Jaké existují fotočipy a proč u mobilů zvítězila technologie CMOS?

Co je fotografický snímač

Nejdůležitější součástí fotoaparátů je snímací čip, který je umístěn hned za objektivem. Jedná se o stěžejní prvek fotoaparátu, na nějž je promítán obraz přes objektiv. Mezi nejdůležitější vlastnosti snímače patří jeho velikost a rozlišení, tedy počet pixelů.

Zjednodušeně řečeno, větší snímač by měl znamenat i kvalitnější výsledný obraz. Jenže záleží i na velikosti pixelů, které vychází z rozlišení snímače. Čím větší pixel je, tím více můžeme předpokládat, že kvalitněji přenese obrazovou informaci. Spousta zařízení je ale limitována svými rozměry, což se váže také k rozměrům fotočipu. Ty jsou tak kompromisem mezi velikostí (zařízení a fotočipu), a také mezi rozlišením fotočipu.

Velikost snímače

Velikost snímače není jedinným důležitým parametrem fotoaparátů či fotomobilu, ale je to něco, od čeho se můžete odpíchnout. Velikost snímačů se udává v palcích, respekive v jejich zlomcích, například 1/2,74″. Jeden palec přitom značí vzdálenost 2,54 centimetru.

Nejmenší plochu snímačů mají mobilní telefony, následují levnější a dražší kompakty. Ty největší najdete v kategorii DSLR fotoaparáty. Výrobci fotoaparátů si používané rozměry snímačů označují „po svém“, univerzální označení je jen u takzvaných Full Frame, jehož velikost je 32 × 24 mm. Tedy stejná, jako u běžného kinofilmového políčka.

Druhy fotočipů

V digitální fotografii se za poslední léta prosadilo hned několik základních typů fotočipů, které se označují podle principu využívaného k ukládání obrazové informace do paměti.

CCD

Zkratka CCD označuje anglické spojení slov Charged Coupled Device. Tato technologie spatřila světlo světa již v roce 1969. Je založena na principu fotoefektu, signál se posouvá až na okraj snímače k takzvanému posuvnému registru, který jednotlivé signály postupně převede do zesilovače a analogově-digitálního převodníku.

Technologie CCD měla od svého vzniku poměrně složité výrobní postupy, které omezovaly rozlišení fotočipů. To sice už dnes neplatí, ovšem do CCD fotočipů je stále poměrně náročné integrovat další doplňkové části, které musí být umístěny mimo desku snímače. U běžných foťáků to až tak nevadí, ovšem u mobilů, kde záleží na každém milimetru, je tato technologie nepoužitelná. Obzvlášť když přídavné obvody musí být dodatečně napájeny, což má dopad na baterii. CCD fotočipy jsou vyráběny také speciálními a relativně nákladnými postupy.

CCD snímače mají při malém zesílení nízký šum, ten však se zvyšujícím se ISO narůstá geometrickou řadou. Problémem je také délka doby zpracování fotek. V případě sériového focení je třeba počítat s výraznými prodlevami, což je pro profesionální fotografy řešení vskutku nepraktické.

CMOS

Fotočipy typu CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) přišly na trh s tím, aby eliminovaly chyby CCD snímačů, a to se většinově povedlo. Výrobní proces je stejný jako u integrovaných obvodů, výroba je tedy levnější a fotočip je také méně náročný na spotřebu.

A pokračujeme v pozitivech, na snímač je možné dostat větší počet pixelů či do něj integrovat samostatný zesilovač pro každou obrazovou buňku. Fotodiody jsou však menší, takže potřebují vyšší zesílení signálu, což se zase podepisuje pod výraznější obrazový šum. Částečně jej korigují představené mikroobjektivy, které pomáhají zesílit vstupní světelný signál.

CMOS snímače jsou navíc daleko rychlejší při sériovém snímání a mohou být doplněny výkonnější stabilizací obrazu. Negativem je vyšší úroveň šumu i v případě nízkého zesílení. Focení za horších ideálních podmínek tedy znamená, že fotky budou viditelně horší než třeba za slunečného počasí.

BSI CMOS

Vylepšená technologie BSI (Back Side Illuminated) CMOS navazuje na technologii CMOS. Fotocitlivá vrstva je u tohoto typu snímačů umístěna až za transistory a obvody, což znamená, že na fotocitlivou vrstu dopadá méně světla.

BSI posouvá tranzistory a obvody až za tuto fotocitlivou vrstvu, což zlepšuje citlivost snímače. První prototyp BSI CMOS snímače se datuje do roku 2007, následně se dostal do digitálních fotoaparátů i do mobilních zařízení. První jej nasadil Apple u iPhonu 4.

Mezi největší výhody patří větší rychlost fotočipu, vysoká citlivost, nízká spotřeba a malé rozměry, což jsou velmi důležité parametry pro mobilní zařízení. Díky levnější a podstatně jednodušší výrobě tyto snímače z trhu prakticky vytlačily základní CCD fotočipy.

Fotočipy ISOCELL od Samsungu, které jsou nasazovány u smartphonů, jsou variantou na BSI snímače, ale s tím rozdílem, že jsou sousední pixely odděleny bariérou, která o třetinu snižuje barevný „přeslech“. Fotočipy za poslední roky prošly postupnou evolucí, jejíž součástí byly ještě výraznější bariéry mezi jednotlivými pixely, menší optická ztráta signálu či podpora slučování pixelů, takzvaný pixel binning 4:1 či 9:1. Větší sloučené pixely mají následně vyšší světelnou citlivost, než kdyby byly brány samostatně.

Fotomobily vs fotoaparáty

S nástupem fotomobilů telefony z trhu prakticky vytlačily kompaktní fotoaparáty a zrodil se nový prostor pro technologické soupeření, a to mezi zrcadlovkami a fotograficky vybavenými smartphony. V praxi se však srovnává neporovnatelné. Smartphony nikdy nebudou na stejné fotografické úrovni jako DSLR. Miniaturní optika je velmi limitující, takže v horších světelných podmínkách telefony prostě fotí hůř. A nepomohou tomu ani speciální noční fotorežimy, které skládají více fotek pořízených během delší expozice, agresivní post-processing ani umělá inteligence. Fyziku ošálit nelze.

Ze srovnání rovnou vypouštíme kompakty, které na trhu už prakticky postrádají smysl. Telefony je dohnaly nejen variabilitou fotočipů, ale také samotnou kvalitou fotek. Smartphony už dnes obstojně dokáží fotit portrétové fotografie, ultra širokoúhlé fotky, základní zoomy nebo makra (s přimhouřením obou očí), navíc je máme téměř neustále u sebe.

Profesionální fotografové ani v dnešní „smartphonové“ době nedají dopustit na zrcadlovku. Jenže je tu i aspekt rozměrů a hmotnosti foťáku, který musíte tahat v brašně stále s sebou. Minimálně u reportážních fotografií tak čím dál častěji i „profík“ sáhne po výkonném fotomobilu, díky kterému dokáže zareagovat pohotověji.