צילום דיגיטלי ב: חיישנים

הקדמה

מאמר זה הוא השני בסדרת מאמרים שיעסקו באופן פעולת המצלמה הדיגיטלית. בסדרת מאמרים זאת נדבר על התהליך אותו עובר האור בתוך המצלמה מרגע פגיעתו בעדשה ועד הקלטת התמונה לזיכרון המצלמה. במאמר זה נתמקד באחד המרכיבים החשובים ביותר במצלמה הדיגיטלית, החיישן.

איך צילמה מצלמת הפילים

לפני עידן הצילום הדיגיטאלי המציאות בקולנוע הייתה פילים. האור היה חודר אל המצלמה דרך העדשה ופוגע במישור המוקד עליו ממוקם הפילים (חומר רגיש לאור). התמונה הייתה מתקבעת על הפילים בתהליך כימי ו וואלה - יש לנו סרט.

שלבי הצילום הדיגיטלי

כשאנו מדברים על צילום דיגיטלי ההתרחשות מאחורי הקלעים מעט מורכבת יותר, נעבור על השלבים שעובר האור מרגע כניסתו למצלמה ועד לשמירת התמונה בזיכרון המצלמה.

מבנה החיישן

החיישן מורכב ממערך פיקסלים (Pixel Array) או במילים פשוטות יותר - רשת פיקסלים, הפיקסלים של החיישן הם רכיבים אלקטרוניים רגישים לאור שנקראים לעיתים גם פוטוסייטים (Photosites) הם אלו שקולטים את הפוטונים שבגלי האור.

מערך הפקסלים על החיישן.

החיישן הוא המקביל לפילים במצלמה הדיגיטאלית ומטרתו היא לקלוט את נתוני התמונה שהמצלמה רואה. להבדיל מהפילים שיקלוט את החומר בתהליך כימי, החיישן צריך לעשות זאת בצורה דיגיטלית. שתיים מהפעולות החשובות ביותר שמבצע החיישן הן:

1. מודד כמות הפוטונים שפוגעים בכל פיקסל - פעולה זאת מודדת את עוצמת האור בפיקסל (גוון האור).

2. החיישן סופג פוטונים ומתרגם את אותם לאלקטרונים - כאן הופך החיישן את האנרגיה של האור למטען חשמלי. תהליך זה נקרא 'תהליך פוטו-אלקטרי', והמטען החשמלי שנאגר בחיישן מתורגם ומוגבר בהמשך לאות דיגיטלי.

החיישו מיצר מטען חשמלי פרופורציונלי לכמות הפוטונים ששהוא סופג.

פיל פקטור (Fill Factor)

הפיל פקטור הוא היחס של האיזור הרגיש של מערך הפיקסלים ביחס לגודלו. במילים פשוטות יותר לכל חלק של פיקסל על הרשת יש איזור שרגיש לאור, לא כל שטח הפיקסל רגיש לאור. הפיל פקטור של כל החיישן הוא הגודל של הפיקסל\האיזור הרגיש לאור - היחס ביניהם.

לכל פיקסל יש חלק רגיש לאור וחלק שאינו רגיש לאור, הפיל פקטור הוא היחס ביניהם. רגישות הפיקסלים לאור תלויה כמובן בסוג החיישן. (האיזור הרגיש לאור אינו ממוקם בהכרח במרכז החיישן, לשם הפשטה ציירנו אותו כך)

מיקרו עדשה (Microlense)

בחלק מהחיישנים תורכב מעל כל פיקסל מיקרו עדשה, מדובר בעדשה קטנה מאוד שמרכזת את קרני האור ישירות אל החלק הרגיש לאור של כל פיקסל בכך משפרת את יעילות הפיל פקטור, בחלק מהמקרים כמעט ב 100%.

המיקרו עדשה מרכזת את קרני האור אל החלק הרגיש לאור של הפיקסל.)

המיקרו עדשה מרכזת את קרני האור אל החלק הרגיש לאור של הפיקסל - מבט מהצד.

חיישני CCD ו CMOS

חיישני CCD ו CMOS הינן שתי סוגי טכנולוגיות חיישנים מהנפוצות ביותר שתתקלו בהם במצלמות דיגיטליות. נעבור בקצרה על ההבדלים ביניהם.

CCD - Charged Coupling Devices

שבבי הCCD הגיעו ראשונים - לכן היה להם יותר זמן להתפתח ולהשתפר לעומת שבבי הCMOS שנכנסו לשוק מאוחר יותר.

א. שבבי הCCD מוציאים תמונה באיכות גבוה יותר אם פחות רעשים (גרעון).

ב. שבבי הCCD יכולים לעבוד עם פחות אור.

ג. שבבי הCCD יקרים יותר.

ד. שבבי הCCD עובדים לאט יותר.

פעולת הCCD

בטכנולוגיית ה CCD  המטען של כל פיקסל "מועבר" הלאה ואז הוא מוגבר. ורק לאחר מכן האות מגיע לממיר ה ADC.

על חיישן הCCD תחילה נסרקים כל הפיקסלים ואז נשלחים ביחד למגבר חיצוני שיושב על החיישן ורק משם עוברים לממיר האנלוגי דיגיטלי.

CMOS - Complimentary Metal Oxide Semiconducor

שבבים הCMOS נבדלים משבבי הCCD בעיקר במחיר ובמהירות פעולתם. הם נכנסו לשוק מאוחר יותר מהCCD והם מצמצמים פערים מהCCD במהירות.

א. שבבי הCMOS מוצאים תמונה עם יותר רעשים (גרעון).

ב. שבבי הCMOS דורשים יותר אור כדי לעבוד.

ג. שבבי הCMOS זולים יותר.

ד. שבבי הCMOS עובדים מהר יותר.

פעולת הCMOS

בטכנולוגיית ה CMOS  בכל פיקסל ישנו מגבר המגביר את האות של כל פיקסל, ומשם המידע נשלח ישירות לממיר ה ADC.

על כל פיקסל של חיישן הCCD יושב מגבר אישי שמגביר אותו של כל פיקסל כך שכל פיקסל נשלח ישירות לממיר האנלוגי דיגיטלי.

הסיבות להבדלים בין החיישנים

חיישני ה- CMOS  וה- CCD  מתפקדים בצורה זהה מבחינת ספיגת הפוטונים ואגירת המטען החשמלי, אך נבדלים בצורה בה הם מעבירים מטען, ובאיזה שלב ישנה הגברה של האות החשמלי והמרתו לדיגיטלי.

על הפיקסלים של חיישני הCMOS מורכבים מגברים פנימיים ולעיתים גם שבבים לתיקון רעשים, מסיבה זאת השטח הרגיש לאור על השבב מצטמק והפיל פקטור של השבב גדל - לכן לפיקסל קשה יותר לקלוט אור ומצד שני הוא מתרגם את הזרם למתח מהר יותר.

על שבב הCCD המצב בדיוק הפוך - הפיקסלים שלו מיועדים לצבור כמה שיותר אור והשטח הרגיש לאור גדול יותר מכך שהפיל פקטור קטן יותר ונקלטים יותר פרטים, מצד שני הצורך לשלוח את כל הפיקסלים למגבר חיצוני צורכת יותר כח וזמן.

תכונות נוספות

לחיישן ישנן שתי תכונות חשובות נוספות עליהן נדבר במאמרים הבאים אך חשוב לציין אותן כאן לידע כללי, הראשונה היא רזולוציית החיישן שתקבע את איכות התמונה, והשניה היא הטווח הדינאמי של החיישן שיקבע את טווח האור והחושך שבו החיישן מסוגל לקלוט פרטים בתמונה.

לסיכום

החיישן של המצלמה הדיגיטלית הוא אחד הרכיבים החשובים ביותר אם לא החשוב מבין המרכיבים של המצלמה. הבנת פעולתו הינה יתרון גדול לצלם בעיקר בעת בחירת המצלמה בה הוא הולך להשתמש לצילומי הסרט. לגבי הפערים בין הCCD לCMOS נזכיר פעם נוספת ששני החיישנים הינם איכותיים ביותר ולכל אחד מהם יתרונות וחסרונות משלו.