فناوری تصویربرداری در چند دهه گذشته به شدت پیشرفت کرده است تا جایی که ما قادر به گرفتن عکس با کیفیت بالا بدون نیاز به تجهیزات گران قیمت هستیم. بیشتر این تحولات به دلیل پیشرفت حسگرهای تصویربرداری است.
حسگرهای تصویربرداری می‌توانند از بسیاری جهات با عملکرد خود متفاوت باشند. این مقوله‌ها عمدتا عبارتند از: ساختار حسگر، نوع کروم، نوع دیافراگم، دقت، سرعت قاب، اندازه پیکسل و قالب حسگر.
در این مقاله به فناوری اساسی مربوط به نحوه عکسبرداری از رایج‌ترین حسگرهای تصویربرداری پرداخته‌ایم.
بیشتر بخوانید: دوربین DSLR چیست و چگونه کار می‌کند؟
گرفتن نور
یک سنسور تصویربرداری نور ورودی را (به صورت فوتون) به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. سپس این سیگنال الکتریکی می‌تواند به صورت تصویری روی صفحه پردازش شود. دو نوع اصلی سنسورها CCD (دستگاه زوج شارژ شده) و CMOS (نیمه هادی اکسید فلز) است.
سنسورهای CCD و CMOS از ویفر سیلیکونی تشکیل شده‌اند که به مجموعه‌ای از فوتوزیت‌ها تقسیم می‌شوند (مناطق حساس به نور). این سنسورها می‌توانند حاوی میلیون‌ها مورد از این فوتودیودها باشند که می‌توانند نور را گرفته و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل کنند.
هر فوتوسایت در یک سنسور CCD در واقع یک دستگاه آنالوگ است. فوتودیود نور را گرفته و بلافاصله این اطلاعات را به عنوان یک بار الکتریکی ذخیره می‌کند. سپس این سیگنال شارژ از سایت عکس به دستگاه بازخوانی منتقل می‌شود (معروف به رجیستر شیفت). سیگنال الکتریکی توسط خازن به ولتاژ تبدیل می‌شود که از طریق مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) به سیگنال دیجیتالی تبدیل می‌شود.
به دلیل نحوه عملکرد سنسورهای CCD، در معرض دو نوع مصنوعات قرار دارند. اینها به لکه دار کردن و شکوفایی معروف هستند. لکه‌گذاری هنگامی رخ می‌دهد که شدت نور زیاد باشد، و به عنوان یک خط روشن عمودی در تصویر ظاهر می‌شود.
این اتفاق زمانی می‌افتد زیرا سنسورهای CCD از ثبات‌های انتقال عمودی استفاده می‌کنند و سیگنال‌های شارژ را به صورت عمودی به دستگاه بازخوانی منتقل می‌کنند. شارژ می‌تواند به داخل این ثبت انتقال عمودی “نشت” کند و ظاهر یک خط روشن را در تصویر نهایی ایجاد کند.
شکوفایی هنگامی رخ می‌دهد که نوری که به یک پیکسل خاص وارد می‌شود از میزان اشباع آن بیشتر شود. این به این معنی است که دیگر نمی‌تواند نور را ضبط کند، بنابراین عکس‌ها شروع به پر کردن پیکسل‌های همسایه می‌کنند (به خصوص در جهت افقی). این باعث کاهش دقت پیکسل‌های همسایه و ایجاد مصنوعات تصویری می‌شود.
در مقایسه، یک سنسور CMOS در هسته اصلی خود یک سیستم دیجیتال است. یک سنسور CMOS نور را به شارژ تبدیل می‌کند تا به ولتاژ در محل عکسبرداری تبدیل شود. این امکان وجود دارد زیرا هر فوتوسایت دارای یک سوئیچ ترانزیستور است که اجازه می‌دهد سیگنال‌ها به صورت جداگانه تقویت شوند. سپس این ولتاژها به طور همزمان به دستگاه بازخوانی ارسال می‌شوند.
با توجه به این ساختار، سنسورهای CMOS معمولاً کوچکتر، ارزان‌تر و آسان‌تر تولید می‌شوند. حسگرهای CMOS نیز از توان کمتری استفاده می‌کنند و از لکه‌گیری (به دلیل نداشتن ثبت تعویض عمودی) و یا شکوفه شدن (به دلیل سطح اشباع پیکسل بسیار بالاتر) رنج نمی‌برند.
بیشتر بخوانید: دوربین Point-and-Shoot چیست؟
نوع کروم
نوع کروم سنسور تصویربرداری به حسگر تک رنگ یا حسگر رنگی اشاره دارد. در حسگرهای تک رنگ، هر پیکسل می‌تواند رنگ را از تمام طول موج‌های نور مرئی جذب کند. این بدان معنی است که هیچ تفاوتی بین رنگ‌ها وجود ندارد.
حسگرهای رنگ دارای یک لایه اضافی به نام “لایه رنگ” (اغلب یک فیلتر Bayer موزاییک) هستند که رنگ‌های روشن خاصی را جذب می‌کند. در فیلتر بایر، فیلترهای قرمز، آبی و سبز وجود دارد (با دو برابر فیلتر سبز زیرا چشم انسان نسبت به سبز حساسیت بیشتری دارد). این امکان را برای هر پیکسل سنسور فراهم می‌کند که طول موج‌های فقط یک رنگ را جذب کند.
سپس اطلاعات حاصل از سنسور از طریق الگوریتمی برای تعیین رنگ واقعی اجرا می‌شود (زیرا فقط سه رنگ تشخیص داده می‌شود). این اطلاعات را از پیکسل‌های همسایه تجزیه و تحلیل می‌کند تا رنگ دقیق را محاسبه کند.
برای دستیابی به دقت بیشتر در رنگ، حسگرهای مدرن اکنون از فرایندی به نام “شیفت پیکسل” استفاده می‌کنند. شیفت پیکسل با گرفتن چندین نوردهی کار می‌کند و هر بار حسگر را کمی جابجا می‌کند تا نور قسمت دیگری از حسگر را بگیرید. این منجر به تصویری می‌شود که نه تنها وضوح بسیار بیشتری دارد بلکه دقت رنگی بهتری نیز دارد. این به این دلیل است که می‌توان اطلاعات رنگ را پوشش داده و تجزیه و تحلیل کرد تا از عدم دقت‌های طبیعی جلوگیری شود.
بیشتر بخوانید: ۱۰ اصطلاح عکاسی که همه عکاسان باید بدانند
نوع شاتر
شاتر دو نوع دارد: گلوبال و غلتکی. شاتر گلوبال (همانطور که توسط حسگرهای CCD و برخی از حسگرهای CMOS جدیدتر استفاده می‌شود) به این معنی است که هر پیکسل به طور همزمان شروع و متوقف می‌شود.
شاتر غلتکی (همانطور که در بیشتر حسگرهای CMOS استفاده می‌شود) به این معنی است که سنسور یک ردیف پیکسل را در معرض قرار می‌گیرد. این خیلی سریع اتفاق می‌افتد، اما به دلیل این قرار گرفتن در معرض تدریجی، اگر حرکت دوربین درگیر باشد، می‌تواند اغلب منجر به مصنوعات “شی خم” شود (مانند هنگام فیلمبرداری).
همانطور که در عکس زیر مشاهده می‌کنید، که با سرعت ۵۰ مایل در ساعت گرفته شده است، ستون‌های حصار به دلیل چگونگی ثبت تصویر توسط یک سنسور غلتکی، کج هستند.
قالب سنسور تصویربرداری و اندازه پیکسل
حسگرهای تصویربرداری در قالب‌های مختلفی وجود دارد (معروف به اندازه سنسور). اینها شامل قالب بزرگ، فرمت متوسط، فول فریم، APS-C و میکرو چهار سوم است. تفاوت بین قالب‌های حسگر معمولاً وضوح و اندازه پیکسل‌ها است.
پیکسل‌های بزرگتر دارای مزایای مختلفی هستند، از جمله میدان دید بزرگتر، وضوح بالاتر، دامنه دینامیکی بالاتر و نسبت سیگنال به نویز بیشتر. به این دلیل که پیکسل‌های بزرگتر می‌توانند نور را به طور دقیق اندازه‌گیری کنند (به طور کلی می‌توانند نور بیشتری را جذب کنند). از آنجا که حسگرهای بزرگتر معمولاً از پیکسل‌های بزرگتر استفاده می‌کنند، به همین دلیل، کیفیت تصویر بهتری نیز دارند.
بیشتر بخوانید: دوربین های بدون آینه دربرابر DSLR: کدام یک برای شما مناسب است؟
سرعت شاتر و نرخ فریم
سرعت شاتر مدت زمانی است که هر فوتوسایت در معرض نور است. به همین دلیل است که هنگام گرفتن عکس، “نوردهی” یا “زمان نوردهی” نامیده می‌شود. از طرف دیگر، نرخ فریم به این صورت است که یک حسگر می‌تواند در هر ثانیه نوردهی کامل داشته باشد.
بسیاری از دوربین‌های قدیمی سرعت شاتر بسیار کمتری دارند، در حالی که اکنون دیدن ۱/8000th ثانیه معمول است. نرخ فریم (و سرعت شاتر) به سرعت حسگر می‌تواند به عنوان داده‌های دیجیتال نور را ضبط، تبدیل و خروجی دهد.
مواردی که روی این فرآیند تأثیر می‌گذارند شامل تعداد پیکسل‌ها (پیکسل‌های بیشتر برابر با داده‌های بیشتر)، نوع کابل کشی (سرعت انتقال داده) و نوع سنسور است.
با افزایش پیشرفت فناوری سنسور تصویربرداری، اکنون می‌بینیم که سرعت فریم سریع به طرز مضحکی امکان‌پذیر است.
مسلماً یک حسگر تصویربرداری جدایی ناپذیرترین جزء سیستم دوربین است. با پیشرفت فناوری تصویربرداری، اکنون سنسورهایی از حسگرهای کوچک دوربین گوشی‌های هوشمند گرفته تا پرتوهای با تکنولوژی بالا در اختیار ما قرار گرفته است.
در حال حاضر امکان گرفتن (و مقرون به صرفه بودن) عکس‌های با کیفیت بالا و درک صحیح از عملکرد تکنولوژی دوربین وجود دارد.
اما دانستن نحوه کار سنسور تصویربرداری و تفاوت بین انواع سنسورها به شما کمک می‌کند سنسور مناسبی را برای اهداف خود انتخاب کنید.
منبع: MUO
