Annons

Så fungerar sensorer

Bland alla teknikdiskussioner kring kameror så finns det en kategori som dyker upp hela tiden: sensorer. Hur bra olika sensorer är, hur viktiga olika egenskaper är, hur de fungerar och vilken storlek man bör ha. Här får du en rejäl genomgång från grunden.

Sida: 1 2 3 Nästa sida Visa alla 

Våren 2012 skrev vi en artikel om relationen mellan pixlar och bildkvalitet. På den tiden var många fotografer bekymrade över kommande sensorer med 36 megapixel. Något som upplevdes som ett stort steg upp från de sensorupplösningar runt 20 megapixel som var vanliga då.

Idag har nog det mesta av den här oron lagt sig. Numera har vi sensorer med både 42 och 50 megapixel i konsumentkameror. Bevisligen går det ju bra att fotografera handhållet även med de kamerorna och även äldre objektiv presterar bra med dem. Fler har nu dessutom insett att det faktiskt är svårt att se något tydligt samband mellan pixelstorlek och brusnivå i bilden. 

Diskussionen om små respektive stora pixlar finns förstås kvar, men det är en lugnare diskussion. Idag är huvudfrågan kanske snarare hur långt vi kan driva antalet megapixlar innan det blir meningslöst att öka dem ytterligare. Vi återkommer till den saken. Vi börjar med en kort genomgång vad en sensor egentligen gör och hur den fungerar.

Till vänster ser du en traditionell pixel, också kallad FSI, Front Side Illuminated. Ljuset fångas in genom mikrolinsen och passerar färgfiltret. Ljuset fortsätter förbi de ledningar och kretsar som gör att pixeln kan avläsas, tills det når det ljuskänsliga, reaktiva, området. När ljus når det övre reaktiva lagret börjar elektroner vandra genom kiselplattan mot det undre reaktiva lagret och en avläsbar laddning uppstår.

Till höger ser du en pixel i en BSI-sensor, Back Side Illuminated. Här har man lagt färgfiltret och mikrolinsen på motsatt sida, fördelen är att ljuset inte behöver passera mellan ledningarna och kretsarna som sköter utläsningen. I vår bild är det ju gott om utrymme för ljuset att passera, men i tätt packade sensorer som mobil­sensorer är det betydligt trängre. Då ger BSI-designen stora fördelar. Nackdelen med BSI-sensorer är att de är betydligt mer komplicerade och därmed dyrare att bygga.

GRUNDEN: FOTONRÄKNARE

En sensor är i grund och botten en fotonräknare. En stor ljusmätare. Sensorytan är ju dessutom uppdelad i små delar, pixlar. Det gör att sensorn inte bara kan mäta hur mycket ljus som hela sensorn träffas av, utan också exakt var på ytan ljuset träffar. 

Däremot uppfattar själva sensorn faktiskt inte färg. Färgen räknas ut i efterhand med hjälp av färgfiltret som sitter framför sensorn. Den vanligaste filtertypen har hälften av pixlarna täckta av gröna filter, en fjärdedel av blå och en fjärdedel av röda. Med hjälp av mängden ljus som träffar varje pixel och lite matematiskt hokus-pokus räknar vi sedan ut vilken färg, ton och ljusnivå pixlarna skall ha i den färdiga bilden.

Tekniken att få fram färg som vi beskriver ovan är det som ofta kallas Bayer-teknik efter  ingenjören Bruce Bayer hos Kodak som på 1970-talet tog fram metoden att räkna ut färg på det sättet. Det finns alternativa sensor­tekniker, ett exempel Foevon-sensorerna som Sigma säljer. De bygger på en princip att sensorn har tre ljuskänsliga lager på varandra som vart och ett registrerar mängden ljus i respektive färgområde. 

I teorin borde Foevon-sensorer utnyttja ljuset effektivare och slippa de moaréproblem som färginterpolationen i en Bayer-sensor orsakar. I praktiken har Foevon haft svårt att leva upp till detta då den tekniken istället leder till andra problem. Ett av de svåraste är så kallad cross-talk, att ljus så att säga läcker i sidled från en pixel till en annan. Traditionella sensorer har också cross-talk, men inte alls lika mycket. 

I framtiden är det inte otänkbart att vi ser lösningar med mer än ett lager, där man mäter mer än en färg i varje pixel. De flesta sådana lösningar som man experimenterar med arbetar med två lager, till exempel ett grönt och ett med rött och blått. Frågan är väl om den typen av lösningar någonsin blir kommersiellt intressanta för systemkamerasensorer. De är redan hyfsat effektiva med dagens teknik.

FLER FILTER OCH MIKROLINSER

Framför sensorn sitter inte bara ett färgfilter, där finns också vad man kallar mikrolinser. Framför varje pixel sitter i praktiken ett mycket enkelt litet objektiv. Mikrolinserna syftar främst till att samla ihop ljuset så det fokuseras på den ljuskänsliga delen av pixeln. Varje pixel består nämligen både av en ljuskänslig del och kringliggande elektronik. Mikrolinserna gör att det infallande ljuset utnyttjas effektivare.

I det här sammanhanget kan det vara värt att nämna BSI-teknik, Back-Side Illumination. I en BSI-sensor lägger man större delen av styrelektroniken i pixlarna bakom det ljuskänsliga laget, istället för framför. Det kan ju låta som en uppenbar lösning, men den är mycket besvärligare att tillverka. Länge var det här något som mest användes i extremt dyra sensorer för teleskop och liknande. Men idag är tekniken vanlig i små sensorer, som de till mobiler.

När pixlar är små tätt packade, som i mobilkameror eller kompaktkameror ger BSI en tydlig prestandafördel tack vare effektivare ljusinsamling. I våra systemkameror är pixlarna än så länge jämförelsevis stora och glest packade vilket i kombination med effektiva mikrolinser gör att BSI ger rätt små fördelar sett till ljusinsamling. Men BSI kommer bli allt viktigare i takt med att vi ökar upplösningen.

Dessutom ger BSI redan idag flera andra typer av fördelar. En liten fördel är att sensorn blir mindre beroende av att ljus träffar den i rät vinkel. Det möjliggör mer kompakta objektivkonstruktioner. En betydligt större fördel är att styrelektroniken inte längre behöver tryckas ihop för att inte skymma de ljuskänsliga delarna. Det gör det mycket enklare att tillverka sensorer med snabbare och effektivare utläsning. Sist men inte minst är BSI-tekniken en förutsättning för att bygga stackade sensorer där sensorn har flera lager av elektronik där du kan bygga in allt från buffertminnen till beräkningsprestanda direkt vid pixlarna.

Om vi återgår till sensorns ytskikt: Längst fram på sensorn, mot objektivet, sitter en så kallad filterstack, alltså flera lager av glasfilter som täcker sensorytan. De flesta sensorer har ett antialiasing-filter (även kallade AA-filter eller lågpassfilter), och filter som dämpar ultraviolett (UV) respektive infrarött (IR) ljus som annars kan störa bilden. AA-filtret kan lätt upplevas som paradoxalt, enkelt uttryckt bidrar det till att göra bilden en aning suddigare. Fördelen med det är att det kraftigt minskar problem som uppstår under färginterpoleringen, bland annat moaré, alltså oönskade färgmönster. I takt med att sensorupplösningarna ökar så minskar problemen med moaré och i allt fler moderna kameror hoppar man numera över AA-filter. 

Filterstackar är olika tjocka i olika kameror, de tunnaste är mellan en halv och en millimeter, de tjockaste runt fyra millimeter. Detta kan ibland skapa problem. Objektiv designas för att passa ihop med vissa tjocklekar på filterstack. Använder man sedan med en adapter objektiv från en tillverkare på en kamera från en annan kan filterstacken orsaka problem. Allra tydligast märks detta med objektiv som från början designats för film, som ju helt saknade filterstack.

Sida: 1 2 3 Nästa sida Visa alla 



Martin Agfors
Publicerad 2017-09-14. Läst av 6703 personer.
2017-09-15 07:05   Lahn
Mycket informativt artikel, tack. Angående för många pixel och hantering av stora bildfiler. Vad skulle ni tycka om en sensor som omvandla till exempel ett 200 Mp foto till ett 50 Mp foto innan den sparas på minneskort. Om man använda dem pixlar som är för många till att skärpa fotografiet skulle det blir ett väldigt förbättring i bildkvaliteten. Men för det behövs rejält snabba processorer...

Mvh Daniel
Svar från Grevture   2017-09-15 11:55
I sak håller jag med, hur bra dagens pixlar än fungerar så är det trots allt så att informationskvaliteten per pixel är ganska låg. En stor orsak är förstås färginterpoleringen, men även annat inverkar. Om man då som du är inne på skalar ned bilden så kan man faktiskt bibehålla överraskande mycket av informationsinnehållet även om man skalar ned till exempelvis en fjärdedel. Jag har inga exakta siffror (exakta siffror skulle dessutom variera lite med motivet). Men mellan tummen och pekfingret kan du nog skala ned en bild till en fjärdedel av storleken och ändå ha kvar sisådår 90 % av informationen.

Nu gör faktiskt nästan alla kameror i praktiken redan det här - när de sparar jpeg-filer i någon av de mindre, nedskalade, storlekarna. Men där drabbas vi dessvärre lite av att jpeg-formatet inte är den bästa containern för att bibehålla hög kvalitet, jpeg introducerar förstörande komprimering och reducerat bitdjup m m. Nedskalade filer komprimerade med oförstörande komprimering hade ju varit mycket, mycket bättre. Nu har en hel del kameror faktiskt ungefär det här också ... Det är faktiskt det som Canons sRaw och mRaw är: filer nedskalade till en fjärdedel eller till hälften, komprimerade med oförstörande komprimering. Trots nedskalningen bibehåller de väldigt, väldigt mycket av bildinformationen. Andra kameratillverkare har ju också provat det här, men med lite varierande resultat.

Men det finns en stor hake med allt det jag tog upp ovan - det är inte längre råfiler. Visst, Canons sRaw och mRaw är oförstörande komprimerade och de har större bitdjup än standard-jpeg ... Men det är dekonvulerade, framkallade, filer. De har genomgått processen där man räknat fram färgen i varje pixel och de har fått en tonkurva - sedan har de räknats ned till de mindre storlekarna. Men du har inte kvar den kompletta justerbarheten hos en råfil, du har låst vissa saker som inte längre kan justeras fullt ut.

Alternativet hade ju varit hårdvaru-binning, att läsa av pixlar i grupper istället för enskilt. Men då funkar inte nedskalning till en fjärdedel så bra på grund av hur färgfiltret ser ut, du bör skala ned typ 1:16 för att få ett bra resultat. Och då blir det inte mycket upplösning kvar från ens från en 100-megapixelssensor.

Sedan finns det ett annat ganska smart sätt att minska filstorlekar som Nikon länge använt: Att göra bitdjupet valbart. Ställer du in 12 bitars råfiler i en Nikon-kamera får du för det mesta filer som är 60-65% jämfört med storleken du får när du spar i 14 bitar. Och kör du på ISO 200 eller högre har du ändå inte mer omfång än vad som kan lagras med 12 bitars filer. Sony gör något liknande, om vi tar nya A9 som exempel så växlar den ned till 12 bitar så snart du kör serietagning vilket i mina ögon är en smart avvägning - kör du serietagning kör du ofta på högre iso och skulle du till äventyrs göra det på bas-ISO kan du nog offra ett halvt stegs omfång för att få farten.

Sist men inte minst borde en del kameratillverkare titta igenom hur de komprimerar råfiler. Idag är de flesta ganska bra på det, men fortfarande varierar råfilstorlekarna från (som bäst) lite drygt en megabyte per megapixel upp till drygt 2 megabyte per megapixel.
PMD   2017-09-16 21:25
Jag tror att jag har gnällt om det här förut, men här kommer det igen. :-)

Det vore finfint om Nikon kunde ha en inställning där man kan välja bitdjup per ISO, eller helt enkelt en inställning som helt sonika sätter 12-bitars djup över ISO 200. Det vore lite som att äta kakan och ha den kvar.
Svar från Grevture   2017-09-16 22:07
Per: Jo, det borde ju vara fullt möjligt.

Jag frågade en tekniker för några år sedan varför man inte kunde ha en inställning där kameran växlar ned till 12 bitar vid ett iso-värde, till 10 bitar vid ett annat (högre) och säg 8 bitar vid ett tredje (ännu högre). Men det trodde han skulle bli svårt eftersom A_/D-omvandlingen sköts av vad-de-nu-kallas (förprogrammerade små kretsar som gör en enda specifik sak väldigt snabbt och effektivt) och det var redan tillräckligt komplext att göra sådana som klarade två olika bitdjup.
PMD   2017-09-16 23:30
Om kameran kan ställas in manuellt för 12 eller 14 bitar så är det några få rader kod i kamerans programvara att växla automatiskt mellan 12 och 14 när ISO-inställningen passerar ett visst värde (200 verkar bra :).

Ditt förslag var ju betydligt mer komplicerat (samt ännu bättre och mer användbart) men jag tror på teknikerns förklaring till varför det inte gick.
FlyerOne   2017-09-16 23:44
Martin Agfors skrev:
"... A_/D-omvandlingen sköts av vad-de-nu-kallas (förprogrammerade små kretsar som gör en enda specifik sak väldigt snabbt och effektivt) ..."

"vad-de-nu-kallas" = LSI-kretsar = Large Scale Integration circuits. :-)

Teknikern har rätt i att det blir bökigt ifall man skall stoppa in ett flertal olika AD-omvandlare med olika upplösning. Men ifall det redan finns 12 och 14 bitars så borde det inte vara alltför svårt att fixa en automatisk omkoppling vid ett visst ISO-värde (dock inte alls säkert att det skulle gå att göra i efterskott med en enkel firmware uppgradering).
.
pdahlen   2017-09-18 20:09
Om man nu fotograferar 90% av bilderna med ISO över 200, ska jag istället ändra till 12 bitar? Du menar att man ser ingen skillnad alls? Med D7200 som jag har nu så får jag ut en bild till per sekund med 12bit. Gissar att det är en obetydlig skillnad också under ISO 200
Peter
Svar från Grevture   2017-09-18 22:08
Peter: Med en APS-C-sensor är det svårt att verkligen utnyttja 14 bitar ens på basio, och på högre iso än 200 är det definitivt slöseri med resurser att köra med 14 bitar :)

Tänk dessutom på att många motiv i sig själva inte är speciellt dynamiska (stor skillnad mellan mörkt och ljust). Att då lagra bilddata med 14 bitar är rätt meningslöst.
2017-09-17 22:42   Gustav Holst
Vad skulle sägas om en sensor med en elektronisk slutare per kanal (med "global" utläsning), så exponering en kunde optimeras per enskild kanal i en enskild exponering (dvs istället för via bracketing)? Kunde va användbart ex vid ETTR tillsammans med lämplig efterbehandling, funka även utan raw tillsammans med kamerans jpeg-motor, och i kanske i nån mån för hjälp med justering av vitbalans.. En idé 😊
Svar från Grevture   2017-09-18 00:15
Eller varför inte ta idén hela vägen och göra det per pixel ... :-) https://www.researchgate.net/publication/318351141_A_Frameless_Imaging_Sensor_with_Asynchronous_Pixels_An_Architectural_Evaluation

Asynkrona sensorer där man så att säga låter varje pixel ha sin egen exponering har diskuterats länge, men är väl i dagsläget inte aktuella - de kräver på tok för mycket processorkapacitet om de skall uppnå någon intressant upplösning.

Men tekniken med stackade sensorer öppnar i alla fall upp möjligheter åt det här hållet, att göra utläsningen mer varierad och på så sätt uppnå - totalt sett - bättre prestanda.
Gustav Holst   2017-09-18 18:25
Intressant länk.

Jo, varför inte. Bara efterbehandlingen som nog blir lite tungrodd med en exponering per pixel :-)
2017-09-18 12:34   dannedanne
Tack så mycket för en utmärkt artikel. Speciellt sista stycket om ekvivalens, är något som jag också brukar argumentera för. Blir extra irriterad när tillverkare och media anger brännvidden som småbildsekvivalens men inte bländaren. T.ex. rapporteras att iPhone 7 har brännvidden 28 mm (35 mm ekvivalent) och bländare f/1.8. Som 35 mm ekvivalent är bländaren hela f/12!

Så slutsatsen är att man inte kan få lättare/kompaktare optik genom att använda en mindre sensor såsom APS-C eller m43. I slutändan handlar bildkvalitet bara om hur mycket ljus som släpps in (bländaröppningens storlek, i millimeter). Om man vill ha kompakt optik, är det bara att köpa/designa långsammare optik. Tänk er ett 28 mm f/12 till småbildsformat, det skulle kunna bli ett kompakt objektiv!
Svar från Grevture   2017-09-18 22:17
Jag håller med dig, men skulle ändå vilja påpeka eller förtydliga en sak som du har klart för dig, men som kan vara värd att påpeka för dem som inte är lika vana att tänka i termer av ekvivalens. Du skrev

"Så slutsatsen är att man inte kan få lättare/kompaktare optik genom att använda en mindre sensor såsom APS-C eller m43"

Jag skulle formulera det så här:

"Så slutsatsen är att man inte kan få lättare/kompaktare optik med bibehållen ljusinsamling genom att använda en mindre sensor såsom APS-C eller m43"

Eller annorlunda formulerat: Man kan uppnå kompaktare optik med mindre sensorer, så länge man är beredd att offra lite ljusinsamling. Och ofta kan vi ju det numera med tanke på hur effektiva dagens sensorer är. Det roliga är ju att en Iphone som ju som du påpekar har motsvarande 35 mm f/12 ändå kan ge imponerande bra bilder i en väldig massa situationer. Långt bättre än vad betydligt klumpigare Instamatic-kameror och liknande klarade på filmtiden :-)
dannedanne   2017-09-18 22:30
Ja, precis. Med samma optiska kvaliteter.

Se bara på Sigma 18-35mm f/1.8. Det är ett monster, nästan lika stort som ett modernt 24-70mm f/2.8. Sigmat är ju i 35 mm ekvivalenter ett 27-52mm f/2.8 objektiv.

Merläsning

Test: Sigma 12-24/4 Art

Sigma 12-24/4 DG HSM Art är en rejäl pjäs med extrema bildvinklar. Vi imponeras av frånvaron av optiska fel och jämför mot Sigma 14/1,8 Art som kostar lika mycket. Läs mer...

Samyang XP 50/1,2: Ljusstarkt för dig med Canon

Samyang utökar sin Premium-serie med XP 50 mm f/1,2. Precis som med storebror XP 85 mm f/1,2 är tanken att erbjuda ett billigare alternativ till Canons populära motsvarigheter. Läs mer... 1

Äntligen BSI-sensor med global slutare från Sony

Global slutare i sensorn kommer att underlätta fotografering i framtiden. Sony har presenterat en banbrytande sensor med global slutare och extremt hög uläsningshastighet. Men Sony är inte ensamma om att utveckla globala slutare. Läs mer... 7

1 mars införs avgift på köp utanför EU

Postnord bestämt att ta ut avgift och moms för varje försändelse som kommer från land utanför EU från och med den 1 mars. Avgiftens storlek beror på varornas värde. Läs mer... 6

Snurrig oskärpa med Lensbaby Burnside 35/2,8

Lensbaby Burnside 35/2,8 är världens första vidvinkel med Petzval-konstruktion som ger en virvelformad bakgrundoskärpa. Läs mer... 8

Vintervandring med kameran

Fotosidan-profilen Peter Engman har äntligen kommit ut med kameran igen och bjuder på sköna vinterbilder i bloggen. Läs mer...

Lexar-anställda startar nytt: ProGrade Digital

I höstas tog kinesiska Longsys över Lexar från amerikanska Micron. Nu lanserar tidigare Lexar-anställda det nya märket ProGrade Digital. Ambitionen är att göra minneskort och kortläsare av hög kvalitet till proffs inom stillbild och video. Läs mer... 5

Vi provar Fujifilm X-H1

Under en intensiv dag fick vi chansen att prova Fujifilms nya toppmodell X-H1 och samtidigt ställa frågor om kameran till deras representanter. Kameran är en intressant blandning av nytt och bekant. Vi gillar det mesta, men det finns några irriterande detaljer. Läs mer... 7

Fotoböcker i fokus på Hasselblad Center

Fotoböcker är inget nytt, men det är däremot det stora intresset för fotoböcker. Hasselblad Center berättar fotobokens historia genom att visa cirka 200 fotoböcker, från 1860-talet till idag. Utställningen heter "Publicerat" och är uppdelad i tre centrala teman inom fotografi: Samhället, Jaget och Bilden. Läs mer... 10

Fujifilm X-H1: Toppmodell med bildstabilisering

Fujifilm har lyckats med mycket, men de har hittills saknat två saker: Bildstabilisering i kamerahusen och funktioner som lockar avancerade videokunder. Med Fujifilm X-H1 och två nya videoobjektiv blir det ändring på det. Läs mer... 27

Phottix Mitros Plus Speedlight