Képérzékelő

A képérzékelő típusától függően, a működési elv eltérő lehet. Azonban mindenütt ugyanazt a funkciót tölti be - az objektíven keresztül bejövő fénysugarat elektromos jelekké alakítja át, melyek elsősorban a kép fényerejét hordozó információt tartalmazzák. A látszattal ellentétben, a képérzékelő típusának nagy jelentősége van a kimeneti kép minősége szempontjából.

1. ábra A APTI-24C2-36W kamerában lévő CMOS típusú képérzékelő

A két leggyakrabban használt képérzékelő típus a - CCD és CMOS (2a és 2b ábra) Jelenleg az ipari kamerákban felépítésének és az általa kínált lehetőségeknek köszönhetően gyakrabban találkozunk az utóbbi típussal. A CCD képérzékelőket inkább a kevésbé népszerű PAL szabvány alapján működő analóg kamerákban találjuk. Alább bemutatjuk mindkét típus rövid jellemzőjét és működési elvét.

2a ábra CCD képérzékelő

2b ábra CMOS képérzékelő

CCD fényérzékelő (Charge Coupled Device) – azaz töltés-csatolt eszköz.

Általánosságban elmondható, hogy a képérzékelő fényérzékeny cellák - pixelek - rendszeréből áll, melyek elektromos töltést tárolnak. Ez az egyes egymástól különálló pixelekre eső fénynek köszönhető. Feszültség hatására a fényérzékeny elem által tárolt töltés kinyerhető (3. ábra) Az egyes pixelek úgy is szemléltethetők mint a konténerek, melyekben az újonnan létrehozott elektronok tárolódnak. Számuk arányos a fény intenzitásával, és a megvilágítás időtartamával (4. ábra).

Ily módon, változó mennyiségű elektronok felhalmozódása által a mátrixon, létrejön egy térkép, amely bizonyos értelemben tükrözi a kamera által látott képet. Érdemes megemlíteni, hogy a képérzékelő cella rendszere csak maga a fény intenzitását rögzíti, az egyes képelemek színe nélkül, erről bővebben majd a továbbiakban lesz szó.

Az egyes pixeleken felhalmozódott elektron mennyiség léptetése sorban történik. Ez azt jelenti, hogy a töltés átadása egy további elektronikus rendszerbe mátrix sor mentén történik. A mátrix első sorában lévő elektronok leolvasása után a további sor elektronjainak átadása következik, az ő helyüket pedig az azt követő sorok elektronjai veszik át. Az egész eljárás addig ismétlődik, míg az összes pixel nem lesz leolvasva (5. ábra).

Ilyen módon minden pixel töltése elektromos rendszerbe vannak szállítva, melyek a "felfogott" fény mennyiségének megfelelő elektromos feszültségre vannak átalakítva. Ezen kívül, minden értékhez hozzá vannak rendelve a képérzékelő mátrixán lévő adott pixel koordinátái. Tehát nagyon röviden így néz ki a kép rögzítése a képérzékelő által.

Mégis, hogyan lesz a kép színes? Ahhoz, hogy ezt meg lehessen magyarázni, vissza kell térni a képérzékelő mátrixának felépítéséhez (6. ábra). A mátrix RGB szűrőkkel (piros, zöld, kék) van borítva, minden pixelre egy-egy szűrő esik meghatározott séma szerint. Minden szűrő csak egy színű fényt bocsát át. Ennek eredményeként minden egyes pixel egy adott színű fény mennyiségét rögzíti attól függően, milyen szűrő alatt helyezkedik el. Annak köszönhetően, hogy a pixelek saját koordinátákkal rendelkeznek, tudni, milyen a fény intenzitása és színe. A többi már az elektronika műve. A készülék grafikus processzora ugyanolyan elrendezésű programozott szűrő térképpel rendelkezik, mint a matricán, ennek köszönhetően képes digitális változatban megjeleníteni a képérzékelő által rögzített képet.

6. ábra RGB szűrőkkel borított CCD matrica, amelyek mindegyike megfelelő színű fényt bocsát át.

Érdekességképpen érdemes megemlíteni, hogy a zöld színt átbocsátó szűrőkkel rendelkező pixelek száma kétszer annyi mint a többi. Ennek az az oka, mert a képérzékelő processzor az emberi szem mintájára lett megtervezve, amely az összes alapvető szín közül a szintén zöld színre a legérzékenyebb.

A szűrők még egy nagyon fontos funkciót töltenek be - védenek az infravörös fénytől, melyet végeredményben az abszolút nulla feletti hőmérsékleten valójában minden tárgy kibocsát. A képérzékelő az egész látható fénysávra érzékeny, és a szemmel ellentétben, az infravörös fényre is, mely rossz hatással van a szín és fényerő visszaadására.

Ezen felül, a processzor a 3x3 elrendezésű 9 pixel színei alapján a központi pixel helyén az így kapott színt tárolja (7. ábra), ezt követően következő 9 pixelt vesz figyelembe, és ismét meghatározza a központi pixel helyén lévő színt. Ezt a folyamatot interpolációnak nevezzük, és ennek köszönhető, hogy a kép közelebb áll a valósághoz.

A feljebb bemutatott interpoláció módszere, vagyis a hiányzó értékek becslése a szomszédos színek alapján, nem alkalmazható a mátrix szélein található pixelek esetén. Természetesen az ipari kamerákban jelenleg használt mátrix méretek mellett ennek nincsen nagyobb jelentősége. Ettől függetlenül a kamera- és fényképezőgép gyártók, főleg ha jobb minőségű termékről van szó, gyakran a pixelek számán kívül az effektív pixelek számát is fel szokták tüntetni. Ez a kép visszaadására ténylegesen használt pixelek száma, figyelmen kívül hagyva a mátrix szélein lévő pixeleket illetve a segéd pixeleket.

CMOS képérzékelő (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Ezekben a képérzékelőkben alkalmazott félvezetők felépítésüket és információküldést tekintve a háttértárolók felépítését veszik alapul. Jellemzőjük elsősorban a gyorsaság és a csökkent teljesítmény követelmények, a CCD képérzékelőkhöz képest. Működési elvük a CCD érzékelőkhöz hasonló, azzal a különbséggel, hogy az összes pixel egymástól függetlenül leolvasható, és nem egymást követően. Ez azért lehetséges, mert CMOS mátrix minden egyes képpontja saját erősítővel rendelkezik és külön-külön címezhető. Ennek eredményeként az összes képpont egy időben kiolvasható (8. ábra).

Sajnos, az ilyen rendszernek hátrányai is vannak. A képérzékelőn belül további összetevők elhelyezésének szükségessége miatt a pixelek közti távolság jóval nagyobb mint a CCD képérzékelők esetén. Már nincsenek olyan közel egymáshoz, ebből kifolyólag a képérzékelő mérete is nagyobb. Ennek eredményeként az egész mátrix érzékenysége is kisebb, hiszen a fény egy része a fényérzékeny elemek helyett közéjük esik. További jelentős hátránya ennek a megoldásnak az a tény, hogy nem lehetséges néhány millió erősítő egyformára való gyártása, melyek mindegyike egyforma pontossággal működne. Végeredményben előfordulhat, hogy az a kép, melynek egységes színűnek kellene lennie, specifikus csíkokat fognak tartalmazni, melyeket zajnak nevezünk. Természetesen, az eszköz minőségétől függőem a képfeldolgozásért felelős elektronika kisebb vagy nagyobb mértékben meg tud birkózni ezzel a problémával.

Az adott kamerába szerelt képérzékelő nagyságát inch-ben szokás megadni. Általában, minél nagyobb a képérzékelő, annál több rajta a pixel, és ami ebből következik - annál jobb a képminőség. Ipari kamerák esetén a legnépszerűbb képérzékelő méretek a 1/3" és 1/4". Érdekességképpen érdemes megjegyezni, hogy ennek nem sok köze van a képérzékelő tényleges méretéhez. Ez a jelölés még abból az időből származik, amikor a képérzékelő szerepét a kamerákban katódlámpák töltötték be. A méret azonban nem magára a lámpára vonatkozott, hanem az üveg védőbúra átmérőjére.

Tehát, példának okáért, az 1" képérzékelő megfelel az 1" átmérőjű védőbúrában található katódlámpa méretének. Könnyítésképpen feltételezhető, hogy a képérzékelő átlója a jelölt érték 2/3-nak felel meg. A pontos értékek a táblázatban vannak feltüntetve.