Proč mají digitální fotoaparáty tak malé snímače? - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

5. listopadu 2004, 00.00 | V poslední době se čím dál častěji diskutuje otázka závislosti množství šumu ve fotografiích na aktivní ploše snímače. Proč vlastně výrobci digitálních fotoaparátů používají tak malé snímače?

Klasická fotografie si prošla ve své historii řadou epochálních změn a jestli je možné v celé dlouhé historii vystopovat nějaký zřejmý trend, tak je to zmenšování plochy média, na které se obraz zaznamenává. Pro většinu fotolaiků sice filmová fotografie je ekvivalentem pro 35 mm negativ, ale existuje celá řada formátů jak větších (např. 6x6, 6x9), i menších.

S nástupem digitální fotografie přišla další vlna miniaturizace a od samých počátků digitální fotografické techniky se používají i snímače s úhlopříčkou menší než 1 cm! Jaké jsou důvody, které vedly výrobce snímačů k tak razantní miniaturizaci a co tato technologie přináší za výhody a nevýhody?

Schéma SuperCCD snímače

Menší snímač = menší optika
Jednou z hlavních motivací pro miniaturizaci snímačů je snaha zmenšit optickou soustavu objektivu. Čím menší je snímací prvek, tím menší plochu musí objektiv pokrýt kvalitně vykresleným obrazem, a tudíž použití čočky mohou mít menší průměr i hmotnost. Díky tomu, že snímače mají jemnější strukturu než běžný negativní filmový materiál, zdála se být miniaturizace logickým, bezproblémovým řešením. Menší optika umožňuje vyrábět menší a pochopitelně i levnější fotoaparáty. Nejmenší běžně používaný snímač má úhlopříčku pouhých 1/3,2" tedy aktivní plochu pouhých 4.5 x 3.4 mm, což je 7,7x méně než zmíněný kinofilm.

Menší snímač = úspora energie
Druhou, poměrně významnou výhodou malých snímačů, je nižší spotřeba energie, za kterou stojí menší ztráty při vedení elektrického náboje. Může se to zdát malicherné, ale rozdíly ve spotřebě energie mezi snímači různých velikostí se pohybují až v desítkách procent. Navíc menší snímač se méně zahřívá a je méně citlivý na vnější elektromagnetické vlivy, takže z tohoto jednostranného pohledu dokonce slibuje menší hladinu šumu ve fotografiích.

Menší snímač = levnější snímač
A v neposlední řadě je zde i ekonomické hledisko, které je postaveno zejména na spotřebě křemíku a náročnosti výroby. Dnešní snímače jsou extrémně komplikovaná a miniaturizovaná křemíková zařízení složená z desítek miliónů obvodů. Jejich výroba tudíž vyžaduje použití křemíku s maximální čistotou, který je čím dál dražší. Navíc s rostoucí plochou roste i riziko chyby výroby či vady materiálu, což dále zvyšuje náklady na výrobu. Tudíž čím menší je snímač, tím méně křemíku se spotřebuje, což ve velké sérii znamená výraznou úsporu nákladu na výrobu.

Ach ty fyzikální zákony
Nicméně, abychom miniaturní snímače jen nechválili, je potřeba vidět i řadu nevýhod, které mají. Tou základní je paradoxně nedostatečná aktivní plocha. Snímač, ať už je jakéhokoli typu (CCD, CMOS, Foveon) je složen z jednotlivých víceméně samostatně fungujících buněk, které plní funkci malých expozimetrů. To znamená, že převádějí dopadající světlo na elektrický náboj, který je následně digitalizován a zaznamenáván. Čím menší je plocha snímače, tím menší je plocha fotodiody (při zachování rozlišení), a tudíž tím méně světla na ni dopadá a tím menší elektrický náboj vzniká. Stejně tak, když výrobce zachová rozměr snímače a zvýší rozlišení, dojde k zmenšení aktivní plochy jedné buňky.

Čím menší je plocha buňky snímače, tím menší je "zisk" z dopadajícího světla a tím více je nutné zesilovat získaný signál. To se v praxi projevuje hned ve dvou oblastech. Tou první je fakt, že fotoaparáty s malým snímačem nemohou nabízet vysokou citlivost, protože ji prostě nedokáží dosáhnout. Proto nejběžnější rozsah citlivostí malých snímačů je 100 - 400 ISO (velké snímače nabízejí někdy až 6400 ISO). Druhou slabinou malých snímačů je vyšší hladina šumu ve fotografiích i při relativně nízkých citlivostech.

Fyzika po druhé aneb o optice
Zároveň s tím, jak roste rozlišení snímačů při zachování malé plochy se zvyšují nároky na optiku objektivu. Aby mělo vysoké rozlišení snímače vůbec nějaký smysl, musí optika vykreslit více detailů než dokáže snímač zaznamenat. V brzké době by se měl na trhu objevit snímač s úhlopříčkou 1/1,8" a rozlišením 8 MPix. Ten bude vyžadovat kresbu výrazně přes 200 čar na milimetr.

Závěr
V amatérské třídě se dá předpokládat, že velikost snímačů se nebude příliš měnit a s tím, jak se bude zlepšovat výrobní technologie, dále poroste rozlišení. Výrobci budou bojovat s úrovní šumu a citlivostí při zachování výrobní ceny a dalším zvětšení rozlišení. V profesionální třídě se dá předpokládat, že se i nadále budou používat jak APS-C snímače, tak i snímače velikosti kinofilmu. Obě varianty mají své výhody i nevýhody.