De digitale sensor – Deel 2
De sensor is het hart van een digitale camera, en mee bepalend voor een kwalitatief eindresultaat. De verschillen tussen allerlei types en formaten zijn echter niet altijd duidelijk. We bespraken eerder in deze blogpost de invloed van de afmetingen van een sensor. Laten we nu kijken naar twee andere belangrijke kenmerken van een sensor: het aantal pixels, en de grootte ervan.
Het verschil tussen de ‘definitie’ en de ‘resolutie’ van een beeld
Een digitaal beeld is opgebouwd uit een aantal beeldelementen of pixels (naar het Engelse ‘picture elements’), elk met specifieke informatie. Bij een RGB- kleurenbeeld horen bij elke pixel aparte helderheidswaarden voor de drie kleurcomponenten.
Het totale aantal pixels in het beeld (aantal in breedte x aantal in hoogte) noemen we de definitie of de omvang van het beeld. De foto links in onderstaand voorbeeld telt 1800 bij 1200 pixels, en heeft dus een definitie van 2,16 megapixels. De foto rechts telt in elke richting 10x minder pixels, en heeft daarom een 100x kleinere definitie.
Twee foto’s met verschillende definitie, even groot afgebeeld.
Een digitaal beeld heeft op zich geen afmetingen: die worden immers bepaald door de grootte van de weergave of afdruk. Eén enkele pixel meet slechts enkele μm op een hoog-resolutie beeldscherm of een scherpe kwaliteitsprint, maar kan even goed een paar mm2 groot worden op een billboard of een reuze LED-scherm.
Eenmaal de grootte van een afbeelding bekend kunnen we spreken over de resolutie – een aanduiding voor het aantal pixels per grootte-eenheid, uitgedrukt in pixels per inch (ppi) of dots per inch (dpi). Weergaveapparaten leggen meestal een vaste resolutie op, bv. 109 dpi voor een beeldscherm, 460 dpi voor een smartphone, of 2880×1440 dpi voor een fotoprinter. Hoe hoger de resolutie, hoe meer gedetailleerd en dus hoe scherper het beeld kan worden weergegeven.
Zijn er in het beeld meer pixels per lengte-eenheid beschikbaar dan het weergavetoestel nodig heeft (m.a.w. het beeld heeft een hogere resolutie dan het apparaat), dan worden pixels gecombineerd om de afbeelding te verkleinen. In het omgekeerde geval worden pixels gerepliceerd om de afbeelding te vergroten: de detailweergave van het beeld gaat dan wel achteruit.
Een te lage beeldresolutie geeft aanleiding tot een wazige afbeelding.
Jammer genoeg worden in het Nederlands (en het Engels) de termen ‘resolutie’ en ‘definitie’ vaak door elkaar gehaald. Zo spreekt men over een beeldscherm met een resolutie van 2560×1440 pixels, of van een beeldbestand met een resolutie van 24 megapixels. Dat zorgt al eens voor verwarring en misverstanden…
Een camerasensor heeft zowel een ‘definitie’ als een ‘resolutie’
Een CMOS sensor bevat een groot aantal lichtgevoelige elementen of sensels (sensor elements), georganiseerd in een tweedimensionale matrixstructuur, die de beeldinformatie vastleggen. Elke sensel zet de hoeveelheid invallend licht eerst om in een analoog elektrisch signaal, en stuurt die informatie vervolgens in digitale vorm door naar een beeldprocessor. Gemakshalve wordt de term ‘pixels’ ook gebruikt wanneer het eigenlijk over ‘sensels’ gaat.
Kenmerkende parameters voor een typische APS-C sensor.
Bekijken we als voorbeeld een APS-C formaat sensor met een definitie (totaal aantal pixels) van 24 Mpx, eerder gebruikt bij o.m. de Fujifilm X-T2. Met een 3:2 beeldverhouding telt deze sensor 6000 pixels langs de lange zijde, en 4000 pixels langs de korte zijde.
De afmetingen van een APS-C sensor bedragen ca. 24×18 mm. Deze sensor heeft dus een resolutie van 250 pixels per mm (6000/24 of 4000/16) of 6350 pixels per inch.
De afstand tussen de middelpunten van aaneenliggende pixels – de pixelafstand (pixel pitch) – bedraagt 4 μm (24/6000 of 16/4000). De pixelgrootte (de effectieve lichtgevoelige oppervlakte van een pixel) valt in de praktijk altijd iets kleiner uit dan de verwachte 4×4 μm.
Sensordefinitie en beelddetail
Hoe meer pixels een sensor bevat – hoe hoger de definitie dus – hoe meer elementen beschikbaar staan om het opgenomen beeld te beschrijven, en dus hoe meer gedetailleerd dat beeld zal zijn (voor zover het gebruikte objectief een voldoende hoog scheidend vermogen biedt, en er verder in de beeldbewerkingsketen geen informatie verloren gaat).
Meer pixels laten toe om met behoud van detail op een groter formaat af te drukken, of om een kleinere beelduitsnede te gebruiken zonder merkbaar kwaliteitsverlies. De digitale camera industrie is daarom altijd op zoek naar manieren om het totaal aantal pixels te verhogen.
Bij een constant sensorformaat kan de definitie enkel verhoogd worden door de pixelgrootte te verkleinen (en dus de resolutie te verhogen).
Toenemende definities bij eenzelfde sensorformaat leiden tot dalende pixelgroottes.
Er bestaan evenwel beperkingen aan de minimale pixelgrootte bij een gegeven sensortechnologie of productieproces. Zo geldt voor elk sensorformaat een ‘maximum haalbare’ definitie, die langzaam toeneemt naarmate de CMOS technologie evolueert. Op dit moment hanteren state-of-the-art sensors pixelgroottes tussen 3,5 en 4,5 μm.
Bij een constante definitie (zelfde totaal aantal pixels) neemt de pixelgrootte toe (en de resolutie af) met de afmetingen van de sensor. Beelden opgenomen met dergelijke sensors vertonen geen onderling verschil in detailweergave als ze worden weergegeven of afgedrukt op dezelfde grootte.
Verschillende sensorformaten met gelijke definitie hebben een variërende pixelgrootte.
Dit verklaart waarom hogere sensordefinities eerst opduiken bij sensors met grotere afmetingen, omdat daar een relatief grotere pixelgrootte mogelijk is. Anderzijds begrenzen technische en economische factoren het maximale sensorformaat dat nog op een winstgevende wijze gefabriceerd kan worden. Op dit moment ligt die limiet rond 54x40mm.
Houden we een constante pixelgrootte aan (en dus een gelijke resolutie), dan bekomen we een reeks sensors waarvan de definitie oploopt met het sensorformaat.
Bij gelijke pixelgrootte bepaalt de sensorafmeting het totaal aantal pixels.
Alle recente Fujifilm X-Series en GFX camera’s gebruiken eenzelfde CMOS sensor technologie, met een pixelgrootte van 3,76 μm. Bij de APS-C modellen – o.m. X-T4, X-Pro3, X-S10 en X100V – resulteert dat in een definitie van 26,1 megapixels. De groter-dan-full-frame sensor van de GFX100 en GFX100S telt in totaal maar liefst 102 megapixels.
Kleur kost (een beetje) resolutie
Op het eerste gezicht levert elke sensorpixel de informatie voor één pixel in het resulterende beeld. Sensels zijn evenwel kleurenblind: ze ‘zien’ enkel een helderheidswaarde. Om toch een kleurenbeeld te verkrijgen wordt boven de sensor een filter geplaatst met een RGB-kleurenpatroon. Zo registreert een individuele sensel hetzij een rode, een groene of een blauwe waarde. De RGB-kleurwaarden voor een beeldpixel worden berekend door informatie van nabijgelegen sensels te combineren.
Veruit de meeste digitale camera’s – inclusief de Fujifilm GFX50S/GFX50R en GFX100/GFX100S – maken gebruik van een Bayer kleurenmatrix, opgebouwd door herhaling van een 2×2 patroon met telkens één rode, één blauwe en twee groene zones. De resolutie van de informatie over kleur is daardoor ongeveer tweemaal lager dan die over helderheid. Dat is helemaal niet erg: het menselijk zicht is veel minder gevoelig voor kleurverschillen dan voor helderheidvariaties.
Dankzij een kleurenfilterpatroon registreren sensors ook kleurinformatie.
Op enkele instapmodellen (zoals XF10, X-A7 en X-T200) met een 24 Mpx sensor na gebruikt Fujifilm bij de X-Series camera’s een eigen X-Trans kleurenfilter. Hier wordt een groter 6×6 patroon gebruikt met twintig groene, acht rode en acht blauwe vlakjes, met als doel een hogere scherpte en kleurzuiverheid, en een lagere kans op moiré-interferentiepatronen.
Kleinere pixelgrootte, lagere beeldkwaliteit?
Een sensor met een bepaalde afmeting ontvangt een totale hoeveelheid licht, onafhankelijk van de sensordefinitie. Als die sensor meer sensels telt, dan moet het invallende licht daarover ‘verdeeld’ worden, en ontvangt elke sensel een kleinere hoeveelheid. De resulterende helderheidsinformatie kan daarom gevoeliger zijn voor stoorsignalen.
Vaak wordt dan kort-door-de-bocht geconcludeerd dat camera’s met een hogere sensordefinitie bij minder goede lichtomstandigheden (en dus hogere ISO-instellingen) een slechtere beeldkwaliteit zouden leveren, met meer storende ruis.
De snelle evolutie van de sensortechnologie heeft dit probleem evenwel in grote mate weggewerkt. Zo verbeterden zowel de efficiëntie van de microlenzen (die het invallende licht per pixel bundelen) als de transmissie van licht doorheen het kleurenfilter. Ook een slimmere opbouw van de CMOS sensor zelf leverde een belangrijke winst op. Bij het klassieke type liggen er elektrische verbindingen langs de bovenzijde van de halfgeleiderlaag: daardoor kan een deel van het invallende licht de fotodiodes niet bereiken.
De schematische opbouw van een klassieke (front illuminated) CMOS sensor.
Door die halfgeleiderlaag om te keren en de fotodiodes als het ware vanaf de achterzijde te belichten (‘back-side illuminated’) wordt de lichtefficiëntie van een BSI-CMOS sensor aanzienlijk verhoogd en wordt de ruisgevoeligheid verminderd.
Een ‘back-side illuminated’ (BSI-CMOS) sensor vangt meer licht en is daarom efficiënter.
Nog meer verbeteringen vinden we terug in de verdere verwerkingsketen, zoals een variabele analoog/digitaal omzetting (behoud van dynamisch bereik over een groot helderheidsgebied) en meer performante algoritmes voor signaalverwerking en digitale ruisonderdrukking.
Alle recente Fujifilm X-Series en GFX camera’s gebruiken dezelfde state-of-the-art BSI-CMOS sensortechnologie met 3,76 μm pixelgrootte en dual-gain analoog/digitaal conversie. Die levert samen met de X-Processor 4 verwerkingseenheid haarscherpe, kleurgetrouwe beelden met een groot dynamisch bereik.
Detail van installatie The Accused van Mark Dion, collectie Verbeke Foundation.
Opname met GFX100S en GF80mmF1.7 (f/8, 2,5s, ISO 400 – ca. 62 Mpx na bijsnijden).
De vier 100% uitsneden hieronder illustreren de uitstekende detailweergave, ook bij weinig licht.
