Uitleg over beeldsensoren

Met fotografie kun je op magische wijze een tijdsmoment vastleggen. Cruciaal hiervoor is de beeldsensor in het hart van elke digitale camera. Net zoals het netvlies van het menselijk oog licht vangt en vertaalt in zenuwimpulsen die de hersenen kunnen interpreteren, vangt de sensor licht en zet het om in een elektrisch signaal dat vervolgens wordt verwerkt om een digitaal beeld te vormen.

In dit artikel gaan we kijken hoe beeldsensoren werken en de verschillende typen beeldsensoren ontdekken die in Canon-camera’s worden gebruikt.

• Basisbeginselen van digitale imaging
• CCD-sensoren
• CMOS-sensoren
• Ontwikkelingen in CMOS-sensoren
• DGO-sensoren
• De SPAD-sensor
• Uitleg over sensorgrootten

Bij alle typen sensoren begint het imagingproces wanneer er licht door het objectief van de camera gaat en de sensor raakt. De sensor bevat miljoenen lichtreceptoren of photosites, die de lichtenergie omzetten in een elektrische lading. De hoogte van de lading is evenredig aan de intensiteit van het licht. Hoe meer licht een bepaalde photosite raakt, hoe sterker de elektrische lading is die hierdoor ontstaat. (SPAD-sensoren werken iets anders, later meer hierover.)

Om zowel kleuren als helderheidsinformatie vast te leggen, zijn photosites voorzien van rode, groene en blauwe kleurenfilters. Dit betekent dat sommige photosites de intensiteit van rood licht vastleggen, sommige de intensiteit van groen licht en sommige de intensiteit van blauw licht.

De elektrische signalen van alle photosites in de sensor worden doorgegeven aan de beeldprocessor van de camera, die al deze informatie interpreteert en de kleur- en helderheidswaarden bepaalt van alle individuele pixels (beeldelementen) waaruit een digitaal beeld is opgebouwd.

Als je RAW-foto’s maakt, worden deze gegevens samen met informatie over de camera-instellingen opgeslagen in een RAW-bestand. Als de camera is ingesteld om beelden op te slaan in een andere bestandsindeling, JPEG, HEIF of RAW+JPEG, vindt verdere verwerking plaats in-camera. Dit bestaat doorgaans uit witbalans-aanpassing, verscherping, ruisreductie en andere processen, afhankelijk van de camera-instellingen. Ook wordt er demosaicing of debayering uitgevoerd, waarbij een slimme berekening plaatsvindt van de juiste RGB-kleurwaarde voor elke pixel (onthoud dat elke individuele photosite slechts één kleur vastlegt: rood, groen of blauw). Het eindresultaat is een volledige digitale kleurenafbeelding, hoewel er eigenlijk, als het een JPEG-afbeelding is, meer van de oorspronkelijke, door de sensor vastgelegde informatie is weggegooid dan bewaard.

Doorgaans wordt gesproken over het aantal megapixels (miljoenen pixels) in een sensor, maar strikt genomen heeft de sensor helemaal geen pixels, maar sensels (afzonderlijke photosites). Bovendien is er om allerlei technische redenen geen een-op-een-overeenkomst tussen sensels in de sensor en pixels in het resulterende digitale beeld. Het is accurater om te schrijven dat een sensor een bepaald aantal ‘effectieve pixels’ heeft, wat eenvoudigweg betekent dat de camera afbeeldingen of video’s produceert met dat aantal megapixels. De Canon PowerShot V10 heeft bijvoorbeeld een sensor die een ‘totaal aantal pixels’ van ongeveer 20,9 Megapixel zou tellen, maar een deel van de sensorgegevens wordt gebruikt voor technische processen zoals vertekeningscorrectie en digitale beeldstabilisatie, waardoor de PowerShot V10 video maakt (met Movie Digital IS) met ongeveer 13,1 Megapixel en foto’s (die verschillende processen ondergaan) met ongeveer 15,2 Megapixel.

Er zijn een aantal verschillende typen beeldsensoren. Digitale fotografie deed zijn intrede halverwege de jaren tachtig met de introductie van CCD-sensoren (Charge-Coupled Device). Met deze sensoren was het voor het eerst mogelijk om beelden vast te leggen zonder film te gebruiken, wat de fotografie radicaal veranderde.

CCD-sensoren zijn opgebouwd uit een geïntegreerd raster van halfgeleidercondensatoren die een elektrische lading kunnen vasthouden. Wanneer licht de sensor bereikt, absorberen deze condensatoren, die fungeren als individuele photosites, het licht en zetten het om in een elektrische lading. De hoogte van de lading op elke photosite is direct evenredig aan de intensiteit van het licht dat deze raakt.

In een CCD-sensor (charge-coupled) wordt de lading van elke photosite overgebracht via het raster van de sensor en gelezen in één hoek van de reeks, op dezelfde manier dat water in emmers wordt doorgegeven in een menselijke keten. Deze methode zorgt voor een hoge beeldkwaliteit en een grote mate van uniformiteit omdat elke pixel hetzelfde pad gebruikt om zijn signaal door te geven. Dit was de reden om de eerste professionele digitale camera van Canon, de EOS-1D, geïntroduceerd in 2001, te voorzien van een 4,15 Megapixel CCD-sensor. Dit proces is echter ook energie-intensiever dan het proces in CMOS-sensoren.

In 2000 introduceerde Canon de eerste CMOS-sensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor), in de 3,1 Megapixel EOS D30. In tegenstelling tot de CCD-sensor, die ladingen van de hele sensor overbrengt naar een enkel uitvoerpunt, bevat een CMOS-sensor meerdere transistoren op elke photosite, zodat de lading direct op de site kan worden verwerkt. Dit heeft verschillende consequenties.

Om te beginnen verbruiken CMOS-sensoren minder energie en zijn ze dus energiezuiniger. Ook kunnen ze elektrische ladingen veel sneller uitlezen, wat cruciaal is voor het maken van supersnelle serieopnamen. CMOS-sensoren delen bovendien dezelfde basisstructuur als computer-microprocessoren, wat massaproductie tegen lagere kosten mogelijk maakt, waarbij extra functies kunnen worden opgenomen zoals ruisreductie en beeldverwerking direct op de sensor.

Alle huidige PowerShot-, EOS- en Cinema EOS-cameraseries van Canon zijn voorzien van CMOS-sensoren, inclusief de EOS R System-systeemcamera’s.

CMOS-sensortechnologie is steeds verder ontwikkeld. Een door Canon ontwikkelde innovatie is Dual Pixel CMOS AF-technologie, waardoor elke pixel op de sensor te gebruiken is voor zowel imaging als autofocus, wat zorgt voor snellere en meer accurate AF-prestaties.

Een andere ontwikkeling in Canon's CMOS-technologie is de stacked, back-illuminated sensor die wordt gebruikt in de EOS R3. In dit ontwerp zijn de fotodiodes boven de transistorlaag geplaatst om licht efficiënter te verzamelen, wat minder beeldruis en betere beeldkwaliteit oplevert. Bovendien kunnen gegevens dankzij de stacked structuur sneller worden uitgelezen, wat bijdraagt aan de ultrasnelle prestaties van de camera. Dankzij deze technologie kan de EOS R3 voldoen aan de eisen van zowel hoogwaardige videoproductie als fotografie met hoge resolutie.

Canon is voortdurend bezig met onderzoek en ontwikkeling op het gebied van CMOS-sensoren. Een recent resultaat hiervan is een ultragevoelige 35mm full-frame CMOS-sensor met veel grotere fotoreceptoren (ongeveer 7,5 keer de grootte van die in eerdere sensoren). Grotere fotoreceptoren kunnen meer licht vangen en in dit geval een gevoeligheid bereiken die overeenkomt met 4 miljoen ISO, waardoor een camera levendige kleurenbeelden kan vastleggen van heel donkere omgevingen. Deze technologie wordt gebruikt in de Canon ME20F-SH-videocamera voor opnamen bij zeer weinig licht.

Canon heeft ook een sensor met een ultrahoog aantal pixels ontwikkeld door geavanceerde miniaturisatietechnieken toe te passen om photosites kleiner te maken. Dit maakt het mogelijk beelden met zeer hoge resolutie vast te leggen, tot een maximum van 250 Megapixel. In een afbeelding die met deze technologie is vastgelegd, is het mogelijk de belettering te onderscheiden op een vliegtuig in de lucht op 18 kilometer afstand en een resolutie te bereiken die ongeveer 30 keer hoger is dan die van 4K-video. Dit biedt talloze mogelijkheden voor toepassingen in bewaking, astronomische observatie en medische beeldverwerking.

Een tekortkoming van huidige CMOS-sensoren is dat, om technische redenen inclusief gegevensbandbreedte, de gegevens achter elkaar worden uitgelezen in plaats van alles tegelijk. Dit leidt tot problemen zoals vertekening door de ‘rolling shutter’ van snelbewegende onderwerpen die van positie zijn veranderd in de tijd dat het frame wordt uitgelezen. De geavanceerde CMOS-sensor in de EOS R3 maakt veel sneller uitlezen mogelijk, wat dit probleem grotendeels verhelpt. Ook onderzoekt Canon actief andere oplossingen zoals ‘global shutter’-technologie, waardoor de gehele sensor in één keer kan worden uitgelezen. Deze technologie is echter zeer complex, zorgt voor meer beeldruis en kosten, en levert nog geen hoogwaardige resultaten op.

De DGO-sensor (Dual Gain Output) is een geavanceerde beeldsensor die wordt gebruikt in de professionele videocamera’s Canon EOS C300 Mark III en EOS C70.

Canon’s DGO-sensor leest elke pixel op twee verschillende versterkingsniveaus, één hoog en één laag, en combineert deze twee uitlezingen vervolgens in een enkel beeld. De uitlezing op hoog versterkingsniveau wordt geoptimaliseerd om fijne details vast te leggen in schaduwgebieden met vermindering van ruis. De uitlezing op laag versterkingsniveau is ontworpen om informatie in de hooglichten te behouden en nauwkeurig te reproduceren. Het combineren van deze twee levert een beeld op met een breder dynamisch bereik, terwijl meer details behouden blijven en er minder ruis optreedt in vergelijking met beelden van conventionele sensortechnologieën.

De DGO-technologie verbruikt niet meer energie dan een conventionele sensor, is compatibel met Canon's Dual Pixel CMOS AF-systeem en elektronische beeldstabilisatie, en zorgt voor snelle, betrouwbare autofocus en een superstabiel beeld.

De DGO-sensor van Canon werkt door elk pixel op twee verschillende versterkingsniveaus te lezen, één hoog en één laag, en vervolgens deze twee uitlezingen te combineren tot één afbeelding. De uitlezing met hoge versterking is geoptimaliseerd om fijne details in schaduwgebieden vast te leggen terwijl ruis wordt verminderd. De uitlezing met lage versterking is ontworpen om informatie in de hooglichten te behouden en nauwkeurig weer te geven. Door deze te combineren, ontstaat een afbeelding met een breder dynamisch bereik, behoudt meer details en vertoont minder ruis in vergelijking met afbeeldingen van conventionele sensortechnologieën.

De DGO-technologie verbruikt niet meer stroom dan een conventionele sensor en is ook compatibel met Canon's Dual Pixel CMOS AF-systeem en elektronische beeldstabilisatie, wat zorgt voor snelle, betrouwbare autofocus en een superstabiel beeld.

CCD- en CMOS-sensoren meten de intensiteit van licht. Dit wil zeggen dat ze meten hoeveel fotonen de sensor bereiken binnen een bepaalde tijd. SPAD-sensoren (Single Photon Avalanche Diode) werken anders en gebruiken het ‘lawine’-effect in halfgeleiders. Wanneer een foton de sensor raakt, wordt een elektron gegenereerd, wat vervolgens een kettingreactie op gang brengt of een elektronenproductie-’lawine’. Dit domino-effect zorgt dat er onmiddellijk een grote stroom ontstaat, die wordt uitgelezen als een spanningssignaal in de vorm van een opeenvolging van pulsen die horen bij individuele fotonen.

Deze unieke lichtgevoelige technologie maakt dat SPAD-sensoren onvoorstelbare prestaties kunnen leveren bij weinig licht. Canon heeft met de uitzonderlijke SPAD-sensor de MS-500 ontwikkeld, een grensverleggende camera met verwisselbaar objectief waarmee je HD-kleurenbeelden kunt vastleggen bij extreem weinig licht, zelfs in de bijna totale duisternis van een nachtelijke omgeving.

Dankzij de bajonet-vatting van de MS-500 voor een broadcast-objectief van 2/3 inch is het ook mogelijk het uitgebreide assortiment broadcast-objectieven van Canon te gebruiken voor de camera, met hun uitstekende optische supertelefotoprestaties. Dit betekent dat de camera onderwerpen kan vastleggen die zich op enkele kilometers afstand bevinden, zelfs als ze onverlicht zijn. Dit maakt de camera een onmisbaar hulpmiddel voor beveiligings- en bewakingsdoeleinden, en voor een uitgebreid scala aan wetenschappelijke toepassingen.

Het is duidelijk dat het aantal megapixels van een sensor (totaal aantal of effectieve pixels) niet alles zegt. De fysieke grootte van de sensor is een belangrijke factor. APS-C-sensoren zijn fysiek compacter dan full-frame sensoren, wat betekent dat zelfs als het aantal pixels gelijk is, een camera met een full-frame sensor een groter dynamisch bereik en betere prestaties bij weinig licht moet opleveren. Als de camera hetzelfde aantal megapixels heeft maar over een groter oppervlak, heeft deze grotere photosites, die meer licht vangen. Hierdoor zijn full-frame camera’s zoals de EOS R3 en EOS R5 populair bij professionals, vooral als ze landschappen, architectuur of portretten fotograferen.

Omdat APS-C-sensoren echter compacter zijn, vult je onderwerp meer van het frame dan het geval zou zijn als je hetzelfde objectief met dezelfde instellingen op een full-frame camera gebruikt. Eigenlijk vergroot een APS-C-sensor dus het bereik van je objectief. In Canon-camera’s is de ‘crop-factor’ ongeveer 1,6x, zodat je effectieve brandpuntsafstand 1,6x groter is dan hetzelfde objectief op een full-frame camera. Dit geeft een 50mm-objectief bijvoorbeeld de zichthoek van een 80mm-objectief (50 x 1,6 = 80). APS-C-camera’s zijn dus zeer geschikt voor allerlei toepassingen zoals wildlife- en straatfotografie. Dankzij de compacte sensor zijn APS-C-camera’s zoals de EOS R50 en EOS R10 bovendien compacter en lichter dan hun full-frame tegenhangers, en zijn daardoor een geweldige optie voor reis- of natuurshoots.

Sommige videocamera’s maken gebruik van Super 35mm-sensoren (actief gebied ongeveer 24,6 x 13,8 mm, afhankelijk van de resolutie-instelling), die iets groter zijn dan APS-C (22,2 x 14,8 mm) maar nog steeds minder dan de helft van het gebied van full-frame (36 x 24 mm). Ze worden veel gebruikt in de filmindustrie omdat ze een goede balans bieden tussen kosten, beeldkwaliteit en filmische look (met een geringe scherptediepte). Videocamera’s en andere typen camera’s gebruiken een groot aantal andere sensorgrootten, zoals de 20,1 Megapixel 1,0-type stacked CMOS-sensor in de compacte PowerShot G7 X Mark III en de 11,7 Megapixel 1/2,3 CMOS-sensor in de PowerShot PX.

Welke sensorgrootte je kiest, is vooral afhankelijk van jouw vereisten bij het fotograferen en je budget. Elke sensorgrootte biedt bepaalde voordelen en als je weet wat deze zijn, ben je beter in staat de juiste camera voor jouw specifieke behoeften te kiezen. Je begrijpt echter wel waarom standaardisering op ‘effectieve pixels’ een eenvoudiger manier is om verschillende camera’s en technologieën te vergelijken.

De keuze voor het sensorformaat hangt grotendeels af van uw opnamewensen en budget. Elke sensorgrootte biedt duidelijke voordelen, en als u deze begrijpt, kunt u de juiste camera voor uw specifieke behoeften selecteren. U begrijpt echter wel waarom standaardisatie op "effectieve pixels" een eenvoudiger maatstaf biedt voor het vergelijken van verschillende camera's en verschillende technologieën!