Analoog-digitaalomzetters

Analoog-digitaalomzetters (ADC’s1) spelen een cruciale rol in camerasensoren door de analoge signalen die door de beeldsensor worden vastgelegd, om te zetten in digitale gegevens.

Bitdiepte

De bitdiepte van de ADC bepaalt het aantal waarden dat kan worden weergegeven.
Hogere bitdieptes (bijv. 10-bit, 12-bit, 14-bit) bieden een nauwkeurigere kleurweergave en een beter dynamisch bereik, wat leidt tot een hogere beeldkwaliteit. ADC’s met een hogere bitdiepte dragen niet alleen bij aan een beter dynamisch bereik maar zorgen ook voor een lager ruisniveau, vooral bij hogere ISO-instellingen. Dit is cruciaal voor het vastleggen van details in zowel hooglichten als schaduwen.

Architectuurvariaties

Verschillende ADC-architecturen worden gebruikt in camerasensoren om de prestaties en het stroomverbruik te optimaliseren.
Gangbare architecturen zijn onder andere:

  • Enkele ADC: Converteert signalen van alle pixels, wat eenvoudig is maar hoge bemonsteringssnelheden vereist.
  • 2-ADC-architectuur: Gebruikt twee ADC’s om verschillende kleurkanalen afzonderlijk te verwerken, waardoor de bemonsteringssnelheid wordt verlaagd en de energie-efficiëntie wordt verbeterd.
  • Multi-ADC-architectuur: Gebruikt meerdere ADC’s om het stroomverbruik verder te verlagen, maar dit kan beeldartefacten introduceren als gevolg van ADC-mismatches.

On-Chip ADC’s

Moderne camerasensoren hebben vaak on-chip ADC’s, wat betekent dat de ADC direct in de sensorchip is geïntegreerd. Dit verkleint de afstand die het analoge signaal aflegt, wat ruis kan verminderen en de beeldkwaliteit kan verbeteren.

CMOS-sensoren

De meeste moderne digitale camera’s gebruiken CMOS-sensoren, waarin ADC’s direct op de sensorchip zijn geïntegreerd. Dit ontwerp zorgt voor snellere verwerking en lager stroomverbruik in vergelijking met oudere ontwerpen.
Deze aspecten benadrukken het belang van ADC’s bij het verbeteren van de prestaties en kwaliteit van beelden van digitale camera’s.

Dual Conversion Gain CMOS-sensoren

Een Dual Conversion Gain (DCG) sensor is een beeldvormende sensortechnologie die gebruik maakt van twee verschillende modi van de ADC’s voor conversieversterking om de prestaties onder verschillende lichtomstandigheden te optimaliseren. Met deze modi kan de sensor schakelen tussen hoge en lage instellingen voor conversieversterking, waarbij gevoeligheid en dynamisch bereik in balans zijn.

Conversie betekent simpelweg het omzetten van de ene situatie in de andere. Dit wordt gedaan door analoog-digitaalomzetters (ADC’s) die de, door de fotonen opgewekte, analoge lading (vrije elektronen) omzet in een digitale waarde.

Lees ook: CMOS beeldsensor.

Belangrijkste kenmerken van sensoren met dubbele conversieversterking:

Hoge conversieversterking (HCG):

  • Geactiveerd bij weinig licht.
  • Versterkt het lading-naar-spanning conversiesignaal voor verbeterde gevoeligheid en minder leesruis.
  • Gunstig voor het vastleggen van fijne details in schemerige omgevingen.

Lage conversiewaarde (LCG):

  • Gebruikt in omstandigheden met fel licht.
  • Vermindert versterking om verzadiging te voorkomen en een groter dynamisch bereik te behouden.
  • Helpt details in zowel schaduwen als hooglichten te behouden.

BSI-sensoren en DCG-voordelen:

BSI-sensoren zijn ontworpen om de lichtopname te verbeteren door de traditionele sensorstructuur om te draaien. Het licht bereikt de fotodiodes zonder obstructie van metalen bedrading, waardoor de gevoeligheid verbetert, vooral bij weinig licht. Terwijl BSI-technologie zich richt op het verbeteren van de lichtopvang, optimaliseren DCG-sensoren de manier waarop lichtsignalen worden verwerkt.

Dit is hoe DCG BSI-sensoren verbetert zonder het:

Dynamisch bereik:

  • BSI alleen biedt geen oplossing voor het beperkte dynamische bereik van de sensor in heldere scènes.
  • DCG stelt de sensor in staat om een lage conversiewinst te gebruiken in heldere omstandigheden, waardoor highlight-details behouden blijven en clipping2 wordt voorkomen.

Betere prestaties bij weinig licht:

  • De hoge conversieversterking in DCG vermindert leesruis, die aanzienlijk kan zijn bij weinig licht. Dit is een aanvulling op de verhoogde lichtverzamelingsefficiëntie van BSI-sensoren.

Verbeterde signaal-ruisverhouding (SNR):

  • In situaties met weinig licht minimaliseert de HCG-modus in DCG de ruis, waardoor schonere beelden worden geproduceerd in vergelijking met BSI-sensoren zonder DCG.

Flexibiliteit bij gemengd licht:

  • Met DCG kan de sensor zich beter aanpassen aan wisselende lichtomstandigheden, terwijl BSI-sensoren zonder DCG moeite kunnen hebben om de prestaties in dergelijke scenario’s in balans te houden.

Verminderde verzadigingsproblemen:

  • BSI-sensoren zonder DCG kunnen snel verzadigd raken bij fel licht vanwege de vaste conversiewinst, wat leidt tot detailverlies. DCG pakt dit aan door dynamisch over te schakelen naar LCG.

Samenvatting:

Terwijl BSI-sensoren het vermogen van de sensor om licht op te vangen verbeteren, verbetert Dual Conversion Gain-technologie de manier waarop dat licht wordt verwerkt, waardoor de gevoeligheid bij weinig licht, het dynamisch bereik en de ruisprestaties worden verbeterd. De combinatie van BSI met DCG biedt het beste van twee werelden en maakt moderne beeldsensoren veelzijdiger en beter geschikt voor een breed scala aan lichtomstandigheden.

  1. ADC’s zetten het analoge signaal van elke pixel om in een digitale waarde, die vervolgens wordt verwerkt tot een beeld. ↩︎
  2. Wat betekent clipping?
    Als je foto’s maakt met een digitale camera, wordt het licht door een sensor omgezet in digitale waarden. Het licht dat de sensor bereikt, moet binnen bepaalde waarden blijven anders kan het niet geregistreerd worden. De camera moet het licht kunnen verwerken, maar dat kan alleen in een bepaalde range. Als het licht daar niet goed binnen valt, wordt het ‘afgeknepen’ of ‘platgeslagen’. Dit proces heet ‘clipping‘. ↩︎

Geef een reactie