اجزای دوربین دیجیتال 2- کارکرد و نظافت سنسورها

نحوه کار سنسورهای تصویری

سطح سنسورهای تصویری با سلول های نوری (Photo Sites, Photocells ) پوشیده شده است. این سلول ها به نور حساس بوده و با دریافت فتون های نور، ولتاژ الکتریکی تولید می کنند. میزان این ولتاژ بستگی به شدت نور یا همان فتون های دریافت شده توسط یک سلول دارد. البته معمولا سلول های نوری، کل سطح سنسور را اشغال نمی کنند و سایر بخش های الکترونیکی در فاصله بین آنها می نشیند.

این سلول ها در فواصل بسیار کوچک بوده و اندازه آنها کسرهای بسیار کوچکی ار میلی متر هستند. برای اینکه دریافت نور توسط بخش هایی که دارای سلول نوری است، بهبود یابد، معمولا روی این سنسورها میکرولنزهایی نصب می شود که نور را به سمت سلول های نوری هدایت می کند.

ولتاژ ثبت شده، توسط بخش پردازشگر (Processor) مانند پردازشگر DIGIC 4 در دوربین Canon اندازه گیری، تفسیر و پردازش شده و برای ثبت به بخش حافظه منتقل می شود. پردازشگرها ممکن است در بدنه دوربین و یا در خارج از دوربین مثلا در عقبه دیجیتال قرار گرفته باشند. اطلاعات ثبت شده توسط بعضی از دوربین ها آنقدر زیاد است که جهت پردازش، دوربین باید به کامپیوترهای قدرتمند متصل شده باشد.

با توجه به توضیح فوق، سلول های نوری فقط قابلیت شمارش فتون ها یا دریافت روشنایی را دارند و قادر به ثبت رنگ ها نیستند. لذا برای اینکه تصویر ثبت شده توانایی ثبت رنگ و دقت کافی را داشته باشند، کمپانی های مختلف از تکنیک ها و فرآیندهای متفاوتی استفاده می کنند. اما چیزی که در اغلب آنها مشترک است استفاده از فیلترهای رنگی است که قادر به عبور دادن رنگ خود و جذب رنگ های دیگر هستند.

در ادامه به دو مورد از این روش ها اشاره می شود.

در روش اول، فیلترهای رنگی به گونه ای قرار می گیرند که هر سلول تنها امکان ثبت یکی از رنگ های اصلی را دارد بنابراین اطلاعات مربوط به رنگ های اصلی دیگر را نمی تواند ثبت کند. وقتی که عکس خام ثبت می شود، هر سلول حاوی اطلاعات مربوط به یک رنگ اصلی است، حال آنکه آن سلول بخشی از واقعیت را ثبت کرده که ممکن است حاوی ترکیبی از سه رنگ اصلی باشد و نه یک رنگ خالص.

در این روش، طی فرآیندهای پیچیده ای، میزان رنگ های اصلی دیگر در هر سلول با در نظر گرفتن رنگ سلول های مجاور، تخمین زده می شود. قطعا با توجه به اینکه در این روش، اطلاعات رنگی به طور کامل ثبت نشده و تخمین زده می شوند، دستیابی به فرآیندها و تکنیک های دقیق بسیار دشوار و تعیین کننده است.

برای قرار دادن فیلترهای رنگی روی سطح سنسور، از آرایش های گوناگونی استفاده می شود. یکی از رایج ترین این آرایش ها، مدل آرایش BAYER یا BAYER array یا GRGB است؛ یعنی به ازای هر فیلتر قرمز و آبی، دو فیلتر سبز مورد استفاده قرار می گیرد. (چشم انسان به سبز حساس تر است). به فرآیندی که در آن رنگ های نهایی هر پیکسل در چیدمان Bayer تخمین زده می شود،Bayer Demosaicing گفته می شود.

سازندگان از روش های مختلفی در آرایش فیلترها و فرآیندهای تخمین رنگ استفاده می کنند که در آنها سعی دارند دقت رنگ ها و کیفیت را افزایش دهند.

روش دوم نوعی از تکنولوژی است که در سنسورهای Foveon X3 مورد استفاده قرار می گیرد و در حال حاضر در اختیار کمپانیSigma است. در این تکنولوژی در هر پیکسل، اطلاعات مربوط به تمام رنگ های اصلی ثبت شده و نیازی به تخمین اطلاعات رنگی از طریق سلول های مجاور نیست. در این سنسورها، کل سطح سنسور CMOS توسط سه لایه از فتو دیودها پوشیده شده است که هر کدام به طول موج یکی از رنگ های اصلی حساسند.

از آنجا که میزان نفوذ طول موج های مختلف در سیلیکون سنسور متفاوت است، فتو دیودها در لایه اول، طول موج با کمترین حد نفوذ را ثبت کرده در حالی که سایر طول موج ها به لایه های بعدی نفوذ می کنند و توسط فتو دیود مربوطه ثبت می شوند. با توجه به اینکه وجود فتو دیود در یک لایه مانع نفوذ طول موج ها به لایه های زیرین نمی شود، روی هر پیکسل سه نوع فتو دید، هر یک با حساسیت به یکی از رنگ های اصلی نصب می شود. در نتیجه هر پیکسل، اطلاعات مربوط به هر سه رنگ اصلی (RGB) را دار است.

همان طور که در شکل فوق دیده می شود، رنگ آبی از حداقل قدرت نفوذ برخوردار است، در نتیجه فتو دیودهای سطحی، به طول موج رنگ آبی حساسند و قدرت نفوذ رنگ قرمز از همه بیشتر است در نتیجه فتو دیودهای لایه آخر نسبت به طول موج رنگ قرمز حساسند و فتو دیودهای میانی به رنگ سبز حساسند.

نظافت سنسور

در زمان تعویض لنز خصوصا در مکان هایی که گرد و خاک و ذرات معلق زیاد هستند و باد زیادی می وزد، امکان نشستن گرد و غبار روی لایه سطحی سنسور که معمولا فیلتر Low-Pass است بسیار زیاد می شود. این گرد و غبار، خصوصا اگر زیاد و نسبتا درشت باشند، خود را در تمام عکس هایی که عکاس می گیرد نشان داده و از کیفیت عکس ها می کاهد. از این روست که اطمینان عکاس از تمیز بودن و نظافت سنسور از اهمیت بالایی برخوردار است.

عکاس می تواند با گرفتن عکس از سوژه ای با رنگ یکنواخت و روشن مانند آسمان یکدست یا یک صفحه روشن یا دیوار سفید و یا حتی با گرفتن عکس بدون لنز در نور کافی از تمیزی و میزان غبار و ذرات روی سنسور آگاه شود. در این حالت ذرات خود را به خوبی و به صورت لکه های تیره، نشان می دهند.

سازندگان نیز برای اینکه احتمال کثیف شدن سنسور را به حداقل برسانند از روش های بسیار متنوع و موثری استفاده می کنند. به طور کلی نظافت سنسور یا به طور اتوماتیک یا به طور دستی صورت می گیرد. در ادامه به برخی از روش ها و تمهیدات متداول اشاره می شود. (منبع نکات زیر کتاب The Text Book of Digital Photography, Second Edition, Dennis P. Curtin, 2007) است.

- کاهش تولید غبار و ذرات در دوربین؛ بسیاری از سازندگان سعی می کنند در ساخت دوربین ها و اجزای آنها از مواد و مکانیسم هایی استفاده کنند که خود حداقل غبار و ذرات دیگر را تولید کنند.

- دشوار کردن شرایط برای نشستن غبار روی سنسور؛ روی سطح خارجی سنسورها از لایه های ضد غبار استفاده می شود که احتمال نشستن ذرات و غبار روی سطح سنسور را کاهش می دهد.

- دفع کردن ذرات و غبار؛ با استفاده از بار آنتی استاتیک، از به وجود آمدن الکتریسته ساکن و جذب غبار جلوگیری کرده و غبار را دفع می کنند.

- تکاندن غبار از سطح سنسور؛ با اضافه کردن ساختاری که با استفاده از امواج مافوق صوت در سطح سنسور لرزش ایجاد کرده و باعث تکاندن ذرات و غبار از سطح سنسور می شود، ذرات تکانده شده به بخشی در قسمت پایین سنسور ریخته می شود و به گونه ای طراحی شده که از بلند شدن مجدد آن ذرات جلوگیری می کند.

- خارج کردن ذرات از فوکوس؛ معمولا فیلتر Low-Pass از دو لایه تشکیل شده که می توان لایه رویی را با فاصله ای از لایه زیرین نصب کرد. در این حالت فاصله بین لایه سطحی و سنسور باعث می شود که گرد و غبار از حالت فوکوس خارج شده و خود را کمتر در عکس نشان دهد.

- با پردازش می توان اثر ذرات و غبار را کم کرد؛ در این حالت با انجام تنظیمات مربوطه در منوی دوربین و عکس گرفتن از یک سوژه یکنواخت روشن مثل یک صفحه سفید، دوربین می تواند محل ذرات را تشخیص داده و الگویی از محل این ذرات را در اطلاعات جانبی فایل عکس (Metadata) ذخیره کند. حال زمانی که عکس در برنامه همراه دوربین باز می شود، برنامه با استفاده از این الگو، می تواند اقدام به شناسایی و کاهش اثر این ذرات در عکس کند.

- نظافت سنسور به صورت دستی؛ در زمانی که راه های بالا کافی نیستند، باید ذرات به صورت دستی و غیر اتوماتیک از سطح سنسور تمیز شوند. با توجه به اینکه سنسورها بسیار حساس هستند، نظافت آنها نیاز به دقت و استفاده از موادی دارد که کاملا مخصوص این کار هستند. برای نظافت دستی، عکاس یا می تواند به مراکز سرویس دوربین مراجعه کند یا خود مبادرت به این کار کند. در زمانی که عکاس خود اقدام به تمیز کردن می کند، می تواند تنظیمات مناسب را در منوی دوربین انجام دهد تا آینه بالا رفته و شاتر باز باشد تا از سر راه سنسور کنار بروند. سپس با استفاده از مواد و ابزار مخصوص اقدام به نظافت کند. عکاس نباید از مایعات نظافت معمول یا هوای فشرده برای نظافت سنسور استفاده کند.

البته خود عکاس نیز باید تا حد ممکن در محافظت سنسور از گرد و غبار تلاش کند. مثلا از تعویض لنز در زمانی که در محل پر گرد و غبار و با باد زیاد است، خودداری کند و یا اگر ناچار شد پشت به باد بایستد و دوربین را در زمانی که لنز روی آن نیست، به صورت سر پایین نگه دارد. در زمان جابجایی لنز نیز از تمیز بودن اتصالات و بخش های داخلی اطمینان حاصل کند.

منابع مورد استفاده

گرد آورنده و مترجم: مهران ارغوان