تکنولوژی های معمول دوربینهای مداربسته

یک دوربین را میتوان به مانند چشم انسان در نظر گرفت ، زمانی که نور وارد دوربین میشود به وسیله سنسورهای تبدیل تصویر ، CCD ، به سیگنال های الکترونیکی تبدیل می گردد . درست مانند آنچه در شبکیه چشم انسان اتفاق می افتد . سپس این سیگنال های الکترونیکی به یک نمایش دهنده مانند تلویزیون فرستاده میگردد .
چشم انسان :
چشم انسان تقریباً یک عدسی کروی با قطر 5/2 سانتی‌متر می‌باشد که از چندین لایه مختلف که درونی‌ترین آن‌ها شبکیه نام دارد تشکیل شده است. ماهیچه‌های اطرف چشم اندازه لنز را تنظیم می‌کنند که این‌کار چشم را قادر به زوم (zoom) کردن روی اشیاء می‌کند . وظیفه عدسی چشم ، فرم و شکل دادن به تصویری است که توسط میلیون‌ها سلول گیرنده مخروطی (Cone) و میله‌ای (rod) گرفته شده و برروی پرده شبکیه افتاده است ، می‌باشد . سلول‌های میله‌ای به یک عصب معمولی که از انتها به شبکیه ختم می‌شود و فقط در سطح نور پایین فعال است متصلند و سلول‌های مخروطی هر کدام به یک عصب اتصال دارند . آن‌ها در نورهای شدیدتر، بیشتر فعالند و میزان درک ما از رنگ‌ها را نوع فعالیت این‌ مخروط‌ها مشخص می‌کند . در میان شبکیه ناحیه‌ای به‌نام نقطه کور وجود دارد که در آن هیچ‌ گیرنده‌ای موجود نیست . در این ناحیه اعصاب به‌صورت جداگانه به عصب بینایی که سیگنال‌های دریافت شده را به قشر بینایی مخ انتقال می‌دهند ، وصل می‌شود .
دوربین CCD :CCD از جهت عملکرد تقریباً مانند چشم انسان کار می‌کند . نور از طریق یک عدسی وارد دوربین و برروی یک پرده مخصوص تصویر می‌شود که تحت عنوان تراشه CCD شناخته می‌شود. تراشه Charge Coupled Device) CCD) که تصاویر با استفاده از آن گرفته می‌شوند از تعداد زیادی سلول تشکیل شده که همگی در یک تراشه با الگوی خاصی مرتب شده‌اند و تحت عنوان پیکسل (pixels) شناخته می‌شوند . زمانی که تراشه CCD این اطلا عات را دریافت می‌کند ، آن‌ها را به شکل سیگنال‌های دیجیتالی از طریق کابل‌هایی به سیستم دریافت‌کننده می‌فرستد و بعد تصاویر در این سیستم به صورت مجموعه‌ای از اعداد ذخیره می‌شوند.
سایر تکنولوژی ها :Technology (CMOS) complementary metal oxide semiconductor
از آنجا که روی این تکنولوژی کار زیادی صورت گرفته و تولید آن در حجم انبوه می باشد ، ساخت چیپ های CMOS نسبت به CCD ارزانتر در می آید . دیگر مزیت این سنسورها نسبت به CCD اینست که توان مصرفی آنها پایینتر می باشد . بعلاوه ، در حالی که CCD تنها برای ثبت شدت نوری که بر روی هر یک از صدها هزار نقاط نمونه برداری می افتد کاربرد دارد ، می توان از CMOS برای منظورهای دیگر، نظیر تبدیل آنالوگ به دیجیتال ، پردازش سیگنال های لود شده ، تنظیم رنگ سفید (white Balance) ، و کنترل های دوربین و ... استفاده نمود . همچنین می توان تراکم نقاط و عمق بیتی تصویر را به راحتی بدون افزایش بیش از اندازه قیمت ، بالا برد . بخاطر این مزیتها و سایر مزایا ، بسیاری از تحلیل گران صنایع اعتقاد دارند که نهایتا تمام دوربین های معمولی دیجیتال از CMOS استفاده خواهند نمود و CCD فقط در دوربینهای حرفه ای و گرانقیمت بکار خواهد رفت . در این تکنولوژی مشکلاتی از قبیل تصاویر دارای نویز و عدم توانایی در گرفتن عکس از موضوعات متحرک وجود دارد که امروزه با رفع این مشکلات ، CMOS در حال رسیدن به برابری با CCD می باشد . تا بحال سنسورهای تصویر CMOS با استفاده از تکنولوژی 0.35 تا 0.5 میکرونی ساخته شده اند و چشم انداز آینده آن استفاده از تکنولوژی 0.25 میکرون می باشد .
سنسور Faveon با 16.8 مگاپیکسل (یعنی قدرت ایجاد تصاویری با وضوح 4096*4096 پیکسل) اولین سنسوری است که با استفاده از تکنولوژی 0.18 میکرون ساخته شده است و یک پرش بزرگ را در صنعت ساخت سنسور تصویر CMOS به نام خود ثبت نموده است . استفاده از تکنولوژی 0.18 میکرون امکان استفاده از تعداد بیشتری از پیکسل ها را در فضای فیزیکی معین فراهم کرده و بنابرین سنسوری با وضوح بالاتر به دست می‌آید . ( لازم به ذکر است چون از لحاظ فیزیکی تصویر ایجاد شده توسط لنز تصویری پیوسته بوده و بدون هیچگونه نقطه و ناپیوستگی می باشد ، هر چه بتوان پیکسلهای سنسور را کوچک تر نمود و تعداد بیشتری از آنها را در ناحیه تشکیل تصویر قرار داد ، می توان عکسی با وضوح بالاتر و نزدیکتر به تصویرحقیقی گرفت)ترانزیستورهای ساخته شده با استفاده از تکنولوژی 0.18 میکرون کوچکتر بوده و فضای زیادی از ناحیه سنسور را اشغال نمی کنند که می توان از این فضا برای تشخیص نور استفاده نمود . این فضا بطور کارآمدی ، امکان طراحی سنسوری را که دارای پیکسل های هوشمندتری بوده ، و در حین عکس برداری تواناییهای جدیدی را بدون قربانی کردن حساسیت نوری به دوربین می دهد ، فراهم می کند . با استفاده از این تکنولوژی 70 میلیون ترانزیستور و 4096*4096 سنسور، فقط در فضایی برابر با 22mm*22mm قرار داده می شود و سرعت ISO آن برابر با 100 بوده و محدوده دینامیکی آن 10 استپ است !! انتظار میرود ، بعد از 18 ماه از تولید این سنسور استفاده از آن در وسایل حرفه ای نظیر اسکنرها ، وسایل تصویری پزشکی ، اسکن پرونده ها و آرشیو موزه ها شروع شود . در آینده ای طولانی تر، انتظار می رود که این تکنولوژی بطور وسیعی در وسایل معمولی موجود در بازار استفاده گردد.
تکنولوژی Fujifilm SuperCCD SR :
شرکت فوجی بتازگی نوع سنسور جدیدی بنام SuperCCD SR را معرفی نموده است . اعلام این محصول دومین اعلام فوجی در مورد ساخت سنسوری است که چهارمین پیشرفت SuperCCD شناخته میشود . SuperCCD SR ) Super Dynamic Range ) تقریبا دو گام محدوده دینامیکی بالاتر از CCD های معمولی دارد. ( محدوده دینامیکی عبارتست از نسبت بین شدیدترین تا ضعیفترین نور موجود در صحنه . معمولا دوربین های عکاسی نمی توانند تمام محدوده نوری موجود در صحنه هایی که تفاوت نوری زیادی وجود دارد را بدرستی ثبت نمایند . هر چه محدوده دینامیکی یک CCD دارای گامهای بیشتری باشد توانایی آن در ثبت دقیقتر جزئیات موجود در سایه روشنهای تصویر بیشتر خواهد بود . پشت هر میکرولنز روی سطح سنسور دو فتودیود وجود دارد ، فتودیود اصلی سطوح تاریک و عادی نور را ثبت می کند (دارای حساسیت بالاتری است) و دومی جزئیات روشنتر را می گیرد (حساسیت کمتری دارد) . سیگنالهای دو سنسور بطریقی هوشمندانه ترکیب می شوند تا تصویری با محدوده دینامیکی گسترده تری ارائه دهند . اولین سنسور از نوع SuperCCD SR دارای تعداد پیکسل های موثر 3 مگاپیکسل می باشد . شرکت فوجی فیلم SuperCCD SR را به عنوان تکنولوژی معرفی نموده است که برای شبیه سازی محدوده دینامیکی نگاتیوها طراحی شده است . فیلم های عکاسی دارای لایه های مختلف با حساسیت مختلف می باشند که محدوده دینامیکی وسیعی را ایجاد می نمایند . SuperCCD SR به گونه ای طراحی شده است که این خاصیت را با استفاده از دو فتودیود که دارای حساسیت های متفاوت می باشند شبیه سازی نماید .
تکنولوژی X3 :
در سال 2002 وقتی شرکت Foveon بعد از پنج سال تحقیق و توسعه ، یک سنسور تصویری جدید را که ادعا می شد قادر به رسیدن به کیفیت فیلم های 35mm است عرضه نمود ، چشم انداز دوربین های دیجیتال قابل رقابت با کیفیت دوربین های فیلمی تا حد زیادی روشن گردید . در دوربین های دیجیتال معمولی فیلترهای رنگی با الگوی موزائیکی بر روی یک لایه تکی از حسگرهای نوری قرار گرفته اند . فیلترها فقط به یک طول موج از نور – قرمز، سبز یا آبی – اجازه عبور و رسیدن به پیکسل سنسور را داده و فقط یک رنگ در هر نقطه ثبت می گردد . در نتیجه سنسور تصویر فقط 50% رنگ سبز و 25% از هر کدام از رنگهای قرمز و آبی را ثبت می نماید . این روش ایرادی ذاتی داشت که بستگی به تعداد پیکسل های روی سنسور تصویر نداشت . یعنی بهر حال چون این سنسور یک سوم رنگ ها را تشخیص می دهد ، مابقی رنگها می بایست با استفاده از یک الگوریتم پیچیده و زمانبر میان یابی می شد . این کار نه تنها عملکرد دوربین را کند می سازد ، بلکه باعث ایجاد رنگ مصنوعی در تصویر و از دست رفتن جزئیات تصویر می گردد . بعضی از دوربینها برای حل مشکل مصنوعی شدن رنگها ، تصویر را به طور عمدی اندکی مات می کنند . سنسور تصویر جدید Foveon که از نوع CMOS می باشد و از تکنولوژی انقلابی این شرکت یعنی X3 استفاده می نماید ، در هر پیکسل از سنسور سه برابر اطلاعات بیشتر از دوربین های مدرن با تعداد پیکسلهای مساوی ثبت می نماید . سنسورهای تصویر X3 این کار را با استفاده از سه لایه از تشخیص دهنده های نور که در سیلیکون جاسازی شده اند انجام می دهند . لایه ها به گونه ای قرار گرفته اند تا از این خاصیت سیلیکون که در عمقهای مختلف رنگهای متفاوتی از نور را تشخیص می دهد استفاده نمایند . بنابرین در یک لایه رنگ قرمز ، در دیگری سبز و لایه بعدی آبی ثبت می شود . این بدان معنی است که برای هر پیکسل در سنسورهای X3 ، انباره ای (Stack) برای سه تشخیص دهنده نور وجود دارد . نتیجه سنسوری می شود که قادر است در هر پیکسل هر سه رنگ قرمز، سبز و آبی را تشخیص دهد و در نتیجه به عنوان اولین سنسور تصویر دیجیتال تمام رنگی دنیا معرفی گردد .