp for moderne kameraer)

Spesialiserte sensorer for nisjebruk

Skannersensorer

• Lineære sensorer som beveger seg over bildeplanet

• Ekstremt høy oppløsning uten økning i sensorstørrelse

• Brukt i medium- og storformatdigitalbakstykker (f.eks. Hasselblad/Phase One)

Vitenskapelige CMOS (sCMOS)

• Ekstremt lav støy (under 1e- lesetstøy)

• Høy bildehastighet

• Høyt dynamisk område (opp til 30,000:1)

• Brukt i mikroskopi, astronomi og bioteknologi

Oppgaver

Praktiske øvelser for forståelse av sensorer

Øvelse 1: Sammenligne sensorer ved høy ISO

1. Finn to kameraer med forskjellige sensorstørrelser (f.eks. en mobiltelefon og et systemkamera, eller APS-C vs. full frame)

2. Sett opp identisk komposisjon med begge kameraer

3. Ta bilder med økende ISO-verdier (400, 800, 1600, 3200, 6400)

4. Sammenlign bildene på dataskjerm ved 100% forstørrelse

5. Observer forskjeller i støynivå, detaljbevaring og fargenøyaktighet

6. Noter hvilken ISO-verdi hver sensor begynner å vise uakseptabel støy

Øvelse 2: Utforske dybdeskarphet på tvers av sensorstørrelser

1. Bruk samme to kameraer med forskjellige sensorstørrelser

2. Tilpass brennvidden for å oppnå samme billedvinkel/utsnitt (f.eks. 35mm på full frame = ca. 23mm på APS-C)

3. Sett samme relative blenderåpning (f/4 på begge)

4. Fotografer et motiv med tydelig for- og bakgrunn

5. Sammenlign dybdeskarpheten i bildene

6. Prøv å finne hvilken blenderåpning på det mindre kameraet som vil matche dybdeskarpheten fra det større

Øvelse 3: Teste dynamisk område

1. Finn en høykontrastscene (f.eks. solnedgang eller et interiør med vinduer)

2. Ta samme bilde med ulike kameraer

3. I redigeringssoftware, prøv å gjenopprette detaljer i skygger og høylys

4. Vurder hvor mye informasjon som kan gjenopprettes før støy eller artifakter blir problematiske

5. For en mer kontrollert test, fotografer en gråskalachart eller fargetrapp under konsistente lysforhold

Øvelse 4: Pikselpeeping - Undersøke hvordan sensorer tolker detaljer

1. Fotografer et motiv med fine detaljer og teksturer med ulike kameraer

2. Zoom inn til 100% (1:1 piksler) i et bilderedigeringsprogram

3. Sammenlign hvordan ulike sensorer gjengir:

   • Tynne linjer

   • Repeterende mønstre

   • Hår og fine detaljer

   • Skarpe kanter

4. Se etter artifakter som moiré, fargefringing eller "false detail"

5. Prøv både standardinnstillinger og egne prosesseringsinnstillinger

Øvelse 5: Sensortesting under ekstreme lysforhold

1. Ta bilder i svært svakt lys med ulike kameraer

   • Bruk samme innstillinger (ISO, lukkertid, blenderåpning) hvis mulig

   • Hvis ikke mulig, juster for ekvivalent eksponering

2. Ta bilder i ekstremt høykontrastlige forhold (f.eks. direkte sollys med dype skygger)

3. Eksperimenter med eksponering for høylys vs. skygger

4. I redigeringsprogramvare, prøv å gjenopprette detaljer

5. Vurder hvilken sensor som håndterer disse ekstreme situasjonene best

6. Dokumenter funnene dine - hvor langt kan du presse hver sensor før kvaliteten blir uakseptabel?