Istoria senzorilor de camere foto si inceputul timid al rezolutiilor imbunatatite
Senzorii camerelor moderne au evoluat si ne ajuta sa avem fotografii perfecte de fiecare data.
Tehnologia din spatele imaginilor digitale a produs o adevarata revolutie atat la nivelul comunicarii, cat si la nivelul stiintei si al cercetarii. Calitatea unor imagini statice sau in miscare depinde si a depins intotdeauna de senzorul de la interiorul camerelor foto. Senzorii au tot evoluat de-a lungul istoriei lor si au reusit sa depaseasca orice asteptari, fiind deosebit de importanti in structura oricarei camere foto-video moderne.
Inainte de a vedea ce s-a intamplat in istoria senzorilor de la camere e bine sa intelegem de la inceput ce este un senzor de la o camera foto-video. Senzorul detecteaza si transmite informatia folosita pentru a realiza o imagine. Se convertesc atenuarile variabile ale undelor luminoase in semnale, purtatoare de informatie trasmisa cu viteze mari. Undele pot sa fie formate din lumina sau din alte tipuri de radiatie electromagnetica.
Gasim senzori in aparate foto diverse, camere video, gadgeturi sau dispozitive medicale avansate, echipamente pentru vederea pe timp de noapte. Cele doua tipuri de senzori electronici pentru imagine suhnt CCD, charge-coupled device, respectiv CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor, active-pixel sensor. Si CCD-ul si CMOS-ul, senzorii speciali, sunt bazati pe MOS, metal-oxide-semiconductor, o tehnologie foarte importanta in istoria senzorilor moderni de la camere-CCD-urile se bazeaza pe capacitatori MOS, CMOS-urile pe amplificatoare MOSFET, MOS field-effect transistor.
Cercetarile care au dus la aparitia primelor camere digitale au inceput in anii 1960, insa tehnologia din spatele senzorilor urma sa fie adoptata pe scara larga de abia din anii 1980, inceput de anii 1990. Pe viitor multi specialisti prezic deja ca tehnologiile din spatele senzorilor vor avea baze cuantice.
Senzorii CCD au o istorie foarte interesanta. In 1969, Willard Boyle si George Smith au venit cu ideea unor astfel de senzori pentru dispozitive foto-video pe cand lucrau la Laboratoarele Bell din New Jersey. A fost prima tehnologia adoptata la scara larga comerciala pentru a surprinde o imagine si a o digitaliza cu ajutorul unui cip de silicon sensibil la lumina.
Senzorul CCD cuprinde pixeli facuti din capacitatori MOS, metal-oxide-semiconductor. Cand lumina ajunge la un pixel, fotonii sunt transformati pe loc in electroni ca rezultat al efectului fotoelectric, practic fotonii dau afara electronii din silicon. Electronii sunt mentinuti in orice condensator al pixelului. Numarul de electronic depinde de cantitatea de lumina ce a lovit detectorul siliconic. Procesul de convertire si masurare a electronilor in informatie digitala este destul de complicat si presupune mai multe etape ce ar putea fi observate doar cu dispozitive speciale de laborator.
Un senzor CCD va produce o fotografie alb-negru. Vrei fotografii color? Adaugi filtre rosii, verzi, albastre peste fiecare pixel. Datele legate de culoare pot fi captate de fiecare pixel in parte, insa doar pentru o singura culoare primara per pixel.
O camera foto digitala va procesa datele de la senzor, cele originale numuite fisier RAW, in JPEG pentru a putea fi vizualizate si editate.
Recent, senzorii CMOS au inceput sa fie din ce in ce mai populari, pentru ca acestia citesc informatia de la fiecare pixel, nu rand pe rand. In senzorii CMOS intalnim o serie de pixeli care reactioneaza cand sunt supusi la lumina si trimit incarcatura de la fiecare pixel intr-o locatie aflata chiar in afara seriei, unde semnalele sunt amplificate si evaluate. Tehnologia CMOS foloseste mai putina energie, putere, si e potrivita pentru cipurile multi-megapixel, din camerele moderne.
Revenind la istoria senzorilor, prima data am avut senzorii PPS, passive-pixel sensor, precursorii APS, active-pixel sensor. La senzorii PPS nu are loc amplificarea, sunt cititi rapid, fiecare pixel fiind o fotodioda si un switch MOSFET. Ideea de matrice cu fotodiode a fost propusa de catre G. Weckler in 1968 si asa erau puse bazele PPS. Dar tehnologia nu era una practica, asa apareau performante slabe, nivelul de zgomot pe fotografii era prea mare. Fara o memorie externa nu puteai folosi nici CDS-uri cu o fotodioda. In 1914 Carl R. Loop a propus inlocuirea seleniului in ecranele de transmitere cu materiale diamagnetice. In iunie 2022 deja aveam un senzor de imagine cu 200 milioane de pixeli de la Samsung Electronics. ISOCELL HP3 are doar 0.56 pixeli micrometrici, cei 200 milioane de megapixeli sunt intr-un obiectiv de 2×15 inch.
Senzorii CCD de la inceput aveau probleme cu lentoarea la declansare. Dar a aparut PPD-ul, senzorii cu diode „pinuite”. Aceasta idee le apartine celor trei inventatori, Nobukazu Teranishi, Hiromitsu Shiraki si Yasuo Ishihara de la NEC si dateaza din 1980. Din 1987 avem PPD in toate dispozitivele CCD, camere video si foto.
APS-ul, senzorul NMOS active-pixel a fost inventat de Olympus in Japonia pe la mijlocul anilor 1980. Evolutiile din fabricarea dispozitivelor cu semiconductori MOS au dus la aparitia lor. Primul APS NMOS a fost fabricat de echipa lui Tsutomu Nakamura la Olympus in 1985. Senzorul modern CMOS a fost dezvoltat de catre Eric Fossum si echipa sa la NASA Jet Propulsion Laboratoy in 1993. Deja in 2007 senzorii CMOS depasisera senzorii CCD la capitolul vanzari. Din anii 2010 senzorii CMOS inlocuiau senzorii CCD in mai toate aplicatiile.
Prima camera digitala comerciala, Cromemco Cyclops, din 1975, avea un senzor de imagine MOS de 32×32, un cip de memorie DRAM modificat.
In februarie 2018 a fost anuntat un nou tip de tehnologie pentru imagini si mai bune si mai clare, la Dartmouth College- QIS, Quanta Image Sensor. In loc de pixeli, noii senzori au „jots”, fiecare „jot” putand detecta o singura particula de lumina, fotonul.
