همه چیز درباره سنسور دوربین‌های دیجیتال

سنسور دوربین‌های دیجیتال

قلب هر دوربین دیجیتال، سنسور آن است، یک مدار یک‌پارچه یا تراشه نیمه هادی، که برای ثبت تصویر از میلیون‌ها مخزن نور یا فوتوسایت استفاده می‌کند. وقتی شما دکمه شاتر را فشار می‌هید و نوردهی آغاز می‌شود، هر کدام از این مخازن فعال شده، و شروع به جذب فوتو‌ن‌های نوری می‌کند، که سرانجام به صورت سیگنال الکترونیکی ذخیره خواهد شد. هر چه نور بیشتر باشد، فوتون‌های بیشتری جذب می‌شود و هر چه فوتون‌ها بیشتر باشد، بار الکترونیکی قوی‌تری تولید خواهد شد. (تعداد فوتوسایت‌ها با تعداد پیکسل‌ها سنسور دوربین برابر است) هنگامی که نوردهی به اتمام رسید، دوربین فوتوسایت‌ها را می‌بندد و شمارش فوتون‌های جذب شده را برای محاسبه به سیگنال‌های الکترونیکی آغاز می‌کند. سیگنال‌ها با فرآیندی که با نام «بیت ریت» شناخته می‌شود، به مقادیر دیجیتالی تبدیل خواهد شد. که نتیجه و دقت این محاسبه بر اساس حجم یا فرمت فایل انتخابی و نحوه فشرده سازی عکس بستگی دارد. (۰-۲۵۵ برای یک تصویر Jpeg 8-bit  ).

مخزن‌های نور

در تصویر بالا، فقط تصویری Grayscale ثبت خواهد شد. چرا که حفره‌ها به تنهایی توانایی تشخیص و تفکیک طیفهای نوری بر اساس رنگ آن را ندارند. برای ثبت عکس رنگی، باید یک فیلتر بر روی مخزن ذخیره قرار بگیرد که بتواند فقط یک رنگ نور مشخص را جذب و ذخیره کند. تقریبا تمام دوربین‌های دیجیتال فعلی، فقط می‌توانند یکی از سه رنگ اصلی را در مخزن‌های ذخیره خود جذب کنند. و در نتیجه دو سوم نور ورودی را از دست خواهند داد! در نهایت، برای داشتن رنگ کامل در هر پیکسل، دوربین باید رنگ‌های دیگر را به صورت تقریبی محاسبه کند. متداول‌ترین چیدمان فیلتر رنگی آرایه Bayer نام دارد که در تصویر ذیل می‌بینید.

فیلتر رنگی روی فوتوسایت

آرایه Bayer ، از ردیف‌های منظم با رنگ‌های قرمز-سبز و سبز-آبی تشکیل شده است. هر رنگ جلوی دریافت نورهای رنگی مخالف را می‌گیرد. اگر توجه کنید؛ فیلتر سبز Bayer دو برابر فیلترهای آبی و قرمز است. چرا که چشم انسان حساسیت بیشتری به نور سبز دارد تا به نورهای آبی و قرمز. افزایش پیکسل‌های سبز، ثبت تصویری با نویز کمتر و جزئیات بیشتر را امکان‌پذیر می‌کند، برای همین است که نویزها در کانال سبز بسیار کمتر از دو کانال دیگر است. (البته در صورتی که جذب در هر کانال یکسان باشد میتواند این فرآیند بسیار بهتر انجام شود!)

آنچه دوربین شما می‌بیند

Bayer تنها فیلتر رنگی مورد استفاده در دوربین‌های دیجیتال نیست، الگوهای دیگری هم هستند که از هر سه رنگ به مقدار مساوی استفاده می‌کنند مانند سنسورهای Foveon. (الگوهایی هم وجود دارند که ممکن است رنگ چهارم هم داشته باشند!)

الگوریتم بیر

الگوریتم Bayer

این فرآیند، ردیف‌های Bayer را به رنگ‌های اصلی ترجمه کرده و تصویر نهایی را که شامل اطلاعات تمام رنگی درهر پیکسل است را تولید می‌کند. در واقع ردیف‌های قرمز، سبز و آبی به صورت تکی محاسبه نمی‌شود، بلکه به صورت ردیف‌های رنگی ۲×۲ محاسبه خواهند شد. البته بیشتر دوربین‌ها برای استخراج اطلاعات رنگی از یک ردیف رنگ، یک مرحله فراتر پیش می‌روند. اگر دوربین بتواند چندین لایه ۲×۲ را کنار هم پردازش کند به تصویری با رزولوشن بالاتر، نسبت به یک لایه ۲×۲ خواهد رسید. در واقع ادغام این لایه‌های ۲×۲ کنار هم اطلاعات تصویری بسیار بیشتری را ممکن می‌سازد.

میکرولنز

آرایه میکرولنز

شاید این سوال پیش آید، که چرا در عکس اول، مخزن‌های ذخیره کاملا در کنارهم چفت نشده‌اند، در واقع، تمام سطح یک سنسور دیجیتال از فوتوسایت‌ها تشکیل نشده است، بلکه مقداری از فضای آن به دیگر مدارهای الکترونیکی اختصاص یافته است، هر مخزن، برجستگی شبیه قله را در کنار خود دارد تا بتواند فوتون‌های بیشتری را به درستی درون خود هدایت کند. سنسورهای دیجیتالی برای تقویت دریافت فوتون‌ها از یک لایه میکرولنز روی هر فوتو‌سایت استفاده می‌کنند. این لنزها شبیه یک قیف، فوتون‌ها را به سمت فوتوسایت‌ها هدایت می‌کنند. طراحی بهتر این میکرولنزها می‌توانند کیفیت سیگنال‌های هر فوتوسایت‌ را به مراتب افزایش دهد. و مسلما، در شرایط نوری مشابه تصویری با نویز کمتر را ثبت کند. اخیرا شرکت‌های سازنده سنسور با رزولوشن بالا پیشرفت‌های زیادی در ضمینه طراحی هر چه بهتر سنسورها و میکرولنزها داشته‌اند، این سنسورها علی‌رغم سایز کوچکتر فوتوسایت‌ها (به علت افزایش مگاپیکسل) تصویری با کنترل نویز بسیار خوب ثبت می‌کنند.

منبع: https://www.cambridgeincolour.com