مفهوم اندازه سنسور در دوربین های دیجیتال

مفهوم اندازه سنسور در دوربین های دیجیتال

موضوع : ساختمان دوربین

منبع مقاله : نشریه کمبریج این کالر

این مقاله سعی دارد به این پرسش پاسخ دهد که چگونه اندازه و ابعاد سنسور دوربین های دیجیتال، بر روی انواع عکاسی تاثیر می گذارد؟
انتخاب اندازه سنسور دوربین دیجیتال، با صرف نظر کردن از تفاوت هایی که بین دنیای دیجیتال و آنالوگ وجود دارد، مانند این است که در دنیای آنالوگ، از میان فیلم های 35 میلیمتری، قطع متوسط و قطع بزرگ، تنها یکی را انتخاب کنیم. ممکن است با خواندن این مطلب کمی سر در گم شویم زیرا در آن اندازه های مختلف سنسور بررسی و همچنین در زمینه معیارهایی نظیر: عمق میدان، اختلال های نویز در تصویر، انکسار، قیمت، اندازه و وزن سنسور، مقایسه های زیادی بین سنسورهای گوناگون انجام شده است.


مقایسه اندازه های مختلف سنسور

سنسورها بسته به کاربرد، قیمت، میزان کارآیی و… می توانند اندازه های متفاوتی داشته باشند که تعدادی از آنها را در شکل زیر می بینیم:

دوربین های کانن نظیر: 1Ds/5D و دوربین های نیکون سری D3، معروفترین دوربین های قطع بزرگ یا فول فریم در دنیای دوربین های دیجیتال عکاسی هستند.
سایر دوربین های کانن مثل مدل های Rebel/60D/7D از سنسوری با ضریب انقطاع 1.6X برخوردارند. این درحالی است که سنسور اغلب دوربین های SLR نیکون ضریب انقطاع 1.5X دارد. در شکل بالا همچنین ضریب انقطاع 1.3X نیز وجود دارد که مربوط به دوربین های سری 1D است.
دوربین گوشی تلفن های همراه و دیگر دوربین های کامپکت، از ضریب انقطاع سنسور 1/4 تا 2/3 اینچی استفاده می کنند. کمپانی های عناوینی چون: المپوس، فوجی و کداک، یک سیستم استاندارد 4/3 را طراحی کرده اند که از ضریب انقطاع 2X در مقایسه با فیلم 35 میلی متری برخوردار است؛ که البته استفاده از دوربین هایی با سنسورهای این چنینی خارج از عرف بوده و این دوربین ها به نسبت سایر دوربین ها بسیارگران قیمت ترند.


ضریب انقطاع سنسور و ضریب افزایش دهنده فاصله کانونی

ضریب انقطاع عبارت است از اندازه یک سنسور در مقایسه با سنسور قطع بزرگ 35 میلیمتری. ضریب انقطاع یک سنسور قطع متوسط، از مقایسه تصویر ثبت شده توسط آن سنسور با تصویر ثبت شده توسط یک سنسور قطع بزرگ در حالیکه برای ثبت هردو تصویر از یک لنز 35 میلیمتری استفاده شده است به دست می آید.

مقایسه زاویه دید سنسور قطع بزرگ با سنسور قطع متوسط با ضریب انقطاع 1.6X

ممکن است فکر کنید که ثبت نشدن بخشی از تصویر، امری زیانبار باشد اما باید یادآوری کنیم که اینکار مزایایی هم دارد: نحوه کار اغلب لنزها بدین صورت است که در مرکز تصویر، بیشترین شارپنس (شفافیت ثبت) را دارند و هر چه به سمت گوشه های تصویر برویم، از میزان شارپنس آن کاسته می شود، با در نظر گرفتن این نکته، متوجه می شویم که سنسورهای قطع متوسط، قسمتی از تصویر را ثبت می کنند که شارپنس بیشتری دارد. پس اگر از یک لنز معمولی استفاده می کنید، دوربین قطع متوسط برای شما بهتر است.

عکس بدون برش
برش از وسط
برش از گوشه

از طرف دیگر، استفاده از دوربین قطع بزرگ باعث می شود شما به لنزهایی با فاصله کانونی بلندتری نیاز پیدا کنید و علاوه برآن، لنزتان باید از کیفیت بالایی برخوردار باشد تا شارپنس را در گوشه ها حفظ کرده و نیز گوشه های کادر را تیره نکند.
همچنین، باید این نکته را نیز در نظر گرفت که کیفیت نوری لنزهای زاویه باز یا واید، هیچوقت به خوبی کیفیت لنزهایی با فاصله کانونی زیاد نیست و شما اگر از سنسورهای قطع متوسط استفاده می کنید، مجبور خواهید بود که برای ثبت تصاویر واید از لنزهایی با فاصله کانونی کمتر (واید تر) استفاده کنید که در دوربین هایی با رزولوشن پائین، این قضیه مشکل ساز خواهد بود.
همچنین فاصله کانونی لنزهایی که برروی دوربین های با سنسور قطع متوسط نصب می شوند، افزایش می یابد که ضریب این افزایش برابر با همان ضریب انقطاع سنسور می باشد.
برای مثال: اگر یک لنز با فاصله کانونی 50 میلی متری بر روی دوربینی با سنسور قطع 1.6X نصب شده باشد، فاصله کانونی آن با یک لنز 80 میلی متری (1.6 x 50 = 80) که بر روی یک دوربین با قطع بزرگ (35 میلی متری) قرار گرفته است، برابر می شود.

Focal Length Multiplier Calculator
 Sensor Type:
 Actual Lens Focal Length:
mm
Focal Length Multiplier
35 mm Equivalent Focal Length

البته توجه داشته باشید که این بدان معنا نیست که خود فاصله کانونی لنز تغییر می کند، خیر! یک لنز 50 میلی متری بر روی سنسور با هر ضریب انقطاعی نصب شود، همیشه یک لنز50 میلی متر باقی می ماند اما این زاویه دید لنز است که تغییر می کند و این بدان معنی است که یک لنز50 میلی متر بر روی یک سنسور قطع 1.6X، زاویه دیدی برابر با یک لنز80 میلی متر بر روی یک سنسور با قطع بزرگ (35 میلی متری) می دهد.


ملاحظات مربوط با وزن و اندازه لنز

سنسورهای کوچکتر برای داشتن زاویه دید، میزان زوم، کیفیت و میزان گشودگی دهانه دیافراگم یکسان با سنسورهای قطع بزرگ، نیاز به لنزهای سبکتری دارند.
این ویژگی برای گرایش هایی از عکاسی نظیر: حیات وحش، عکاسی در سفر و … که نیاز به حمل همیشگی مقدار زیادی از لوازم عکاسی دارند، ممکن است مناسب باشند. در نمودار زیر مقایسه ای بین لنزهای تله فتو کانن که در عکاسی حیات وحش و عکاسی ورزشی استفاده می شوند را مشاهده می کنید:

در این نمودار به عنوان مثال آمده است که اگر برای ثبت تصویر با یک دوربین دارای سنسور قطع بزرگ، نیاز به حمل یک لنز 200 میلی متری f/2.8 داشته باشید، باید لنزی را با خود حمل کنید که به نسبت لنز300 میلی متر f/2.8 که بر روی یک دوربین با سنسور ضریب انقطاع 1.5X نصب شده است، 3.5 برابر وزن بیشتری دارد.

در دوربین های SLR، داشتن سنسور بزرگتر به منزله داشتن منظره یابی وسیعتر و واضحتر بوده که به ویژه در تنظیم دستی فوکوس تاثیر بسیاری دارد که البته به علت نیاز به تجهیزات با کیفیت تر برای رساندن تصویر به منظره یاب و در نتیجه به چشم شما، این ویژگی موجب افزایش قیمت می شود.


تاثیرات بر عمق میدان

در یک دیافراگم ثابت، هر چقدر اندازه سنسور افزایش پیدا کند، عمق میدان کاهش می یابد. زیرا کار با سنسور بزرگتر ایجاب می کند که عکاس به موضوع نزدیکتر شود یا از فاصله کانونی بیشتری استفاده کرده تا کادر عکس را با موضوع پر نماید. نر م افزاری شبیه به آنچه در زیر می بینید مقدار دیافراگم و فاصله کانونی را برای سنسورها به منظور داشتن بعدنمایی (پرسپکتیو) یکسان، محاسبه می کند:

Depth of Field Equivalents
 Sensor #1
 Selected aperture
 Actual lens focal length mm
 Sensor #2
Required Focal Length (for same perspective)
Required Aperture

به عنوان مثال برای داشتن عمق میدان و پرسپکتیو یکسان در تصویر، با یک سنسور قطع بزرگ در حالیکه از یک لنز 10 میلی متر و دیافراگم f/11 استفاده می کند، نیاز داریم که بر روی سنسور با ضریب انقطاع 1.6X یک لنز 16 میلی متر که بر روی f/18 تنظیم شده است، نصب کنیم. همچنین اگر از یک لنز 50 میلی متر f/1.4 بر روی یک سنسور قطع بزرگ استفاده کنید، برای داشتن تصویری یکسان مجبورید بر روی سنسور با ضریب انقطاع 1.6X از یک لنز با دیافراگم 0.9 استفاده کنید که البته تا کنون ساخته تشده است!

استفاده از عمق میدان کمتر در عکاسی پرتره کاربرد فراوانی دارد و باعث می شود که پس زمینه کار ازوضوح خارج شود، اما در عوض عمق میدان زیاد در عکاسی طبیعت کاربرد بیشتری دارد و به همین دلیل است که دوربین های کامپکت تلاش می کنند تا عمق میدان کمتری در گرفتن عکس های پرتره داشته باشند و در عوض دوربین های حرفه ای سعی می کنند عمق میدان شان را در عکاسی طبیعت بالاتر ببرند.


تاثیر اندازه سنسور بر انکسار

یرای چاپ اندازه بزرگ عکس هایی که با سنسور قطع متوسط ثبت شده اند، نیاز به بزرگ کردن عکس دارید که خود به انکسار یا کاهش شارپنس عکس در نتیجه حضور ریزدانه (گرین) منجر می شود، اما کار با سنسور قطع بزرگ موجب می شود که برای چاپ عکس در اندازه های بزرگتر، خیلی نیاز به تغییر اندازه عکستان نداشته باشید.
نرم افزار زیر زمان آغاز به انکسار در عکس را در اثر بزرگنمایی مشخص می کند، البته به خاطر داشته باشید که انکسار را در زوم 100% می توانید مشاهده کنید.

Diffraction Limited Aperture Estimator
 Sensor Size
 Resolution Megapixels
Diffraction Limited Aperture

به خاطر داشته باشید انکسار به صورت تدریجی در عکس های شما پیدا شده و از یک سوی تصویر به سوی دیگر جریان می یابد و اینکه عددی که توسط نرم افزار بالا بدست می آید، یک حدس نظری است و ممکن است در لنزهایی با کیفیت بهتر، تغییر کند. شکل زیر اندازه ریزدانه (گرین) را در دو وضعیت مختلف نشان می دهد.

Pixel Density Limits Resolution
(Shallow DOF Requirement)
Airy Disk Limits Resolution
(Deep DOF Requirement)

اگر عمق میدان را ثابت در نظر بگیریم، محدودیت اندازه پیکسل ها در سنسورهای بزرگتر، افزایش می یابد. همچنین توجه دشته باشید که پیکسل های بیشتر همیشه منجر به داشتن رزولوشن بالاتر نمی شوند. در حقیقت پیکسل های بیشتر ممکن است با ایجاد نویز و کاهش داینامیک رنج، منجر به کاهش کیفیت تصویر نیز بشوند.


اندازه پیکسل و رابطه آن با مقدار نویز و داینامیک رنج (گستره روشنایی)

بطور معمول، هرچقدر سنسور بزرگتر باشد، از پیکسل های بزرگتری هم برخوردار است (اگرچه این قانون همیشه صادق نیست)، این وبژگی باعث می شود تصاویر نویز کمتر و داینامیک رِنج بالاتری داشته باشند. داینامیک رنج گستره ای از تونها از روشن ترین تا تیره ترین تون است که هر پیکسل می تواند آن را ثبت کند. پیکسل های بزرگتر ظرفیت بیشتری دارند و در نتیجه می توانند تعداد بیشتری از فوتون های نور را در خود نگه دارند که این منجر به داشتن داینامیک رِنج بالاتر می شود.

توجه: در شکل بالا پیکسل ها را بدون صافی های رنگی مشاهده می کنید.

بنابراین، در زمان نوردهی و با f-stop یکسان، پیکسل های بزرگتر تعداد بیشتری از فوتون ها را در خود ذخیره می کنند در نتیجه تصویر با کیفیت بیشتر و نویز کمتری تولید می شود.

پیکسل های بزرگتر
(با سنسور بزرگتر)
پیکسل های کوچکتر
(با سنسور کوچکتر)

البته این نکته یک قانون همیشگی نیست، زیرا میزان نویز به کیفیت ساخت سنسور و اینکه نرم افزار داخلی دوربین چگونه اطلاعات سنسور را به عکس تبدیل می کند، نیز بستگی دارد. نکته بعدی اینجاست که اگر دو سنسور در زوم 100% میزان نویز یکسانی را نشان دهند، عکس حاصل از سنسور بزرگتر, چاپ بهتری دارد . این امر به این دلیل است که در پیکسل های بزرگتر، نویزها به نسبت کمتری بزرگ می شوند.


هزینه تولید سنسورهای دیجیتال!

هر چقدر اندازه سنسور بزرگتر شود، قیمت آن افزایش پیدا می کند، بطور مثال شما برای داشتن سنسور با اندازه دو برابر نسبت به سنسور حال حاضرتان، می بایست بیش از دو برابر قیمت سنسور فعلی تان پول پرداخت کنید.

Silicon Wafer
(تقسیمات سنسور کوچکتر)
Silicon Wafer
(تقسیمات سنسور بزرگتر)

با دقت در روش ساخت سنسورها، می توان علت این قضیه را فهمید که هر سنسور، بخشی از یک ورق سیلیکونی بزرگتر به نام ویفر است که خود ویفر شامل تعداد زیادی ریزتراشه بوده و ارزشی برابر با هزارها دلار دارد.
بنابراین هر چه ویفر از ریزتراشه های بیشتری برخوردار باشد، قیمت آن بالاتر می رود. از طرف دیگر، سطح وسیع سنسور، احتمال وجود پیکسل های سوخته در آن را تقویت می کند. همینطور است که سنسور باید از ریزتراشه های بهتری ساخته شود تا احتمال وجود پیکسل سوخته به حداقل برسد.
باید این را هم در نظر گرفت که قیمت سنسورهای فعلی ممکن است در آینده با تولید سنسورهای بزرگتر کاهش پیدا کند اما نکته اینجاست که قیمت سنسورهای بزرگتر، همیشه گرانتر خواهد بود.


سایر موارد

بعضی از لنزها فقط بر روی سنسورهای با اندازه مشخص نصب می شوند و بعضی دیگر، توانایی نصب شدن بر روی سنسورها با اندازه های مختلف را دارند. لنزهای tilt/shift که در کنترل پرسپکتیو و عمق میدان تصویر تاثیر زیادی دارند، معمولا از نوع نخست می باشند. همچنین لنزهای فوق واید نیز برای کار با سنسورهای فول فریم تولید می شوند.


جزئیات عکس و شاخص های تعیین کننده

عمق میدان کمتر، در کار با سنسورهای بزرگتر بدست می آید، همچنین کار با سنسورهای بزرگتر باعث داشتن عکس های چاپ شده ای با کیفیت و جزئیات بیشتر می شود. از طرف دیگر، داشتن سنسورهای بزرگتر، بدین معنا نیست که شما عکس هایی با رزولوشن بالاتر خواهید داشت و وجود انکسار در تصویر هم هیچ ارتباطی با اندازه سنسور ندارد. به عبارت دیگر، حد نهایی گشودگی دهانه دیافراگم، تا قبل از بروز انکسار در تصویر، برای تمامی سنسورها یکسان است، اگرچه در نبود انکسار، شرایط متفات است.

نکته مهم دیگر این است که اگر عمق میدان یک عامل محدود کننده باشد، هر چقدر اندازه سنسور بیشتر شود، با ثابت فرض کردن عامل حساسیت، زمان نوردهی بیشتر می شود که این قانون، بر روی عکاسی در شب و ماکروگرافی تاثیر منفی می گذارد، زیرا در این دو نوع عکاسی، عمق میدان زیاد و زمان نوردهی کم مورد نیاز است و این یعنی اگر شما بتوانید با دوربین قطع متوسط بر روی دست یک عکس را ثبت کنید، در شرایط مشابه برای ثبت همان عکس با دوربین قطع بزرگ، به سه پایه احتیاج پیدا می کنید.
از طرف دیگر، نوردهی طولانی مدت با سنسورهای قطع بزرگ، خیلی هم برای عکس زیانبار نیست زیرا دوربین های قطع بزرگ بطور کلی نویز کمتری تولید می کنند و حتی با بزرگ کردن تصویر ثبت شده هم میزان نویز ایده آل است.
بدون در نظر گرفتن اندازه پیکسل ها، سنسورهای بزرگتر، ظرفیت بیشتری برای ثبت نور دارند. به لحاظ نظری، سنسورهای بزرگتر با پیکسل های کوچکتر، به نسبت سنسورهای کوچکتر با پیکسل های بزرگتر، نویز کمتری تولید می کنند. این بدان دلیل است که نویز در دوربین هایی با رزولوشن بالاتر، کمتر افزایش پیدا می کند، حتی اگر تصویر ثبت شده توسط این دوربین ها در صفحه مانیتور نویزی تر باشد، در چاپ، از نویز کمتری برخوردار می شود.


نتیجه گیری نهایی:

بطور کلی، استفاده از سنسورهای بزرگتر منجر به کنترل و انعطاف پذیری بیشتری در خلق جلوه های هنری می شود، اما به علت نیاز به تجهیزات گرانتر، هزینه را بالاتر می برد. این انعطاف پذیری به عکاس امکان داشتن عمق میدان کمتری از آنچه در سنسورهای قطع متوسط تولید می شود می دهد، اما در عوض می بایست از میزان حساسیت – ISO – بالاتر به نسبت سنسورهای قطع متوسط و سه پایه دوربین استفاده کرد، در حالیکه با سنسور قطع متوسط هم می توان عمق میدانی تقریبا مشابه را بدون استفاده از سه پایه عکاسی ثبت کرد.





دیدگاهتان را بنویسید