De CCD DE WERKING VAN DE DIGITALE CAMERA GEERTJE VAN DER LINDEN

Transcriptie

1 2016 De CCD DE WERKING VAN DE DIGITALE CAMERA GEERTJE VAN DER LINDEN

2 Inhud 1. Inleiding De beeldsensr De CCD De CMOS He wrdt kleur waargenmen? Vergelijking CCD en CMOS Grtte van de beeldsensr De werking van de camcrder en digitale camera Bibligrafie... 8

3 1. Inleiding Deze minicursus gaat ver de werking van de videcamera. Een vide zijn allemaal ft s die aaneengeplakt zijn. Vr te filmen kan je gebruik maken van een digitale camera en een camcrder. Een digitale camera is meer gericht p het ftgraferen. Een camcrder is een samenstelling van camera en recrder. Ik ga eerst uitleggen wat een beeldsensr is. Een beeldsensr is een chip waar je licht pvalt waardr je licht kan mzetten naar een digitaal signaal. Je hebt twee srten beeldsensrs, de CCD en de CMOS. Hier zal vral de fcus p liggen. Vervlgens ga ik ng krt iets vertellen ver de verige delen van de digitale camera en de camcrder. 2. De beeldsensr 2.1 De CCD Een CCD f charge-cupled device is een chip die licht bestaande uit ftnen mzet in een digitaal signaal. De CCD bestaat uit een raster met allemaal rijen van ftdides. Die zijn verbnden aan schuifregisters. Een schuifregister bestaat uit verschillende cmpnenten met een in- en uitgang. Zij kunnen infrmatie p deze manier drgeven. Dit is te vergelijken met een estafette lp. De sprtmannen zijn de cmpnenten en het stkje is de infrmatie. In de hek van de chip vind je de utput. De pbuw van de sensr kan je zien in figuur 1. Figuur 1: De pbuw van een sensr. Bij het invallen van lichtftnen p een CCD kunnen elektrnen wrden lsgeslagen drdat de chip vervaardigd is van silicnen. Deze elektrnen wrden dr de ftdides pgeslagen. Afhankelijk van de heveelheid ingeznden licht zullen er meer f minder elektrnen pgeslagen wrden en zullen smmige ftdides meer en minder elektrnen bevatten. Hierdr is de lading die gemeten wrdt in de afznderlijke ftdides verschillend. Op een bepaald mment (wanneer bijvrbeeld een ft wrdt gemaakt) wrdt alle infrmatie uit de

4 ftdides rij per rij verplaatst via de schuifregisters naar de utput. Bij de utput wrdt het signaal versterkt. Aan de utput is een analg-naar-digitaal cnverter verbnden die de elektrische lading mzet naar een binaire cde zdat zit kan wrden gelezen dr een cmputer. 2.2 De CMOS De tegenhanger van de CCD is de CMOS. Dit staat vr Cmplementary Metal Oxide Semicnductr. (Blake Jacqut, 2012) Het principe is hetzelfde, het zet licht m in elektrische lading. Het grte verschil zit hem in de manier he de elektrische lading wrdt mgezet naar een digitaal signaal. De ftnen vallen dus in p de chip en de lsgeslagen elektrnen wrden pgevangen dr de ftdides. In iedere ftdide wrdt het signaal versterkt. In plaats van te werken met schuifregisters wrden de elektrnen via traditinele draden verplaatst naar de utput. Na de utput wrdt het signaal mgezet naar een digitaal signaal via een analg naar digitaal cnverter. 2.3 He wrdt kleur waargenmen? Wanneer er een ft wrdt genmen wrdt de ftdide afgeslten en wrdt er gemeten heveel ftnen erin zitten. Iedere ftdide heeft k een bepaalde bit-diepte. Een beeldsensr kan in principe geen kleuren nderscheiden, dat kan enkel de heveelheid licht meten dat binnenkmt. Maar he kmt het dan dat we tch digitale kleurenbeelden hebben? De meest gebruikte techniek is de Bayermsaiek k wel de CFA f Clr Filter Array genemd. P de sensr wrdt er een kleurenfilter geplaatst. (McHugh, sd) Dit in de drie kleuren rd gren en blauw (mdat hiermee alle kleuren gemaakt kunnen wrden). Iedere ftdide meet één van deze drie kleuren. (Digny, sd) De ftdides wrden verdeeld in vakken van 2 x2. Deze wrden vervlgens z gerangschikt dat ze kleuren lenen van naburige ftdides. In figuur twee zie je een duidelijk vrbeeld. Figuur 2: Uitleg bayermsaiek (McHugh, sd) Het nadeel hiervan is dat altijd 2/3 e van je licht verlren gaat mdat er altijd maar één kleur wrdt tegelaten zals getnd in figuur 3. Dit hebben ze pgelst dr de 3-CCD. Dan wrden er drie sensrs in de camera geplaatst. Elke sensr neemt één van de drie kleuren p. Dit wrdt vral tegepast in prfessinele vide camera s.

5 Figuur 3 Er wrdt maar één kleur geabsrbeerd. (McHugh, sd) Een ander nadeel is dat je kwaliteitsverlies mdat je een filter met plaatsen (een anti-aliasing filter) m het miré-effect te vrkmen. Dit kmt drdat de ftnen die geleend wrden dr de ftdides zuden kunnen interfereren met de ftnen die er al zijn. Als de filter te sterk is krijg je hierdr een wazig effect en dus een nscherper beeld. 2.4 Vergelijking CCD en CMOS Vreger werd CCD meestal gebruikt in (vide) camera s. (HwStuffWrks.cm, 2000) Mmenteel is de CMOS zveel verbeterd dat er hfdzakelijk CMOS sensren gebruikt wrden. CCD heeft hgere prductieksten drdat ze een speciaal prductieprces gebruiken vr het maken van hun chips, nder andere dr hun schuifregisters. CMOS daarentegen gebruikt de traditinele prductietechnieken. Daarnaast wrdt CMOS k veel meer in massa geprduceerd drdat ze wrden gebruikt vr draagbare prducten zals gsm s en camera s. De CCD wrdt meer gebruikt vr wetenschappelijke en industriële tepassingen. (ftha, sd) De CCD heeft een hgere lichtgeveligheid (dit bepaald de ISO). Dit kmt drdat in de CMOS de versterkers verwerkt zitten waardr de ftnen de versterkers kunnen raken waarna dit licht verlren gaat. De CCD heeft meer strm ndig dan de CMOS. De CCD geeft een betere beeldkwaliteit van de CMOS. 2.5 Grtte van de beeldsensr De grtte van de beeldsensr is k belangrijk. He grter de beeldsensr, he meer licht er p kan vallen. He meer licht er p kan vallen, he beter je beeldkwaliteit. (Crisp, 2013) Dr een grtere beeldsensr kunnen fabrikanten k telaten m een hgere beeldreslutie te verkrijgen. He grter je sensr, he meer ftdides erp passen, he meer pixels je kan verkrijgen, he beter je beeldkwaliteit. De beeldsensr kan k meer detail vastleggen. Dit zal k betekenen dat een gsm met een kleine chip van 16 megapixel ten pzichte van een full frame van 16 megapixel, de gsm een slechter beeld zal geven. Drdat de full frame camera meer licht kn pvangen, zijn de pixels van betere kwaliteit. De lichtgeveligheid van de full frame camera is beter. Als je niet geneg licht hebt gaat de sensr meer meite meten den m zijn signaal te versterken waardr je ruis krijgt in je beeld. He grter de sensr he meer geld je prduct kst. Je hebt een bjectief ndig dat grt geneg is vr je sensr en de prductieksten wrden hger.

6 De sensr bepaald k de verhudingen van je beeld. Een vierkant is bijvrbeeld 1:1. Een sensr van (theretisch) 2 bij 3 cm heeft een verhuding van 2:3. De standaard grtte van een sensr is 24 x 36 mm ftewel gelijk aan de 35 mm films van vreger. Omdat de sensr een duur nderdeel is wrdt meestal gekzen vr een kleinere sensr. De crpfactr geeft aan heveel kleiner de sensr is ten pzichte van een full frame sensr. Vr de grtte wrden er verschillende afmetingen gehanteerd per camera. De fabrikanten kunnen hier sms wel van afwijken, dat verschilt van merk tt merk. Figuur 4: de verschillende frmaten sensrs. Ten sltte meten we k rekening huden met het feit dat je nit de vlledige sensr gebruikt. Je lens is meestal rnd. Je sensr is meestal rechthekig. Hierdr vallen de randen van de sensr vrijwel altijd weg zals te zien is in figuur 5. Figuur 5: De randen van de sensr vallen weg.

7 3. De werking van de camcrder en digitale camera. De werking van de camcrder heeft drie belangrijke elementen: de sensr, het bjectief en het deel dat pneemt. (the camcrder, sd). De sensr hebben we zjuist besprken. Het bjectief regelt heveel licht er binnenkmt p de sensr. Dit aan de hand van het diafragma, brandpuntafstand en het lenstype. Het diafragma regelt heveel ligt er p de sensr valt. Dit is te vergelijken met een raam in een huis. He grter het raam, he meer licht er is in huis. Er zijn hiervr standaard waarden, zals je kan zien in figuur 7. Bij een camcrder past dit autmatisch aan. Een begrip hieraan verbnden is scherptediepte ftewel de scherpte in de diepte. He kleiner je diafragma, he grter je getal, he grter je scherptediepte. Figuur 6: he grter de diafragma pening, he lager het getal. Figuur 7: verschil in diafragma en scherptediepte. Links zie je bv een een diafragma van 2.8 en rechts is het bv 22. Het brandpuntsafstand is bepaald het verschil tussen de camera en het te filmen nderwerp. He hger het getal he grter het verschil is. In figuur 8 zie je een duidelijk vrbeeld. Figuur 8: verschillende brandpuntsafstanden.

8 Het type bjectief: je hebt bjectieven met een vast en variabel brandpuntsafstand. Variabel wil zeggen dat je kan veranderen van brandpuntsafstanden en dit zal meestal k gebruikt wrden. Bij een vast brandpuntsafstand kan je bijvrbeeld enkel filmen p 50 mm. Bij een digitale camera kunnen we hieraan k ng de sluitertijd tevegen. Dit kan je zien, wanneer je bij diafragma het vrbeeld hebt van het huis en het raam, als het grdijn. De sluitertijd is de tijd dat er licht p de sensr valt. Dit kan variëren van 1/4000 e tt zlang als je wilt. Dit bepaald k f er beweging zichtbaar is in je beeld, zals je kan zien p figuur 9. Figuur 9: verschillende sluitertijden. Wat bij een camcrder k ng van essentieel belang is, dat is het gedeelte dat geluid pneemt. Het beste kan je hiervr gebruik maken van een externe micrfn mdat het geluid van een camcrder zelf meestal minimaal is.

9 4. Bibligrafie Crisp, S. (2013, Maart 21). Camera sensr size: Why des it matter and exactly hw big are they? Opgehaald van Gizmag: Digny, M. (sd). idemdit.rg. Opgehaald van ftha. (sd). Opgehaald van HwStuffWrks.cm. (2000). HwStuffWrks.cm "What is the difference between CCD and CMOS image sensrs in a digital camera?". Opgehaald van Jaqcut, B. (Regisseur). (2012). Image Sensrs [Film]. McHugh, S. (sd). Opgehaald van The camcrder. (sd). Opgehaald van repairfaq.cis.upenn.edu: xserius. (2011). Opgehaald van