Skončí CCD a CMOS snímače na smetišti?

Většina zkušených fotografů by mnohem více ocenila, kdyby se některý z výrobců věnoval vylepšení toho nejdůležitějšího z hlediska výsledné fotografie a tím je především větší dynamický rozsah a nižší hladina šumu při vyšších citlivostech. Obě jmenované vlastnosti se týkají právě senzoru.

Většina digitálních fotoaparátu je vybavena snímačem CCD nebo CMOS. Kolem obou technologií a především o jejich porovnání koluje spousta mýtů, legend a polopravd. Shrňme si tedy stručně základní rozdíly.


Současný obrazový senzor CMOS

CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor) – objevení této technologie se váže k roku 1963 zprvu se uplatnila především při výrobě různých polovodičů a procesorů. Hlavní výhodou těchto snímačů je především nižší spotřeba a levnější výrobní náklady. Proto se s oblibou používají například v mobilních telefonech s vestavěným fotoaparátem. CMOS senzory vykazují ale také celou řadu negativních vlastností, které musela většina výrobců vyladit, než se odvážili použít je i v digitálních zrcadlovkách. V počátcích šlo především o to, že CMOS snímače byly náchylnější na hladinu šumu při delších expozicích a hlavně disponovaly menším dynamickým rozsahem. Na tom ale výrobci v posledních letech zapracovali a senzory CMOS jsou dnes vybaveny profesionální zrcadlovky nejvyšší třídy. Jmenovitě například Nikon D4 a Nikon D800, nebo Canon 1Dx a Canon EOS 5D Mark III.


První prototyp digitálního fotoaparátu na světe (1975)
snímač CCD s rozlišením 0.01Mpx - černobílý záznam - rychlost 1sn./23s - váha 3.6kg

CCD (Charged Coupled Device) - byl vyvinut v roce 1969 a o šest let později se dostal poprvé do záznamových zařízení, tehdy televizních kamer. Později se uplatnil i ve skenerech, čtečkách čárových kódů a samozřejmě v digitálních fotoaparátech. V této oblasti tedy značně předběhl konkurenční technologii CMOS. V počátcích šlo především o to, že CCD snímače pracovaly efektivněji při sběru světla a tudíž byly vhodnější pro reprodukci obrazu. Vykazovaly nižší hladinu šumu, disponovaly větší dynamikou, ale na druhou stranu bylo jejich použití podmíněno mechanickou závěrkou, což začal být právě u digitální techniky problém. Většina výrobců tedy postupem času vsadila na technologii CMOS. Ukázkovým příkladem je Firma Nikon. Jednou z prvních zrcadlovek s CMOS snímačem byla Nikon D2X. Předchůdce Nikon D1X ještě používal CCD senzor. Přesto že Nikon D2X přišel na trh již v roce 2005, nižší řady zrcadlovky si na CMOS srdíčko ještě musely dva roky počkat. V roce 2007 byla na trh uvedena přelomová řada Nikon D3 a D300 a v následujícím roce Nikon D3X, D700 a D90. Mimochodem Nikon D90 byl dlouho dobu uznáván jako přístroj s největším dynamickým rozsahem ve své třídě a ač je to neuvěřitelní tak je stále ještě na trhu a stále má co nabídnout.


Zjednodušené schéma CMOS snímačů

S objevením technologie CMOS back illuminated, kde se elektronické prvky senzoru umístily pod snímač, čímž vzrostla světlo-sběrná plocha, CCD snímačům pomalu zvoní hrana a většina výrobců přechází na tento systém.

Mohlo by se zdát, že to byl vrchol evoluce a uvedené technologie se na nějakou dobu usadí na pomyslném trůnu snímacích technologií. To je ale samozřejmě omyl a vědci, zvláště pak v Japonsku a ve Spojených státech určitě nespí. Do hry přišly nové prvky, které by mohly brzy vytlačit CMOS snímač z trhu. Již dnes jsou prokázány jejich neuvěřitelné vlastnosti, které by v oblasti digitálních fotoaparátu přinesly doslova revoluční zlom.

Prvním z takových prvků je Germanium. Na to se soustředila pozornost vědců v USA a podařilo se jim vytvořit velmi tenkou vrstvu, která má podobné vlastnosti jako dvourozměrná vrstva atomu uhlíku (Graphen). Objevený materiál pojmenovali Germanen. Po dalších výzkumech a pokusech nakonec prokázali, že je tento materiál mnohem stabilnější, než křemík. Největší předností Germanenu je rychlost pohyblivosti elektronů, které jím procházejí 10x rychleji než v křemíku.


Struktura atomů Graphenu

Dalším hráčem ve hře je již zmiňovaný Graphen. To je v současnosti nejpevnější a nejtenčí materiál na světě. Navíc má skvěle vlastnosti při vedení elektrického proudu, je nejlepší známým vodičem tepla navíc propouští světlo. Všechny tyto vlastnosti ho doslova předurčují ke stavbě snímače digitálního fotoaparátu. Nejnovější testy naznačují, že spotřeba energie při jeho použití je desetinová oproti současným senzorům a zkušební snímač dokáže pracovat s 1000x vyšší citlivostí proti křemíkovým zařízením. Navíc dokáže zachytit nejen viditelné světlo, ale i infračervené záření a je do jisté míry ohebný. První odhady ukazují, že pokud bude vývoj Grafenu doladěn a podařilo by se převést jeho výrobu do spotřebního průmyslu, byla by sériová výroba až 5x levnější než současné technologie.


Prototyp ohebného Graphen snímače

V podstatě jde tedy o jakýsi zlatý grál mezi snímači. Výsledkem by mohly být zrcadlovky s ohromným dynamickým rozsahem, které dokáží využívat minimálních světelných zdrojů za podpory citlivosti v hodnotách odhadem až ISO 3 200 000, bez vyšší hladiny šumu. Expoziční časy by se pravděpodobně zkrátily na hodnoty v řádech deseti tisícin až sta tisícin sekundy. Přístroj by byl navíc schopný využívat k expozici i neviditelné IR zářené, zkrátka sci-fi.

Výrobci ale testují i jiné cesty. Mezi ně patří například organické senzory (Fuji, Panasonic), optické snímače, nebo snímače Foveon (Sigma, Canon), o kterých jsme psali nedávném článku.

Určitě se tedy máme něco těšit. První odhady mluví o nasazení podobných technologií v dekádě 2020+. Je tedy dost možné, že současné digitální zrcadlovky budou pro následující generaci fotografů stejně archaické jakou jsou dnes pro nás kinofilmové přístroje.