سنسور دوربین های دیجیتال

یک دوربین دیجیتال مانند یک دوربین آنالوگ دارای لنز ، دیافراگم و شاتر است ، ولی در این دوربین ها به جای فیلم عکاسی که تصویر (سلول تصویر) بر آن شکل گرفته و ضبط می شود ، از یک حسگر الکترونیکی یا سنسور که نسبت به نور حساس است ، استفاده می شود .

سنسور دوربین چیست?

انواع سنسور

سنسورهای تصویر یا از نوع (CCD ) مخفف Charged Couple Device) است CMOS ( مخفف Complementary Metal Oxide Semiconductor) ) است.

هردوی این سنسورها در اواخر دهۀ ۱۹۶۰ و اوایل دهۀ ۱۹۷۰ میلادی وارد بازار شد. سنسور CCD به طور مشخص برای استفاده در دوربین ساخته شده است، درحالیکه فن‌آوری ساخت سنسورهای CMOS ابتدا در موارد دیگر مثل ساخت تراشه‌ها در کامپیوتر هم به کار می‌رفت.

سنسور CCD : ظهور این تکنولوژی به سال ۱۹۶۰، زمانی که تلاش برای تولید حافظه های ارزان و در مقیاس بالا در حال انجام بود بر می‌گردد. در ابتدا استفاده از این تکنولوژی برای گرفتن تصویر به مخیله دانشمندانی که بر روی آن کار می کردند نیز خطور نمی کرد.

در سال ۱۹۶۹، Willard Boyle و George Smith از CCD برای نگهداری اطلاعات استفاده کردند. اولین CCD مربوط به تصویر برداری به فرمت ۱۰۰ * ۱۰۰ پیکسل، در سال ۱۹۷۴ توسط شرکت Faichild Electronics تولید گردید.

در سال‌ بعد این وسیله در دوربین های تلویزیونی برای رسانه های تجاری و بعدا در تلسکوپ ها و وسایل تصویر برداری پزشکی مورد استفاده قرار گرفت. مدتها پس از این زمان بود که CCD در دوربین های دیجیتالی مورد استفاده عموم به فروشگاههای خیابانی راه پیدا کرد.

سنسورCMOS : در سال ۱۹۹۸ سنسورهای CMOS بعنوان تکنولوژی ثبت تصویر جایگزین برای CCD ابداع گردید. تکنولوژی مورد استفاده در ساخت CMOS همان تکنولوژی است که در سراسر جهان برای ساخت میلیونها ریزپردازنده و حافظه مورد استفاده قرار گرفت.

از آنجا که روی این تکنولوژی کار زیادی صورت گرفته و تولید آن در حجم انبوه می باشد، ساخت چیپ های CMOS نسبت به CCD ارزانتر در می آید. دیگر مزیت این سنسورها نسبت به CCD اینست که توان مصرفی آنها پایینتر می باشد.

تفاوتهای سنسورهای CCD و CMOS

تفاوت اصلی این سنسورها این است که در سنسورهای CCD، همۀ پیکسل‌های روی سنسور، نور دریافتی را به لبۀ تراشه می‌رساند تا از آنجا منتقل شود. اما در سنسورهای CMOS، تک تک پیکسل‌ها خودشان کار انتقال را انجام می‌دهند.

سنسور CMOS نسبت به سنسورهای CCD در خواندن تصویر سریعتر است. ساخت این سنسورها راحت‌ تر و هزینه ساخت آن هم کمتر است. یکی از دلایلی که باعث کاهش قیمت دوربین‌های دیجیتال شده، استفاده از سنسورهای CMOS است.

این سنسورها ابتدا در دوربین‌های دیجیتالی ارزان‌قیمت استفاده می‌شد اما با پیشرفت تکنولوژی و افزایش دقت آنها، اکنون از این سنسور در دوربین‌های پیشرفته و گران‌قیمت هم استفاده می‌شود. این سنسور نیاز به قطعات کمتری در کنار خود دارد و برق شارژ کمتری هم مصرف‌ می‌کند.

سنسور CCD دارای حساسیت بیشتری در نور کم است و باعث می‌شود تصاویر بهتری در نور کم تولید کند. هنگام استفاده از این سنسورها اگر منبع نور یا جسمی نورانی، مثل چراغ یا نور خورشید داخل کادر باشد، احتمال دارد که در بالا و پایین سوژه خط‌های عمودی ایجاد شود. البته در نوع خاصی از سنسورهای CCD این ایراد برطرف شده است.

با اینکه هزینه ساخت سنسور CMOS از CCD کمتر است اما این اختلاف هزینه تأثیر زیادی در قیمت دوربین ندارد، اما از نوع سنسور مهمتر، اندازه سنسور است.

به طور کلی هرچه سطح سنسور بزرگتر باشد، کیفیت تصویر هم بهترخواهد شد. اندازه سنسور در بیشتر دوربین‌های کامپکت موجود در بازار، مستطیلی با ابعاد حدود ۴ در ۴ میلیمتراست و در بعضی دوربین‌ها به ۶ در ۴ میلیمتر و یا بزرگترهم میرسد.

اندازۀ سنسور گاهی نیز به صورت عددی کسری با صورت ۱ و مخرج بین ۲ تا حدود ۴ اینچ نشان داده می‌شود. واضح است که هر چه مخرج این کسر کوچکتر باشد، سطح سنسور بزرگتر و در نتیجه کیفیت تصویر بهتر خواهد بود.

این که کدام یک از این سنسورها از دیگری بهتر است، موضوع بحث همیشگی کارشناسان عکاسی است، اما واقعیت این است که پاسخ قطعی برای این سوال وجود ندارد، بنابراین همچنان اندازۀ سنسور مهمتر از نوع آن است.

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.

ابعاد سنسور دوربین‌ و دلایل اهمیت آن

ابعاد سنسور دوربین از مهم‌ترین مقوله‌های داشتن یک عکس خوب و با کیفیت در عکاسی می‌باشد و از تاثیر مستقیم آن بر عکس‌ها نمی‌توان چشم پوشی کرد. اگر شما دو دوربین دارید که میزان دقت (مقدار مگاپیکسل) برابری دارند ولی سنسور یکی از آنها از دیگری بزرگتر است، مطمئنا عکس‌های دوربینی که سنسوری با ابعاد بزرگتری دارد، از کیفیت بالاتری برخوردار است. این مورد به این خاطر است که ذرات دریافت کننده نور که امروزه از آنها با نام پیکسل یاد می‌شود، در سنسور بزرگتر، دارای ابعادی بزرگتر می‌باشد.

وظیفه اصلی این دریافت‌کننده‌های نور (Receptor)، جذب هرچه بهتر نور و تولید سیگنال‌های الکتریکی و تبدیل آنها به سیگنال‌های دیجیتالی عکس می‌باشد. هر چقدر که سنسور مورد نظر نور بیشتری دریافت کند، سیگنال‌های عکس تولید شده، قوی‌تر خواهند بود. سیگنال قوی‌تر به تقویت کمتری نیاز دارد و این بمعنای تولید یا افزایش کمتری نویز در عکس‌ها می‌باشد.

سنسور یک دوربین، گران‌ترین جزء آن می‌باشد و این به آن معنا است که دوربین‌هایی با سنسور بزرگ‌تر نسبت به سنسورهای کوچکتر در دیگر دوربین‌ها به طور قابل توجهی تمایل بیشتری به گران بودن دارند!

همچنین برای استقرار سنسور بزرگ در درون یک دوربین، نیاز به فضای بیشتر است بنابراین بدنه دوربین مورد نظر باید ابعاد بزرگتری داشته باشد و همچنین این سنسور بزرگ، لنزهای بزرگتری را هم می‌طلبد، که به دهانه بزرگتر لنز ختم می‌شود.

به طور کلی دوربین‌هایی با سنسور بزرگتر نسبت به دوربین‌هایی با سنسور کوچکتر، قیمت بالاتری داشته و همچنین خروجی عکس‌های مطلوب و باکیفیت‌تری دارد.

چگونگی عملکرد سنسورهای دوربین دیجیتال

دوربین های دیجیتال برای ثبت یک تصویر از میلیون ها سلول نوری کوچک یا فتوسایت بهره می گیرند. به محض فشردن دکمه شاتر و آغاز نوردهی، هر یک از این سلول های نوری در معرض نور قرار گرفته و شروع به جمع آوری فوتون ها می کنند و با پایان یافتن نوردهی، دوربین این سلول های نوری را مسدود کرده و سپس تلاش می کند تا تعداد فوتون های به دام افتاده در هر یک از سلول ها را محاسبه کند.

آنگاه کمیت نسبی فوتون ها در هر یک از این سلول ها در سطوح مختلفی از لحاظ شدت طبقه بندی می شوند و سپس بر اساس آن یک تنالیته به آن اختصاص داده می شود که دقت آن توسط عمق بیت تعیین می گردد ( به عنوان مثال ۰ تا ۲۵۵ برای تصویر ۸ بیتی)

همان طور که در تصویر بالا دیده می شود چنین سنسوری قادر به ایجاد تصویر رنگی نیست زیرا این سلول ها نمی توانند میزان هر رنگ موجود در خود را بسنجند. برای ثبت تصاویر رنگی، باید فیلتری رنگی بر روی هر یک از این سلول ها قرار بگیردکه تنها یک رنگ خاص را از خود عبور می دهد.

تمام دوربین های دیجیتال فعلی تنها می توانند یکی از سه رنگ اصلی را در هریک از سلول های نوری سنسور خود ثبت کنند و بنابراین تقریبا یک سوم از نور ورودی به دوربین از دست می رود.

در نتیجه، دوربین برای این که بتواند تمامی رنگ ها در هر یک از پیکسل ها ایجاد کند، باید آن دو رنگ اصلی دیگر را تخمین بزند. رایج ترین نوع فیلتر رنگی که در سنسورهای دوربین دیجتال بکار می رود، “آرایش بایر” نام دارد که در زیر نیز دیده می شود.

همان طور که ملاحظه می کنید آرایش بایر از دو ردیف فیلترهای قرمز-سبز و آبی-سبز تشکیل یافته است. دقت کنید که تعداد فیلترهای سبز در این سیستم دو برابر تعداد فیلترهای قرمز و آبی است زیرا که چشم انسان در مقایسه با نور آبی یا قرمز نسبت به نور سبز حساسیت بیشتری دارد.

کثرت پیکسل های سبز تصویری ایجاد می کند که به نظر دارای نویز کمتر و جزئیات بیشتر است. همین مساله علاوه بر این نشان می دهد که چرا نویز در کانال سبز به مراتب کمتر از دو رنگ دیگر است.

در دوربین دیجیتال برای تبدیل آرایش رنگ های اصلی بایر به تصویر نهایی از فرایندی استفاده می شود به نام “موزائیک زدایی” (demosaicing) بایر که حاوی اطلاعات رنگی موجود در هر پیکسل است.

ولی چنین چیزی چطور ممکن است وقتی خود دروبین نمی تواند میزان رنگ را اندازه گیری کند؟ یک راه برای درک این مطلب این است که هر آرایش ۲ در ۲ از فیلترهای قرمز، سبز و آبی را به عنوان یک سلول رنگی واحد در نظر بگیریم.

ولی اگر دوربین صرفا به همین آرایش های ۲x2 جداگانه بسنده کند تنها به نصف رزولوشنی موجود در سطوح افقی و عمودی دست خواهد یافت.

در حالی که اگه دوربین از آرایش های ۲x2 که با هم همپوشانی دارند برای محاسبه رنگ استفاده نماید به روزلوشن بالاتری نسبت به حالت اول دست پیدا خواهد کرد. البته الگوریتم های “موزائیک زدایی” دیگری هم وجود دارند که می توانند تصاویری با روزولوشن بیشتر و نویز کمتر ایجاد کنند.

سنسور بزرگتر یا مگاپیکسل کمتر، کدام بهتر است؟

سنسور بزرگتر در یک دوربین باعث ایجاد سیگنال‌های قوی‎تری می‌شود و پیامدهای مثبتی برای کیفیت عکس خواهد داشت. سطح نویز آن کاهش پیدا کرده و محدوده دینامیکی (dynamic range) آن گسترش می‌یابد. در سنسوری با تعداد پیکسل کمتر نیز اتفاقی شبیه به آنچه که گفته شده به وقوع می‌پیوندد.

اگرچه تعداد پیکسل (میزان مگاپیکسل) بیشتر در یک سنسور، عاملی مخالف با کیفیت عکس نیست و همچنین برای ایجاد عکس‌هایی با ابعاد بزرگتر و جزئیات بیشتر ضروری می‌باشد.

بزرگترین چالش تولید‌کنند‌ها، پایین نگه داشتن میزان نویز عکس‌ها همراه با تثبیت کیفیت آن در تنظیم حساسیت‌های بالای سنسور در محل‌هایی با میزان نور کم می‌باشد.

بعضی از دوربین‌ها دارای تعداد پیکسل کمتر (۱۶ مگاپیکسل) بر روی یک سنسور بزرگتر (Full Frame) می‌باشند که سطح کارایی آن در نور کم بسیار عالی بوده و نویزهای بسیار کمی را تولید می‌کند.

این موضوع برای یک دوربین بسیار عالی است اما عکس‌ها به هیچ وجه دارای ابعاد بزرگی نیست و کسانی که تمایل به داشتن عکس‌هایی با اندازه بزرگتر و جزئیات بیشتر دارند باید به سراغ دوربین‌هایی با تعداد پیکسل بالاتر بروند .

اندازه پیکسل در دوربین چیست؟

اندازه پیکسل در دوربین گوشی یا دوربین عکاسی یکی از مهمترین فاکتورهاییه که به کیفیت نهایی تصویر کمک زیادی میکنه و خیلی ها شاید تا حالا به اندازه پیکسل یا Pixel Size در مشخصات دوربین ها مخصوصا دوربین گوشی توجه نمی کنن . مثلا یکی از دلایلی که دوربین گوشی های ایچ تی سی تقریبا بهتر از بقیه گوشی ها عمل میکنه همین اندازه پیکسل بیشتر هست .

اشتباهات سنسور

• سنسور دوربین های دیجیتال ممکن است اشتباهاتی در روند ترکیب رنگ‌ها ایجاد کند.

• یکی از این اشتباهات مویر moiré است.

• وقتی دو شبکه رنگ از پیکسل‌ها که رنگ‌ها و بافت‌های شبیه به هم دارند، کنار یکدیگر قرار می‌گیرند.

• سنسور نمی‌تواند آن‌ها را از هم تفکیک کند و مویر رخ می‌دهد.

• در هر حال این اتفاق ممکن است برای بهترین دوربین‌ها هم رخ بدهد.

• برای اصلاح این اشتباه سنسور می‌توان از فیلتر low-pass OLPF و فیلتر anti-aliasing AA استفاده کرد.

• دوربین‌هایی که سنسور آن‌ها میکرو لنز است توانایی بیشتری در ثبت رنگ‌ها دارند.

• در هر پیکسل رنگ‌های بیشتری را پردازش می‌کنند.

• سازندگان دوربین تلاش می‌کنند تا سنسور دوربین های دیجیتال میکرو لنزی بسازند تا بالاترین کیفیت (رزولوشن)، قابلیت ثبت بیشترین رنگ‌ها و ایجاد کمترین نویزها را داشته باشد.

• دنیای دوربین دنیای عجیب و پر رمز و رازی است. فشردن دکمه شاتر چند ثانیه بیشتر طول نمی‌کشد و همه این فرایندها در همین چند ثانیه رخ می‌دهد!

ابعاد سنسورهای

سنسور Full Frame بخاطر ابعاد آن به این نام اسم‌گذاری شده است (هم اندازه قالب ۳۵ میلی متری فیلم‎های قدیمی) و ابعادی معادل ۳۶×۲۴ میلی متر دارد.

سنسورهای APS-C نیز به همین خاطر که اندازه آنها برابر با قالب فیلم‌های کلاسیک APS-C میباشد، با این نام شناخته می‌شوند. این سنسور در دوربین کمپانی‌های نیکون، سونی و پنتاکس ، ابعادی برابر ۲۳.۶×۱۵.۷ میلی‌متر دارد(به آنها DX Format نیز گفته میشود). ابعاد سنسور در دوربین‌های کنون کوچکتر بوده و ابعادی معادل ۲۲.۲×۱۴.۸ میلی‌متر دارند.

سنسورهایی با نام میکرو یا چهارسوم نیز وجود دارند که کوچکتر از APS-C بوده و ابعادی برابر ۱۷.۳×۱۳ میلی‌متر دارند.

این اندازه‌ها بصورت توافقی با واحد میلی‌متر خوانده می‌شود اما در دوربین‌های کامپکت این موضوع تفاوت داشته و از واحد‌ خاصی و به شکلی خاص، اندازه آن بیان می‌شود. (دقیقا همانند آن چیزی که در اندازه گیری ابعاد تلویزیون‌ها دیده می‌شود).

این مورد شاید بسیاری گیج کننده باشد و حتی تولید کنندگان آن را نیز به شک انداخته است که در هنگام معرفی آن از کدامیک از روش‌ها استفاده کنند و در اکثر اوقات، از بازگو کردن اندازه طولی و عرضی آن کوتاه می‌آیند.

سنسور ۲/۳ اینچی در واقع ابعادی برابر ۸.۶×۶.۶ میلی‌متر دارد. همچنین سنسور ۱/۱.۷ اینچی، اندازه‌ای معادل ۷.۶×۵.۷ میلی‌متر دارد.

سنسور‌های ۱/۲.۳ (خوانده شود، یک بر روی ۲/۳ اینچی) نیز ابعادی برابر ۵.۷۶×۴.۲۹ میلی‌متر دارند.(این نوع سنسورها در دوربین‌های کامپکت بسیار رایج هستند)

در حالی که سنسورهای Full Frame و APS-C بیشتر در دوربین‌های DSLR و سطح بالا دیده می‌شوند، اما دوربین‌های کامپکتی نیز وجود دارند که مجهز به این نوع سنسورها هستند. همان طور که تصور می‌کنید، این دوربین‌ها در واقع، کامپکت‌هایی حرفه‌ای هستند که در طراحی آنها نوآوری دخیل شده است و در قامتی کوچکتر به ثبت عکس‌های باکیفیت اقدام می‌کنند.

همچنین دوربین‌های کامپکت بزرگ و شبه DSLR یا بریج نیز وجود دارند که با وجود جثه بزرگ، به سنسوری کوچک مجهز شده‌اند. همچنین کامپکت‌های کوچکی نیز وجود دارند (سری Q از دوربین‌های شرکت پنتاکس) که از سنسورهایی کوچکتر بهره می‌برند.

اگر شما قصد هزینه کردن برای خرید دوربین خاصی را دارید، بهتر است که به اندازه و ابعاد سنسور دوربین در کنار دقت سنسور آن (میزان مگاپیکسل) توجه خاصی داشته باشید.