نحوه کارکرد حسگر ( سنسور ) در دوربین های عکاسی دیجیتال <br>Camera Sensor Function
نحوه کارکرد حسگر ( سنسور ) در دوربین های عکاسی دیجیتال
Camera Sensor Function

نحوه کارکرد حسگر ( سنسور ) در دوربین های عکاسی دیجیتال
Camera Sensor Function

 
حسگر تصویر یا سنسور (Sensor) بخشی از دوربین است که نور را دریافت و به صورت الکترونیکی به پردازشگر دوربین انتقال می دهد.

نوری که توسط حسگر (سنسور) دریافت می شود در نهایت پردازش گردیده و به صورت یک فایل تصویری 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 ها و انواع مختلف موجود می باشد.

کارکرد سنسور 1

مسیر عبور نور در داخل دوربین عکاسی دیجیتال

ساختار سنسور دوربین (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 است. البته بطور شایع از لفظ پیکسل به جای فوتوسایت نیز استفاده می شود. هر سنسور از چندین میلیون فوتوسایت تشکیل شده است.
هر فوتوسایت یک واحد حساس به نور است که فوتون های نوری را که به سطح آن برخورد می کند، 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.
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، سبز و قرمز (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.

کارکرد سنسور 2

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

شایعترین نحوه چیدمان فیلترهای رنگی بر روی خانه های فوتوسایت به این صورت است که فیلترهای سه رنگ اصلی (آبی B، سبز G و قرمزR) 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 رنگ سبز بیشتر از دو رنگ دیگر حساس است. بیشتر بودن رنگ سبز موجب می شود میزان نویز (Noise) تصویر کمتر شود و در نهایت تصویر دارای جزئیات بیشتری باشد.
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.

کارکرد سنسور 3

نحوه قرارگیری میکرولنزها بر روی فوتوسایت ها

فیلتر های تصحیح فرکانس و حذف مادون قرمز
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. به همین علت به این فیلترها، فیلترهای پایین گذر نوری (OLPF) می گویند. برای کنترل فرکانس های نامطلوب در امواج نوری معمولا بر روی سنسورها دو عدد از این فیلترها قرار داده می شود.
استفاده از این فیلتر با ایجاد اندکی تاری (Blur) در تصویر، به میزان خیلی کم موجب کاهش تیزی (شارپنس) تصویر می شود. این فيلتر 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) فیلتر دیگری است که عموما بر روی سنسور تعبیه می گردد و کار آن این است که میزان زیادی از امواج مادون قرمز موجود در نور را قبل از اینکه به سنسور برسند حذف نماید. نورهای مادون قرمز می توانند بر روی کیفیت تصویر و ایجاد رنگ های غیرطبیعی تاثیر بگذارند.

کارکرد سنسور 4

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 یا دامنه پویایی (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.

کارکرد سنسور 5

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 داشتند، 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 36x24mm است. اندازه بقیه سنسورها معمولا نسبتی از آن را تشکیل می دهند.

سنسور های با قطع APS-C اندازه ای معادل 23.6x15.8mm (در مدل های Nikon) و یا 22.2x14.8mm (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 27.9x18.6mm بود که امروزه کاربرد کمتری دارند.

کارکرد سنسور 6

مقایسه اندازه سنسور در دوربین های قطع کوچک

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 18x24mm ) 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.
اصولا اصطلاحی که در حوزه عکاسی دیجیتال برای سنسورهای کوچکتر از سنسورهای تمام قاب (Full Frame) بکار می رود، اصطلاح کراپ سنسور (Crop Sensor) به معنی سنسور برش خورده است.

کارکرد سنسور 7
ضریب برش در سنسورها
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 24x36mm 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.
به عنوان مثال سنسورهای با قطع APS-C در دو مدل دوربین ساخت شرکت های کانن و نیکون دارای ضریب برش متفاوتی می باشند. اندازه سنسور در مدل های Nikon معادل 23.6x15.8mm و در مدل های Canon معادل با 22.2x14.8mm می باشند. ضریب برش (کراپ فاکتور) در سنسورهای APS-C در دوربین های Nikon معادل 1.5x و در دوربین های Canon معادل 1.6x می باشد.

کاربرد ضریب برش عمدتا برای اصلاح عدد فاصله کانونی لنز ها می باشد وقتی که بر روی دوربین های Crop Sensor نصب شده اند.
برای توضیح بیشتر، به این موضوع توجه کنید که عدد فاصله کانونی همه لنزها بر اساس دوربین های تمام کادر (فول فریم) تعیین شده اند و این عدد در کارخانه بر روی آنها حک می گردد. فاصله کانونی یک لنز به نوعی نشان دهنده زاویه دید آن لنز می باشد.

کارکرد سنسور 8

عدد فاصله کانونی لنزها بر روی آنها حک شده است.

بنابراین عدد فاصله کانونی که روی لنز حک شده است وقتی واقعی می باشد 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 استفاده، می توان عدد واقعی فاصله کانونی لنز برای آن دوربین را مشخص کرد. به این صورت که ضریب برش را در فاصله کانونی لنز مورد نظر ضرب نموده و عدد واقعی فاصله کانونی بدست می آید.
مثلا اگر یک لنز 85 میلیمتری را بر روی یک دوربین عکاسی نیکون با سنسور APS-C نصب کرده ایم، با توجه به اینکه ضریب برش دوربین مذکور 1.5 است، بنابراین 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.

کارکرد سنسور 9

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

انواع سنسورها در دوربین های عکاسی دیجیتال

سنسور CCD
سنسورهای 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. وجود تکنولوژی پیچیده تر برای ساخت آنها و نیاز به منبع برق قوی تر، استفاده از آنها را امروزه کمی محدود نموده است.
سنسورهای 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 هستند. این نوع سنسور امروزه بیشتر در دوربین های قطع متوسط بکار می رود.

کارکرد سنسور 10

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.

کارکرد سنسور 11

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.

کارکرد سنسور 12

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.

کارکرد سنسور 13

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
گردآوری و تألیف: امیر دولتیاری
 تاریخ نگارش/آخرین ویرایش: 1398/7/28
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
مراجع:

1_Matt Golowczynski (2016). Digital camera sensors explained, Retrieve from www.whatdigitalcamera.com on Sep 24
2_Sean McHugh (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.

 


نظرات کاربران

امیرحسین
۱۳۹۹/۰۳/۲۵

بسیار جامع ، ممنونم ازتون استفاده کردم

امیر دولتیاری
۱۴۰۰/۰۶/۱۸

موفق باشید.


فرشادآذرهوشنگ
۱۳۹۹/۱۰/۲۴

باسلام بجایی که سنسورمیکرم4/3می ساختند همان4/3را می ساختند که لنز 4/3 به بدنه لنز سازگاری داشت منظورم المپوس می باشد حالا اگر مانت این دوربینهای 4/3 به المپوس سازگاری دارنند من این موضوع را برای کارخانه المپوس درژاپن برای مدیر عامل شرکت نوشتم حالا بدنه 4/3 ساخته شده ولی در بازار موجود نیست شرکت نیکاسون هم مورد بی اطلاعی می کند. متشکرم فرشادآذرهوشنگ هستم از رشت پیام را ارسال می کنم درموردتوضیح سنسورها کاملا زیر بم ماجرا راتوضیح دادید ازتوضیحتان کمال تشکر رادارم  ایمیل اینجانب farshadazarhoshang@Gmail.com میباشد.

امیر دولتیاری
۱۴۰۰/۰۶/۱۸

با سپاس از توجه و توضیحات شما، موفق باشید.


حبیب میری
۱۴۰۰/۰۴/۰۶

بسیار مفید بود

امیر دولتیاری
۱۴۰۰/۰۶/۱۸

موفق باشید.


سعید
۱۴۰۰/۰۹/۱۵

ممنونم ،بسیار مطلب آموزنده ای است . موفق باشید

امیر دولتیاری
۱۴۰۰/۱۰/۲۷

سپاس، موفق باشید.



نام را وارد کنید
تعداد کاراکتر باقیمانده: 500
نظر خود را وارد کنید

.Copyright © 2017 taklens.ir. All Rights Reserved

صفحه اینستاگرام: taklens.akaskhaneh@
کانال تلگرام: taklens_channel@