تکنولوژی سنسورهای تصویر CMOS کانن

ترجمه: مسعود قدیری کیفیت عکس: یکی از مشخصه های مهم یک عکس رزولوشن بالاتر آن است و رزولوشن بالاتر به معنی جزئیات بیشتر در عکس است که موجب می‌شود در هنگام بزرگ کردن عکس‌ها، کمتر از کیفیت اصلی خارج شوند. همچنین عکس‌هایی که با سنسورهایی با فریم کامل (35mm) گرفته شوند، باز هم دارای وضوح بالاتری می‌باشند که قابلیت چاپ آنها تا سایزهای بسیار بزرگ پوستری را فراهم می‌آورد. علت این امر بعدا شرح داده می‌شود. سایه ونور CMOSها دارای محدوده دینامیکی بسیار بالاتری نسبت به دیگر سنسورها هستند. (WDR) محدوده دینامیکی وسیع، مقیاسی برای نشان دادن درجه رقیق شدن از سایه به روشنایی است. اگر با دوربینهای دیجیتال معمولی، از منظره ای عکس بگیرید که در آن کنتراست بالا است (تفاوت زیاد بین روشنایی و سایه) و ضمنا فوکوس و نورسنجی دوربین بر روی نقاط روشن باشد؛ نقاط سایه یا سیاه می‌شوند ویا جزئیات آن به شدت کاهش می یابد. همچنین اگر نور سنجی بر روی سایه باشد، نقاط پرنور کاملا سفید می‌شود و در حد میان سایه و نور، نویز به وجود می آید. با دراختیار داشتن محدوده دینامیک وسیع، میزان سیاهی در سایه و سفیدی در روشنایی به حداقل می‌رسد.در طبیعت نور و رنگ دارای تنوع زیادی می‌باشد. حذف پرشهای غیر طبیعی نور ورنگ در عکس و تولید تغییرات همواری از رنگها و سایه ها، یک پارامتر اساسی برای تولید یک تصویر دقیق است. دوربین‌های SLR کانن، رنگها را از میان اطلاعات بدست آمده از فیلتر رنگهای اولیه RGB و سنسور CMOS دریافت نموده و آنها را جهت پردازش به پردازنده تصویر راندمان بالای خود؛ DIGIC II می‌سپارند. سنسورهای CMOS کانن این توانایی را دارا هستند که رنگهای صحیح را به پردازنده تصویر برسانند، و در نتیجه، رنگها و سایه‌های ظریفی را در عکسها ایجاد نمایند. کاهنده نویز نادرستی در رنگ و نویز برکیفیت عکس تأثیر گذارند؛اما توسط نرم افزارها تصحیح می‌شوند که بسیار وقت گیر می‌باشد و باعث کاهش شارپنس تصویر می شود.نادرستی رنگ از جمله نقصهای ذاتی ‌است که بر روی سنسورهای تک صفحه رایج است. با ساخت CMOS این مسأله به حداقل رسیده است.این کار به وسیله تکنولوژی پیشرفته کاهش نویزی انجام می‌شود که شامل سه لایه پیچیده فیلتر پایین گذر و پردازنده تصویر Digic II می‌شود. پی آمد نویز به صورت دانه هایی در نقاط سایه و روشن دیده می‌شود. یکی دیگر از مشکلات ناشی از رنگهای نادرست، زمانی به وجود می آید که از اجسام و یا صفحات شطرنجی با فرکانس تکرار بالا عکاسی می کنیم. در اینگونه صفحات فرکانس نور بالاتر از فرکانس تکرار فیلتر هایRGB است. در فیلترهای پایین گذر سنسورهای CMOS کانن، نور بصورتی عبور داده می‌شوند که توانایی ایجاد رنگ صحیح را داشته باشد. پشت زمینه های بلور به وجود آوردن پشت زمینه بلور در پرتره ها از‌ خصوصیات منحصر به فرد دوربین‌های SLR می‌باشد.این مشخصه با دیافراگم و فاصله کانونی تنظیم می‌شود.در دوربینهای دیجیتال اندازه سنسورها درمقدار بلور بودن مؤثر است. زیرا سنسورهای بزرگ توان ارائه عمق میدان بهتر را دارا میباشند. کیفیت در دیجیتال SLR فقط به دلیل تعداد پیکسل‌ها و اندازه سنسور ها نیست. مسلمأ دو دوربین با یک تعداد پیکسل، آن که سنسور بزرگتری داشته باشد؛ بخاطر محدوده دینامیک بالاتر، حساسیت ببیشتر و نسبت سیگنال به نویز ( S/N) بزرگتر، تصویر بهتری ارئه می‌کند. نسبت سیگنال به نویزS/N، مقیاس نشان دادن تمیزی سیگنال دریافتی از سنسور است. بیشتر بودن این مقدار یعنی نویز کمتر و سیگنال تمیزتر. دوربینهایی که دارای سنسورهای CMOS بزرگتر هستند به علت داشتن حساسیت زیاد و نویز کمتر، می توانند برای عکس بردار از اجسام در حال حرکت و جنبش سریع در مکانهای کم نور با حساسیت بالا مفید باشند. سنسورهای کانن برکاهنده های بسیار قوی نویز تکیه می کنند تاعکسهایی باکیفیت بالا در حساسیت بالا ارئه دهند. سنسورهای بزرگتر توان ارئه تصاویر باکیفیت تری را نسبت به سنسورهای کوچکتر دارا هستند.این کیفیت به واسطه فتودیودهای بزرگتر در این سنسورها امکان پذیراست. ارتبا میان کیفیت و سنسور و پیکسل را می توان به سطلهای بزرگتر آب نسبت به سطلهای کوچکتر تشبیه کرد. سطل بزرگتر نسبت به سطل کوچکتر، برای جمع آوری آب عملکرد بهتری دارد و در زمانی کمتر، آب بیشتری را جمع می کند. فتودیودها در اینجا نور را جمع می‌کنند. سنسورهای نوری CMOS نه تنها نور راجذب می‌کنند، بلکه دارای یک مکان ویژه در کنار هر فتودیود برای نگهداری شارژ الکتریکی نیز هستند. اگر پایانه‌های جذب نور پنج برابر بزرگتر شوند، می‌توانند پنج برابر نور بیشتر را با همان میزان نوردهی در خود ذخیره کنند. پس سنسور بزرگتر یعنی پیکسلهای بزرگتر و در نتیجه حساسیت بیشتر. سطلهای بزرگ با دهانه های بازتر و قیفی میتوانند باز هم آب بیشتر در زمان کمتری در خود جای دهند.کانن از این تکنیک برای ساخت سنسورهای سی موس استفاده می کند.به طور کلی زمان نوردهی کمتر؛ برابراست با نویز کمتر. این مجموعه بزرگ گردآوری شده می تواند در زمان کمتری همان میزان جذب نور داشته باشد.یعنی قابلیت استفاده از حساسیت بیشتر و نویز کمتر.به عبارت دیگر زمان کمتر در حساسیت بیشتر با نویز کمتر. سطلهای بزرگتر با دهانه های بازتر و عمق بیشتر، یعنی لبریز شدن دیرتر. لبریز شدن دیرتر یعنی پیکسل بزرگتر قادر به جمع آوری نور بیشتری بدون اتلاف می‌باشد. در سنسورهای CMOS، سرریز حداقل نور و ظرفیت بالاتر به معنی محدوده دینامیک وسیعتر، و ثبت دقیقتر تغییرات نور بخصوص در نواحی پرنور می‌باشد. زیادکردن تعداد پیکسلها(فتودیودها)وکم کردن اندازه آنها باعث حساسیت ضعیفتر (بخاطر افزایش شدید نویز) و محدوده دینامیکی کمتر می‌شود. کانن بدون کاهش اندازه فتودیودها، با کاهش فاصله بین میکرولنزها به رزولوشن بالاتر و حساسیت بیشتر دست یافته است. ضمنا با افزایش چگالی مدار داخلی هر کدام از این پیکسلهای کوچکتر، فضای ذخیره نور بیشتری را برای آنها فراهم نموده است. این تکنیک محدوده خروجی سیگنال را در ISOهای کمتر توسعه داده است. بواسطه همین افزایش محدوده و حساسیت بالا، دوربین های EOS دیجیتال کانن دارای انتخاب وسیعتری از تنظیمات ISO هستند. نویزها به دو صورت عمل میکنند.یا به صورت تصادفی و یا به صورت ثابت. حذف کردن نویزهای ثابت به وسیله تکنولوژی کاهش نویز روی خود تراشه‌ امکان‌پذیر است. اما نویزهای تصاودفی، در تمامی تصاویر به صورت یکسان باقی نمی‌مانند.کانن با استفاده از تکنولوژی شارژ انتقالی کامل پیکسل، به طور مؤثری موفق به حذف این نویزها شده است. نویزهای تصادفی با پردازش سریع سیگنال افزایش می‌یابد. از این رو سنسورهای CMOS کانن دارای تکنولوژی بی نظیری هستند که با توجه به سطح حساسیت، سیگنال‌ها را به مجرد خواندن تقویت می‌نمایند. سپس سیگنالهای دارای نسبت S/N بالا به تقویت کننده سرعت بالا فرستاده می شوند. نویز با الگوی ثابت از تقویت ناهموار سیگنال در طی تقویت کننده‌های مختلف پیکسل‌ها ایجاد می‌شود. این نویزها در تصاویر متفاوت و در زمانهای مختلف در مناطق ثابتی قابل مشاهده می‌باشند. برای از بین بردن این نویزها، کانن از نسل دوم مدارهای کاهنده نویز روی تراشه استفاده نموده است که میزان نویز الگو ثابت را خوانده و سپس برای رسیدن به سیگنالهای خالص نوری، آن را از سیگنالهای دریافتی کم می‌کند. نویزهای تصادفی با نویزهای ثابت کاملا متفاوت هستند. نویزهای تصادفی هنگامی که سنسور فتودیودهای حاوی شارژ را تخلیه می کند، از بین می‌روند. بنابر این کانن، طراحی جداگانه ای برای فتودیودها و سیستم خواند ن سیگنالها انجام داده است.گام اول انتقال دشارژ باقیمانده در فتودیودها –شامل نور و نویز- به سیگنال خوان مربوطه می‌باشد. سنسور کانن دیود را در حین خواندن و نگهداری اطلاعات اولیه نویز تخلیه می کند. بعد از اینکه اطلاعات سیگنالهای نوری و نویز با هم خوانده شدند، اطلاعات اولیه نویز برای حذف باقیمانده نویز از فتودیود و حذف نویز تصادفی استفاده می شود. بنابر این نسبت سیگنال به نویز بهبود می‌یابد. ممکن است که دو لنز دارای فاصله کانونی یکسانی باشند, ولی میدان دید دو سنسور با سایزهای مختلف یکسان نیست. زیرا زاویه دید دوربینها به اندازه سنسورها بستگی دارد و با کوچک شدن سایز سنسور، میدان دید نیز باریکتر خواهد شد و در نتیجه تصاویری شبیه به لنزی تله فتو ایجاد خواهد شد. سنسورهای Full Frame 35 mm کانن دارای میدان دید بیشتری نسبت به سنسورهایAPS-H و APS-C و همانند دوربینهای 35 م.م. نگاتیوی هستند . بنابراین لنزهای مورد استفاده دردوربینهای آنالوگ بدون هیچ فاکتور و ضریبی برای آنها قابل استفاده می‌شود. سنسورهای بزرگتر کنترل بیشتری را برای بلور بودن پس زمینه ارائه می‌کنند، زیرا در شرایطی که مسافت از جسم و زاویه دید یکسان می‌باشد، دارای فاصله کانونی بیشتری هستند. از این رو سنسورهای بزرگتر قادر به ارائه تصاویر بلور زیباتری (بوکه) در پس زمینه هستند. زمانی به طور کلی، عکاسی در شب و عکسهای نجومی خارج از توانایی دوربینهای دیجیتال وحتی DSLR ها مطرح می‌شدند. زیرا عکسبرداری در جاهای تاریک و کم نور در این دوربینها دارای نویز بسیار زیادی بود. کانن با ارئه دوربینهای دیجیتال اس ال آر همراه با سنسورهای سی موس و با استفاده از تجربه سالهای طولانی تولید و تحقیق بر روی دوربین‌های عکاسی، این مسائل را دگرگون کرد و چهره تازه ای به این تصاویر بخشید. حساسیت باید زمانی پایین باشد که از دیافراگم بزرگ در جاهای پر نوراستفاده می‌کنیم. در چنین مواقعی بالابودن حساسیت موجب صدمه زدن به عکس و از دست رفتن بخشهای پرنور عکس می‌شود. از مهمترین تفاوتهای CMOS های کانن با CCDها ولتاژ کار آنها می‌باشد که در سنسورهای سی موس گاه نصف و در بعضی از مواقع حتی پایین تر از آن است. پایینتر بودن ولتاژ باعث کاهش مصرف انرژی سنسورهای CMOS شده و بنابر این عمر شارژ باتریها تا حد زیادی افرایش می‌یابد. منبع:http://web.canon.jp/Imaging/cmos/index-e.html