آشنایی با انواع حسگر دوربین دیجیتال

ساختار حسگر دوربین

قسمت اعظم حسگرهایی که در دوربین‌های دیجیتال امروزی مورد استفاده قرار می‌گیرند، بوسیله‌ی ماده‌هایی از جنس سیلیکون ساخته می‌شوند. این حسگرها به قسمت‌های بسیار ریزتری تقسیم می‌گردند که هر قسمت را یک فوتوسایت می‌نامند. به عبارتی دیگر می‌توان بیان نمود که فوتوسایت در ساختار دوربین‌های عکاسی همانند پیکسل در تصویر می‌باشد. بصورت عامیانه رایج است که به جای استفاده از کلمه‌ی فوتوسایت، پبکسل به کار برده شود. هر حسگر مجموعه‌ای متشکل از میلیون‌های فوتوسایت می‌باشد.

یک فوتوسایت، سطحی است که در مقابل نور حساس بوده و فوتون‌های موجود در نور را به امواج الکترونیکی تبدیل می‌کند تا دوربین بتواند از آن‌ها استفاده نماید. طبیعی است که به هر میزان که فوتون‌های بیشتری توسط فوتوسایت جذب گردند، سطح انرژی الکتریکی‌ای که از این واحد‌های کوچک خارج می‌گردد نیز بیشتر می‌باشد. دست‌آخر در پس از دریافت شدن نور، پردازشگر دوربین دیجیتال براساس آن پیام‌هایی که از فوتوسایت‌ها دریافت شده بود، میزان نوری که به سطح حسگر تابیده شده است و همچنین شکل توزیع این نور را مشخص می‌نماید.

آن قسمتی از فوتوسایت که به نور حساس بوده و با دریافت آن از خود عکس‌العمل نشان می‌دهد، فوتویود می‌گویند. این فوتویودها، فوتون نور را تبدیل به الکترون می‌نمایند. با توجه به نسبت اندازه‌ای که بیان گردید می‌توان فهمید که فوتویودها تمامی سطح سنسور را نمی‌پوشاند و صرفا حدود یک‌چهارم این سطح را شامل می‌شوند. برهمین اساس مشخص می‌گردد که در میان فوتویودها بر سطح حسگر دوربین فضاهایی خالی وجود دارد که در مقابل نور از خود واکنشی نشان نمی‌دهند.

فوتوسایت‌ها بصورت ذاتی قادر نیستند که رنگ‌‌ها را تشخیص دهند و پیام‌هایی که از آن‌ها به پردازشگر فرستاده می‌شود برطبق شدت نوری که به فوتوسایت برخورد کرده است، ممکن است که تصویری با پیسکل‌های میان طیف سفید تا سیاه را تشکیل دهد. برای اینکه حسگر بتواند رنگ‌ها را تشخیص دهد یک گونه‌ی مخصوص از فیلتر‌های رنگ که سه رنگ اصلی آبی، قرمز و سبز را تفکیک می‌نماید بر روی آن قرار می‌گیرد به‌گونه‌ای که روی هر فوتوسایت یک فیلتر رنگی جای داده شود و صرفا امکان عبور برای یک رنگ مشخص را فراهم نماید. بوسیله‌ی اجرای این پروسه، هر فوتوسایت می‌تواند صرفا یک رنگ ویژه را دریافت و سیگنال‌های آن را ارسال نماید. بوسیله‌ی تجزیه و تحلیل تمامی سیگنال‌ها از کلیه‌ی فوتوسایت‌ها امکان ثبت تصاویر به شیوه‌ی رنگی فراهم می‌گردد.

رایج‌ترین نحوه‌ی قرارگیری فیلترهای رنگی مخصوصی بر روی فوتوسایت‌ها به این شکل می‌باشد که بصورت شطرنجی به‌گونه‌ای جاگیر شوند که تعداد فیلترهای سبز رنگ ۱۰۰℅ بیشتر از فیلتر‌های آبی رنگ و یا قرمز رنگ باشد. این شیوه‌ی قرارگیری فیلتر‌ها را بر روی فوتوسایت، بایر (Bayer Array) می‌گویند. دلیل این نحوه‌ی چیدمان که فیلترهای سبز رنگ را بیشتر از دو رنگ اصلی دیگر تعیین می‌کند، این موضوع است که چشم‌های افراد نسبت به تغییرات ایجاد شده در طول‌ موج‌ها این رنگ حساسیت بیشتری دارند و به این ترتیب داده‌های رنگی که توسط فوتوسایت‌ها به پردازشگر داده می‌شود با داده‌های ارسال شده توسط چشم به مغز شباهت بیشتری خواهند داشت. حساس‌تر بودن فوتوسایت‌ها به نور سبز موجب می‌گردد که تصاویر با حداقل نویز ایجاد شوند که در نتیجه‌ی آن جزئیات موجود در عکس روندی افزایشی‌ خواهد داشت. بصورت کلی دقت رنگی تصاویر گرفته شده بوسیله‌ی یک دوربین دیجیتال، بیشترین بستگی را به کیفیت فیلترهای رنگی‌ای دارد که بر روی فوتوسایت‌ها‌ قرار می‌گیرند.

چگونگی عبور گزینشی نور از فیلترهای رنگی‌ قرار گرفته روی فوتوسایت‌های حسگر

بر روی حسگرهای استفاده شده در دوربین‌های دیجیتال، نوع مخصوصی لنز که ابعادی میکروسکوپی دارد مورد استفاده قرار گرفته است. این لنز‌ها که میکرولنز نامیده می‌شوند موجب می‌گردند که میزان نور جذب شده توسط فوتوسایت‌ها در حداکثر مقدار خود باشد که در نتیجه‌ی این امر سیگنال‌ها و پیام‌های توانمند‌تری نیز بوسیله‌ی این قسمت‌ها تولید می‌گردد.

شیوه‌ی جای‌گرفتن میکرولنز‌ها در مکان مشخص‌شده‌ی خود

بر روی بیشتر حسگرهای موجود در بازار، شاهد تعبیه‌ی دو گونه فیلتر ویژه می‌باشیم. یکی از آن‌ها فیلتر ترمیم فرکانس (Anti-Aliasing) که نام دیگر آن ضد دندانه‌ای شدن است و همچنین فیلتر از بین‌برنده‌ی مادون قرمز می‌باشد که اصطلاح انگلیسی آن Infrared Cutoff می‌باشد.

فیلتر نخست که دو اسم دیگر تحت عنوان فیلتر پائین‌گذر نور و فیلتر تارکننده نیز دارد، به این شکل عمل می‌کند که فرکانس‌های نور مخصوصی را از طریق محدود نمودن پهنای باند داده‌های ورودی نور حذف می‌کند و در نتیجه با جلوگیری از برخورد این پرتوها به سطح حسگر دوربین موجب می‌گردد که موج‌های نور وارد شده به دوربین نرم شوند. به زبان ساده‌تر فیلتر‌های مذکور از عبور پرتوی نوری که فرکانس آن در حدی بالاتر از معیار مشخص‌شده باشد، پیشگیری بعمل می‌آورند. برای همین منظور و کنترل دقیق فرکانس امواج نوری که قرار است به سطح حسگر برخورد نمایند، دو عدد از این فیلتر‌های تارکننده بر روی حسگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بهره‌گیری از فیلتر‌های فوق باعث می‌شود که در تصاویر ثبت شده با ایجاد شدن میزان کمی تاری، از شارپ بودن (تیزی) تصاویر ممانعت بعمل بیاید. فیلتر تار کننده جلوگیری کننده از دندانه‌دار شدن لبه‌های خط‌هایی موجود در تصاویر می‌باشد. فیلتر مورد بحث همچنین موجب کمتر شدن و یا تماما از بین رفتن پدیده‌ی مویر (ثبت موج‌های رنگی ناخواسته) در تصاویر می‌گردد. این پدیده بیشتر در مواقعی اتفاق می‌افتد که خط‌های موازی یا خطوطی که فاصله‌ی کمی با هم دارند، در عکس‌های موجود باشند.

فیلتر بعدی که عملکرد آن از نامگذاری‌ش مشخص می‌گردد، با حذف کردن قسمت اعظم نور‌های مادون قرمز پیش از آن‌که به سطح حسگر برسند موجب افزایش کیفیت تصاویر می‌گردد. نور‌های مادون قرمز وضوح تصاویر را کاهش می‌دهند و می‌توانند که رنگ‌های تصنعی ایجاد کنند.

اثرگذاری اندازه‌ و همچنین تعداد پیکسل‌های در کیفیت عکس

به هر میزان که تعداد پیکسل‌ها در سطح حسگر بالاتر برود، کیفیت عکس‌های ثبت شده نیز افزایش می‌یابد. اما مسئله‌ی محدود کننده در این میان، مساحت سطح این حسگرها می‌باشد. به بیان ساده‌تر اگر در یک مساحت مشخص از یک حسگر که توان جای‌دادن یک هزار پیکسل را در خود دارد، ما تعداد این پیکسل‌ها را بیش از مقدار معین افزایش دهیم مجبورا بایستی که اندازه‌ی آن‌ها را کوچکتر نمائیم. با کوچکتر شدن ابعاد پیکسل‌ها، میزان نوری که بوسیله‌ی آن‌ها نیز دریافت می‌گردد روندی کاهشی را تجربه خواهد نمود. حال هرچه تعداد پیکسل‌های موجود بر سطح حسگر را افزایش دهیم، توان دریافت نور و همچنین توان دریافت شدت‌های گوناگون نور کاهش خواهند یافت.

با به وقوع پیوستن این اتفاق، به اصطلاح محدوده‌ی داینامیکی حسگر کاهش پیدا خواهد کرد. پیکسل‌هایی با ابعاد بزرگتر قادرند که شدت‌های گوناگونی از نور را اندازه‌گیری نمایند با توجه به این موضوع می‌توان نتیجه گرفت که آن‌ها محدوده‌ی داینامیکی وسیع‌تری داشته و همچنین میزان نویز پائین‌تری را دارا می‌باشند. محدوده‌ی داینامیکی رابطه‌ی مستقیمی با جزئیات و همچنین نسبت کنتراست بیشتر در تصاویر دارد به همین دلیل این پیکسل‌ها عکس‌هایی باجزئیات بیشتر و کنتراست بالاتر ثبت می‌نمایند. به این ترتیب طیف گسترده‌تری از تونالیته‌های رنگی گوناگون در عکس‌ قابلیت ثبت را دارد.

دوربین‌های عکاسی متفاوت، دارای حسگر‌هایی با اندازه‌های مختلف می‌باشند. حسگرهایی که در دوربین‌های عکسبرداری قدیمی تعبیه می‌شدند دارای گنجایش محدودی بودند اما در طول زمان و با پیشرفت تکنولوژی حسگرهایی تولید شده‌اند که تراکم پیکسل‌ها در آن محدوده‌ی قابل قبولی داشت. به گونه‌ای که امروزه حتی در دوربین‌های کامپکت شاهد تعبیه‌ی حسگر‌هایی ۲۰ مگاپیسکلی می‌باشیم‌.

حسگرها براساس ابعادی که دارند، تعداد گوناگونی پیکسل‌ را در خود جای می‌دهند که به همان نسبت قادر خواهند بود که عکس‌هایی با جزئیات بیشتر ثبت نمایند. مساحت سنسور عموما در حالت قیاس با یک قطعه فیلم ۳۵میلی‌متری که به عنوان تمام کادر (Full Frame) شناخته می‌شود، اندازه‌گیری می‌گردد. سنسوری با مساحت استاندار، با ابعاد 36*24 میلی‌متری مشخص می‌شود و سایر سنسور‌ها عموما نسبتی از این مساحت را شامل می‌گردند.

حسگرهایی با اندازه‌بندی APS-C ابعادی برابر با ۲۳.۶*۱۵.۸ میلی‌متر (در نسخه‌های Nikon) و یا ۲۲.۲*۱۴.۸ میلی‌متر (در نسخه‌های Canon) دارند که یکی از رایج‌ترین اندازه‌بندی‌های حسگرهایی می‌باشند که در دوربین‌های دیجیتال با قطع کوچک و همچنین DSLR‌های نیمه‌ پرافشنال مورد بهره‌برداری واقع می‌شوند. پیشتر، شرکت Canon حسگر‌های APS عظیم‌تری در دوربین‌های دیجیتال خود مورد استفاده قرار می‌داد که به اسم APS-H شناخته می‌شدند و ابعاد آن ۲۷.۹*۱۸.۶ میلی‌متر بود که هم‌اکنون کاربرد محدودی را دارا هستند.

در پاره‌ای از اوقات تعدادی از تصویربرداران باسابقه‌تر این دسته از دوربین‌های دیجیتال که حسگرهای نوع APS را در خود جای داده‌اند را اصطلاحا نیم کادر می‌نامیدند. عبارت نیم‌کادر در دوره‌ی دوربین‌های آنالوگ فیلمی رواج داشته است. در این دسته از دوربین‌ها، اندازه فیلمی که از آن استفاده می‌شد برابر با نیمه‌ی اندازه فیلمی بود که در دوربین‌هایی با فریم کامل (به‌عبارت دیگر برابر با ۱۸*۲۴ میلی‌متر ) بوده و به همین دلیل که حسگرهای APS هم اندازه‌ای تقریبا همسان با آنها را دارا می‌باشند، در بعضی اوقات تعدادی افراد این عبارت را برای نا‌م بردن از آن‌ها هم مورد استفاده قرار می‌دهند، اما اصولا عبارتی که در حیطه‌ی عکاسی دیجیتال به منظور نام بردن از حسگر‌های کوچکتر از حسگرهای Full Frame استفاده می‌شود، عبارت Crop Sensor به معنی حسگر برش خورده می‌باشد.

ضریب برش

ضریب برش که معادل انگلیسی آن Crop Factor می‌باشد، بیانگر نسبت ابعاد حسگر دوربین به ابعاد حسگر تمام کادر می‌باشد. در نتیجه به هر میزان که نسبت ذکر شده بیشتر باشد این مفهوم را می‌رساند که ابعاد حسگر کوچکتر می‌باشد. دوربین‌های عکس‌برداری از گونه‌ی Full Frame با ابعاد ۲۴*۳۶ میلی‌متری، حسگری با ضریب برش برابر با یک را دارا می‌باشند. رقم Crop Factor از قیاس کردن قطر ابعاد حسگر در مقابله با قطر حسگر Full Frame محاسبه می‌گردد.

حسگرهایی با قطع APS-C که بصورت رایجی در دوربین‌های دیجیتال مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند، ابعادی برابر با ۱۵.۸*۲۳.۶ میلی‌متر(در نسخه‌های Nikon) و یا ۲۲.۲*۱۴.۸ (در نسخه‌های Canon) را دارند. رقم ضریب برش در حسگرهای نوع APS-C در دوربین‌های عکسبرداری Nikon برابر با ۱.۵X و در دوربین‌های عکسبرداری Canon برابر ۱.۶X است.

کمک گرفتن از ضریب برش بیشتر در عبارت رقم فاصله کانونی در آن دسته از لنزهایی به‌کار برده می‌شود که بر روی دوربین‌های تصویر‌برداری از دسته‌ی Crop Sensor مورد استفاده واقع می‌شوند. برای تبیین وسیع‌تر این موضوع، دقت نمایید که رقم فاصله کانونی لنزها که توسط کارخانه‌ی تولید کننده بر روی خودشان حک شده است و از طرفی نمایان کننده‌ی زاویه دید آن لنز نیز است، بر طبق دوربین‌های تصویربرداری Full Frame حساب شده‌اند و بر روی این قسمت حک می‌گردند. به بیانی دیگر رقم فاصله کانونی که بوسیله‌ی کارخانه تولید‌کننده تعیین می‌شود، وقتی حقیقی خواهد بود که آن لنز در یک دوربین تصویر‌برداری از گونه‌ی Full Frame مورد استفاده واقع شود. در هنگامیکه لنز در ساختار دوربینی با حسگر کوچکتر از حسگر قطع ۳۵ میلی‌متری یا Full Frame به کار برده شود، زاویه دید محاسبه شده عوض می‌شود و فاصله کانونی حقیقی این لنز برابر با آن مقدار که بر روی آن حک گردیده است نخواهد بود.

در هنگامیکه این اتفاقات به وقوع می‌پیوندد، می‌توان به منظور محساسبه کردن فاصله‌ی کانونی واقعی لنز، بوسیله‌ی ضرب نمودن ضریب برش در میزان فاصله‌ی کانونی حک شده بر روی لنز اقدام نمود. برای روشن‌تر شدن موضوع یک مثال را بیان می‌نمائیم. فرض نمائید که یک لنز با فاصله‌ی کانونی ۸۵ میلی‌متر بر روی دوربین عکس‌برداری Nikon که دارای حسگر از نوع APS-C می‌باشد مورد استفاده واقع شود، فاصله‌ی کانونی حقیقی بواسطه‌ی ضرب نمودن ضریب برش دوربین که در این نسخه معادل با ۱.۵ است در فاصله‌ی کانونی حک‌ شده بر روی لنز یعنی رقم ۸۵ بدست می‌آید که در این مورد برابر با ۱۲۷.۵ میلی‌متر می‌باشد. عدد بدست‌آمده بیانگر این موضوع است که استفاده از لنزی ۸۵ میلی‌متر در دوربین Nikon با حسگر APS-C،‌ زاویه‌ی دیدی برابر با استفاده از لنزی ۱۲۷.۵ میلی‌متر بر روی یک دوربین تمام کادر ایجاد می‌کند.

توصیه‌ی اکید به خریداران دوربین‌های عکس‌برداری اینست که اگر محصولی که قصد تهیه‌ی آن را دارند جزء دوربین‌های تمام کادر نمی‌باشد، با بهره‌گیری از جداول استانداردی که وجود دارد، ضریب برش آن را محاسبه نموده و برای استفاد‌ه‌های بعدی حفظ نمایند.

گونه‌های متفاوت حسگر در دوربین‌های دیجیتال امروزی

حسگر CCD: این دسته نخستین حسگرهایی بودند که بر روی دوربین‌های دیجیتال نصب و به کارگیری شدند. CCD مخفف عبارت Charged Coupled Device به معنی وسیله‌ی شارژ متصل به هم می‌باشد. دلیل این نامگذاری تشکیل شدن این حسگرها از یک مدار پیوسته و متصل به هم بر روی یک لایه از جنس سیلیکون می‌باشد. این حسگرها در مقام قیاس با حسگرهای CMOS که یک حسگر رایج در دوربین‌های دیجیتال می‌باشد دارای محدوده‌ی داینامیکی وسیع‌تر و در نتیجه‌ نویز کمتر می‌باشد. حسگر مذکور هم‌اکنون بیشترین کاربرد را در دوربین‌هایی با قطع متوسط دارد.

حسگر Super CCD: در حسگرهای ذکرشده، سلول‌های نور به گونه‌ای کنار هم جای‌گیر شده‌اند که شکلی مانند شکل لانه‌های زنبور در کنار هم را می‌سازند. اینگونه قرارگرفتن سلول‌ها دارای مزیت‌های بیشماری می‌باشد که از آن‌ جمله می‌توان به واکنش سریع‌تر و دقیق‌تر سلول‌ها به نور و در نهایت افزایش وضوح و کیفیت عکس‌های ثبت شده توسط دوربین اشاره نمود که همه‌ی این موارد تنها به واسطه‌‌ی شکل لانه‌زنبوری سلول‌ها ممکن شده است.

تصویربرداری در محیط‌های تاریک همانند شب و عکسبرداری از ستاره‌ها، از طریق حسگرهای CCD امکان‌پذیر نمی‌باشد. چراکه در این مکان‌ها باید به مدت طولانی نور به سطح حسگر تابیده شود که در این نوع از حسگرها امکان‌پذیر نمی‌باشد. بصورت کلی‌ و بر روی کاغذ می‌توان گفت که حسگر CCD بهتر از CMOS عمل می‌نماید ولی در آزمایشاتی که توسط ما انجام گرفته است، نتیجه برعکس بود.

حسگر CMOS: این حسگرها برای ایجاد عکس در دوربین‌های عکاسی دیجیتال با کیفیتی پائین‌تر از حسگر CCD عمل می‌نماید اما ایحاد تصویر در آن راحت‌تر بوده، کمتر به انرژی الکتریکی نیازمند است و در تصویربرداری‌های متوالی بصورت سریع عملکرد مناسب‌تری دارد. در شرایط نوردهی گوناگون کارکرد حسگر مذکور بهتر است. حسگر CMOS بعنوان جدی‌ترین رقیب حسگر CCD به حساب می‌آید به شکلی که در تولیدات الان دوربین‌های SLR و دوربین‌هایی با قطع کوچک از این حسگر در ساختار دوربین بهره برده می‌شود.

حسگر Foveon X3

این حسگر بصورت وسیع‌تر در دوربین‌های نوع کامپکت و نوع DSLR شرکت Sigma مورد استفاده واقع می‌شوند. این حسگرهای نوین براساس تکنولوژی به کار رفته در حسگرهای CCD ساخته شده است. در حسگر مذکور، فیلترهای رنگی با بهره‌گیری از نحوه‌ی چیدمان بایر مورد استفاده نیست بلکه در عوض از تعداد سه لایه از جنس سیلیکون بر روی یکدیگر استفاده می‌شود که برطبق جذب کردن امواج با طول موج‌های گوناگون عمل می‌نماید به این صورت که امواجی که دارای طول موج کوتاه‌تر می‌باشند در لایه‌های بالائی و امواجی که دارای طول موج بلند‌تر می‌باشند در لایه‌های زیرین جذب می‌گردند. در سیستم مذکور هر فوتوسایت قادر است که تمامی سه رنگ اصلی را تشخیص دهد و دیگر لزومی ندارد فیلترهای رنگی به شیوه‌ی موزائیکی بر روی آن‌ها جای داده شوند. حسگر‌های Foveon X3 قادر هستند که تصاویری با وضوح بیشتر نسبت به سایر حسگرها تولید نمایند.

حسگر Live MOS

این حسگر در دوربین‌های دیجبتال تصویربردار با بر‌ند‌های Panasonic, Olympus , Leicia بصورت رسمی از سال ۲۰۰۶ مورد بهره‌گیری قرار می‌گیرد. حسگرهای مذکور بیشتر در اندازه‌ی چهار سوم (3/4″) کاربرد دارند. براساس آنچه که سازندگان این حسگر مدعی آن هستند با استفاده از Live MOS کاربران از کیفیتی معادل CCD و مصرف انرژی معادل CMOS بهره‌مند خواهند شد.

اثرگذاری ابعاد و گونه‌ی حسگر بر لنز دوربین دیجیتال

در زمانیکه نگاتیو مورد استفاده قرار می‌گرفت؛ سخنی از حسگر، دوربین‌های کادر تمام و یا دوربین‌های Half Frame نبود. برای آن دسته که اطلاع ندارند، قطع نگاتیو همانند قطع دوربین‌های تمام کادر بود. در اوایل به بازار آمدن حسگرها، هنوز هم دوربین‌های تمام کادر و … مطرح نبودند. در لنزی که به منظور استفاده در نگاتیو یا تمام کادرها تولید شده است اگر از حسگر کوچکتر از فول فریم بهره‌ گرفته شود روی میزان فاصله کانونی لنز اثرگذاز خواهد بود. در نتیجه‌ی این امر لنز‌هایی که فاصله‌ی کانونی آن‌ها برحسب حسگری که در دوربین استفاده شده است، تولید شد. بعنوان نمونه حسگرهای مورد استفاده در دوربین‌های نوع کامپکت، فاصله‌ی کانونی ضریب ۶ را نمایش می‌دهند. برای روشن‌تر شدن موضوع تصور نمائید که یک لنز ۷۰-۲۰۰ را که مخصوص دوربین‌های تمام کادر ساخته شده است بر روی یک دوربین از نوع کامپکت مورد استفاده قرار دهیم، محدوده‌‌ی فاصله‌ی کانونی برابر با ۴۲۰-۱۲۰۰ خواهد بود. در نتیجه تعجب‌برانگیز نخواهد بود اگر هنگامیکه در یک دوربین کامپکت اگر شاهد فاصله‌ی کانونی ۴۰ باشیم، در توضیحات آن عبارت اولترا به چشم بخورد.