پنج شنبه, 30 خرداد 1398

مبانی عکاسی


نحوه کارکرد سنسور(Sensor) در دوربین های عکاسی دیجیتال


سنسور (Sensor) یا حسگر تصویر بخشی از سخت افزار دوربین است که نور را دریافت و به صورت الکترونیکی به پردازشگر دوربین انتقال می دهد. درنهایت نور دریافت شده به صورت الکترونیکی پردازش و در حافظه دوربین ذخیره می شود. کیفیت تصویر به اندازه سنسور و تعداد پیکسل های موجود در آن بستگی دارد. در دوربین های مختلف سنسورهایی با اندازه و نوع مختلف موجود می باشد.

مسیر عبور نور در داخل دوربین عکاسی دیجیتال

ساختار سنسور (Sensor Fundamentals)

سنسور های بکار رفته در دوربین های عکاسی عمدتا با استفاده از صفحات سیلیکون به عنوان ماده اصلی ساخته می شود. هر سنسور به بخش های خیلی کوچکی تقسیم می شود که به هر واحد از آنها یک فوتوسایت (Photosite) می گویند. در واقع هر فوتوسایت معادل با یک پیکسل در تصویر می باشد. البته بطور شایع از لفظ پیکسل به جای فوتوسایت استفاده می شود. هر سنسور از چندین میلیون فوتوسایت تشکیل شده است.

هر فوتوسایت یک واحد حساس به نور است که فوتون های نوری که به سطح آن برخورد می کند را جمع کرده و به امواج الکتریکی تبدیل می کند. هر چه نور بیشتری به یک فوتوسایت برخورد کند، شارژ الکتریکی خروجی از آن بیشتر خواهد بود. در پایان نوردهی، سیستم پردازشگر دوربین با توجه به سیگنال های دریافتی از فوتوسایت ها، مقدار نور دریافت شده و نحوه توزیع آن بر سطح سنسور را ارزیابی می کند.

به بخش حساس به نوردر هر فوتوسایت، فوتودیود (Photodiode) گفته می شود. فوتودیود ها فوتون های نور را به الکترون تبدیل می کنند. فوتودیودها تمام سطح سنسور را نپوشانده اند، بلکه معمولا قسمتی از سطح سنسور (در حدود 25 درصد) را شامل می شوند. به همین علت در بین فوتودیودهایی که در مجاورت باهم هستند فضاهای خالی ایجاد می شود که نواحی غیرحساس به نور را در سطح سنسور تشکیل می دهند.

فوتوسایت ها به خودی خود رنگ را تشخیص نمی دهند و سیگنال های الکتریکی دریافتی از آنها می تواند بر اساس شدت نور برخورد یافته به هر فوتوسایت تصویری متشکل از پیکسل هایی با طیفی از سیاه تا سفید تولید نماید. برای ایجاد تصویر رنگی، بر روی سطح سنسور نوعی فیلتر رنگی میکروسکوپی قرار داده می شود که از سه رنگ آبی، قرمز و سبز (رنگهای اصلی) تشکیل شده است، بطوریکه بر روی هر یک از فوتوسایت ها یک فیلتر رنگی قرار می گیرد و فقط اجازه عبور نور با همان رنگ را می دهد. به این طریق هر فوتوسایت فقط اطلاعات یکی از رنگ ها دریافت می کند. با دریافت اطلاعات فوتوسایت های کل صفحه سنسور و پردازش اطلاعات آن امکان ثبت تصویر رنگی فراهم می شود.

شایعترین نحوه چیدمان فیلترهای رنگی بر روی خانه های فوتوسایت به این صورت است که فیلترهای سه رنگ اصلی به صورت شطرنجی طوری بر روی فوتوسایت ها قرار گرفته اند که تعداد فیلترهای سبز دو برابر هر یک از قیلترهای قرمز یا آبی می باشد که به آن چیدمان بایر (Bayer array) گفته می شود. دو برابر بودن فیلتر سبز نسبت به دو رنگ قرمز و آبی به این علت است که چشم انسان به تغییرات کوچک در طول موج رنگ سبز بیشتر از دو رنگ دیگر حساس است. با افزایش فیلترهای سبز در سطح سنسور، اطلاعات رنگی که از سنسور اخذ می گردد با آنچه چشم انسان دریافت می کند نزدیکتر می شود. بیشتر بودن رنگ سبز موجب می شود میزان نویز (Noise) تصویر کمتر شود و در نهایت تصویر دارای جزئیات بیشتری باشد. دوربین هایی که در آنها فیلترهای رنگی با کیفیت تری بر روی فوتوسایت ها بکار رفته است، دقت رنگی بیشتری خواهند داشت.

نحوه عبور انتخابی نور از فیلترهای رنگی موجود بر روی فوتوسایت های سنسور

در سنسور دوربین های دیجیتال، بر روی هر یک از فوتوسایت ها نوعی لنز میکروسکوپی قرار گرفته است که به آن میکرولنز (Microlens) می گویند. این میکرولنز ها باعث می شوند که نور بیشتری توسط هر فوتوسایت جمع آوری و در نتیجه سیگنال های قوی تری توسط آنها ایجاد گردد.

نحوه قرارگیری میکرولنزها بر روی فوتوسایت ها

بر روی اکثر سنسورها دو لایه فیلتر شامل فیلتر تصحیح فرکانس یا ضد دندانه ای شدن (Anti-aliasing) و فیلتر حذف مادون قرمز (Infrared Cutoff) قرار گرفته است.

فیلتر تصحیح فرکانس (Anti-aliasing) که به آن فیلتر پایین گذر نوری (Optical Low-pass Filter) (OLPF) و همچنین فیلتر تارکننده (Blur filter) نیز گفته می شود، با از بین بردن فرکانس های نوری خاص از طریق محدود سازی پهنای باند (Bandwidth) سیگنالهای ورودی نور و جلوگیری از برخورد آنها با سطح سنسور باعث نرم کردن امواج نور ورودی به دوربین می گردد. به عبارت دیگر این فیلتر از عبور امواج نوری با فرکانس بیشتر از اندازه تعیین شده (سیگنال های High) جلوگیری می نماید. برای کنترل فرکانس های نامطلوب در امواج نوری معمولا بر روی سنسورها دو عدد از فیلترهای پایین گذر نوری (OLPF) قرار داده می شود.

استفاده از این فیلتر با ایجاد اندکی تاری (Blur) ، موجب کاهش تیزی (شارپنس) به میزان خیلی کم در تصویر می شود. این فیلتر از دندانه ای شدن لبه های خطوط در تصویر جلوگیری می کند. از کاربردهای این فیلتر کاهش یا از بین بردن پدیده مویر (Moire) یا موج های رنگی ناخواسته در تصویر است که معمولا هنگامی که خطوط موازی و نزدیک به هم در تصویر وجود دارد ایجاد می شود.

فیلتر حذف مادون قرمز (Infrared Cutoff) میزان زیادی از امواج مادون قرمز موجود در نور را قبل از اینکه به سنسور برسند حذف می نماید. نورهای مادون قرمز می توانند بر روی کیفیت تصویر و ایجاد رنگ های غیرطبیعی تاثیر بگذارند.

ساختار سنسور CMOS و نحوه قرارگیری فیلتر های پایین گذر و فیلتر حذف مادون قرمز

تاثیر تعداد و اندازه پیکسل در کیفیت تصویر

هر چه تعداد پیکسل ها در سطح سنسور بیشتر باشند جزئیات تصویر بالاتر می رود. ولی این مسئله به اندازه سطح سنسور نیز بستگی دارد. اگر در یک سطح ثابت از سنسور، تعداد پیکسل ها افزایش یابد، به این معنی است که در قبال افزایش تعداد، اندازه هر پیکسل کوچکتر شده است. از یک حدی به بعد اگر پیکسل ها کوچکتر شوند، اندازه حداکثر حجم نور دریافت شده توسط آنها کاهش می یابد و در نتیجه ظرفیت دریافت نور و همچنین توان دریافت شدت های مختلف نور در آنها کاهش خواهد یافت.

در این حالت اصطلاحا محدوده دینامیکی (Dynamic Range) سنسور کاهش یافته است. پیکسل هایی که اندازه آنها بزرگ تر است می توانند شدت های مختلفی از مقادیر نور را اندازه بگیرند. بنابراین محدوده دینامیکی (Dynamic Range) بیشتر و نویز (Noise) کمتری ایجاد می کنند. وجود محدوده دینامیکی بالاتر، نشان دهنده ثبت جزئیات بیشتر و نسبت کنتراست بالاتر در تصویر است. در این حالت طیف وسیعتری از تونالیته های رنگی مختلف در تصویر قابل ثبت می باشد.

با افزایش تعداد پیکسل در سطح سنسور، جزئیات تصویر افزایش می یابد ولی در سطح ثابتی از سنسور با کوچک شدن اندازه پیکسل ها ظرفیت پیکسل و محدوده دینامیکی تصویر کاهش می یابد.

در دوربین های عکاسی مختلف از سنسور با اندازه های گونـاگون اسـتفاده می شود. سنسورهایی که در دوربین های دیجیتال اولیه وجود داشت دارای ظرفیت کم تری بودند ولی در طی تکامل دوربین های عکاسی دیجیتال سنسورهایی با پیکسل های بیشتر طراحی و ساخته شد، بطوریکه در حال حاضر حتی در دوربین های کامپکت ، سنسورهایی تا 20 مگاپیکسل نیز استفاده می شود.

سنسور ها بر اساس اندازه ای که دارند دارای تعداد پیکسل های مختلفی هستند و به همان اندازه می توانند جزئیات تصویر را ثبت نمایند. اندازه سنسورها عموما در مقایسه با اندازه یک قطعه فیلم 35mm که تحت عنوان تمام کادر (Full Frame) نامیده می شود در نظر گرفته می شوند. سنسور قطع استاندارد (Full Frame) به اندازه 36 x 24 mm است. اندازه بقیه سنسورها معمولا نسبتی از آن را تشکیل می دهند.

سنسور های با قطع APS-C اندازه ای معادل 23.6 x 15.8 mm (در مدل های Nikon) و یا 22.2 x 14.8 mm (در مدل های Canon) دارند و یکی از شایعترین اندازه های سنسور هستند که در دوربین های قطع کوچک و DSLR های نیمه حرفه ای استفاده می شوند. قبلا شرکت کانن سنسورهای APS بزرگتری در دوربین هایش بکار می برد که به نام APS-H نامیده می شد و اندازه آن 27.9 x 18.6 mm بود که امروزه کاربرد کمتری دارند.

گاهی بعضی از عکاسان قدیمی تر به این نوع دوربین ها که دارای سنسورهای APS هستند اصطلاح نیم کادر (Half Frame) اتلاق می کنند. اصطلاحی که در زمان دوربین های آنالوگ فیلمی رایج بوده است. در دوربین های فیلمی هاف فریم، اندازه فیلم مورد استفاده معادل نصف اندازه فیلم دوربین های فول فریم (یعنی به اندازه 18 x 24 mm ) بوده است و به این علت که سنسورهای APS نیز سایزی نزدیک به آنها دارند گاهی برخی افراد چنین لفظی برای آنها نیز بکار می برند، ولی اصولا اصطلاحی که در حوزه عکاسی دیجیتال برای سنسورهای کوچکتر از سنسورهای تمام قاب (Full Frame) بکار می رود اصطلاح Crop Sensor (سنسور برش خورده) است.

مقایسه اندازه سنسور در دوربین های قطع کوچک

ضریب برش (Crop Factor)

ضریب برش (Crop Factor) عبارت است از نسبت اندازه سنسور دوربین به اندازه سنسور تمام کادر (Full Frame). بنابراین هرچه این نسبت بزرگتر باشد به این معنی است که اندازه سنسور کوچکتر است. دوربین های عکاسی تمام کادر (فول فریم) با اندازه 24 x 36 mm دارای سنسوری با ضریب برش معادل یک می باشند. عدد ضریب برش از مقایسه قطر اندازه سنسور نسبت به قطر سنسور فول فریم سنجیده می شود.

سنسورهای با قطع APS-C که بطور شایعی در دوربین های دیجیتال استفاده می شوند دارای اندازه ای معادل 23.6 x 15.8 mm (در مدل های Nikon) و یا 22.2 x 14.8 mm (در مدل های Canon) می باشند. ضریب برش (Crop Factor) در سنسورهای APS-C در دوربین های Nikon معادل 1.5 x و در دوربین های Canon معادل 1.6x می باشد.

استفاده ضریب برش عمدتا در اصلاح عدد فاصله کانونی در لنزهایی استفاده می شود که بر روی دوربین های Crop Sensor بکار می روند. برای توضیح بیشتر، توجه فرمایید که عدد فاصله کانونی لنزها که بر روی آنها در کارخانه حک شده است و به نوعی نشان دهنده زاویه دید آن لنز می باشد بر اساس دوربین های تمام کادر (فول فریم) تعیین شده اند. به عبارتی عدد فاصله کانونی که روی لنز حک شده است وقتی واقعی است که لنز بر روی یک دوربین فول فریم بسته شود. در صورتیکه لنز بر روی دوربینی با سنسور کوچکتر از سنسور قطع 35mm یا فول فریم مورد استفاده قرار گیرد، زاویه دید بدست آمده تغییر می کند و فاصله کانونی واقعی لنز معادل با آنچه بر روی لنز نوشته شده است نخواهد بود. در این موارد با دانستن ضریب برش سنسور در دوربین مورد نظر می توان آن را در فاصله کانونی لنز مورد استفاده ضرب کرد تا عدد واقعی فاصله کانونی لنز برای آن دوربین مشخص شود. مثلا اگر یک لنز 85 میلیمتری را بر روی یک دوربین عکاسی نیکون با سنسور APS-C قرار داده ایم، با توجه به اینکه ضریب برش دوربین مذکور 1.5 است، بنا براین با ضرب کردن آن در عدد 85 ، فاصله کانونی بدست آمده برای لنز مذکور معادل 127.5 میلیمتر خواهد شد. یعنی زاویه دید ایجاد شده توسط لنز 85 میلیمتری بر روی دوربین مذکور مثل یک لنز 127.5 میلیمتری بر روی یک دوربین فول فریم عمل می کند.

به افراد توصیه می شود در هنگام تهیه دوربین عکاسی جدید، در صورتیکه دوربین تمام کادر (فول فریم) نبود، ضریب برش سنسور آن را از طریق جداول استانداردی که موجود می باشد بدست آورده و به خاطر بسپارند.

تاثیر ضریب برش در زاویه دید دوربین های با سنسور برش خورده (Crop Sensor)

انواع سنسورها در دوربین های عکاسی دیجیتال

سنسورCCD

سنسور CCD اولین سنسور هایی بودند که در دوربین های عکاسی دیجیتال بکار رفتند. کلمه CCD مخفف (Charged Coupled Device) یا ابزار شارژ به هم پیوسته می باشد و از یک مدار یکپارچه بر روی لایه ای از جنس سیلیکون تشکیل شده است. این سنسور اولین بار در سال 1969 میلادی معرفی شد و در طی سالهای بعد تکنولوژی آن تکامل یافت.

کیفیت تصویری CCD از دیگر انواع سنسورها بیشتر است.اگر چه تکنولوژی پیچیده تر در ساخت و نیاز به منبع برق قوی تر، استفاده از آنها را امروزه کمی محدود نموده است. سنسور CCD نسبت به سنسورهای CMOS که بطور شایع در دوربین های عکاسی دیجیتال استفاده می شود از محدوده دینامیکی وسیع تر و نویز کمتری برخوردار است. این نوع سنسور امروزه بیشتر در دوربین های قطع متوسط بکار می روند.

نمای ساده از ساختار یک سنسور CCD

سنسور CMOS

سنسور CMOS در ایجاد تصاویر دیجیتال کیفیت کمتری نسبت به CCD تولید می کنند ولی تولید آنها راحت تر است ، نیاز به انرژی الکتریکی کمتری دارند و در عکاسی با سرعت های بالاتر بهتر عمل می کنند. پاسخدهی این سنسور در وضعیت های نوری مختلف بهتر از نوع CCD می باشد.

سنسور CMOS امروزه اصلی ترین رقیب برای سنسورهای CCD تلقی می گردد بطوریکه اکثر دوربین های قطع کوچک و دوربین های SLR از این نوع سنسور استفاده می کنند.

سنسور Foveon X3

سنسور Foveon X3 عموما در دوربین های کامپکت و DSLR کمپانی سیگما (Sigma) بکار می رود. این نوع سنسورهای جدید بر اساس تکنولوژی CMOS تولید شده اند. در این سنسورها از فیلتر های رنگی با چیدمان بایر (Bayer array) استفاده نمی شود بلکه بجای آن، از سه لایه سیلیکون بر روی هم استفاده می گردد که بر اساس جذب امواج با طول موجهای مختلف کار می کند. امواج کوتاه تر در لایه های سطحی تر و امواج بلندتر در منطقه عمیق تر جذب می شوند.

در این سیستم هر یک از فوتوسایت ها می تواند هر کدام از رنگ های آبی، قرمز و سبز را دریافت کنند و نیازی به چیدمان موزائیکی فیلتر های رنگی بر روی پیکسل ها نمی باشد. این سنسورها می توانند وضوح (Resolution) بیشتری نسبت به سایر سنسورها ایجاد کنند.

نحوه دریافت طول موج های رنگی در سنسور Foveon X3 در مقایسه با سیستم Bayer

سنسور Live MOS

سنسور Live MOS در دوربین های پاناسونیک (Panasonic)، المپوس (Olympus) و لایکا (Leica) بکار می رود و عملا از سال 2006 میلادی مورد استفاده قرار گرفت. این نوع سنسور عموما در سایز Four Thirds (4/3”) مورد استفاده قرار می گیرد. سازندگان آن مدعی هستند که با کیفیت تصویری CCD و با مصرف انرژی مشابه با CMOS کار می کنند.


گردآوری و تالیف: امیر دولتیاری                                         تاریخ نگارش/آخرین ویرایش: 1396/07/03


منابع:

  1. Matt Golowczynski (2016). Digital camera sensors explained, Retrieve from www.whatdigitalcamera.com on Sep 24.
  2. Cambridge in Colour (2017). Digital Camera Sensors. Retrieve from www.cambridgeincolour.com on Sep 24.
  3. Jackie Dove (2013). Demystifying digital camera sensors once and for all. Retrieve from www.techhive.com on Sep 25.
  4. Matt Golowczynski (2016).Digital Camera Sensors Explained. Retrieve from www.whatdigitalcamera.com on Sep 25.
  5. Dummies (2017). The Different Types of Digital Camera Image Sensors. Retrieve from www.dummies.com on Sep 21.
  6. Edmund Optics (2017). Imaging Electronics 101: Understanding Camera Sensors for Machine Vision Applications. Retrieve from www.edmundoptics.com on Sep 22.
  7. What digital camera (2015). Foveon X3 sensor: What is it and how does it work? Retrieve from www.whatdigitalcamera.com on Sep 22.
  8. By Thom (2009), How Digital Cameras Work. Retrieve from www.bythom.com on Sep 22.

اعلام نظر در خصوص این مطلب


تصویر امنیتی
تصویر امنیتی جدید

آموزش عکاسی

پست الکترونیکی: این آدرس ایمیل توسط spambots حفاظت می شود. برای دیدن شما نیاز به جاوا اسکریپت دارید

صفحه اینستاگرام: taklens.ir@

کانال تلگرام: taklens_channel@

در صورت هرگونه نظر، پیشنهاد یا انتقاد در خصوص سایت و محتوای آن از طریق پست الکترونیکی با ما تماس بگیرید.