هر آنچه که لازم است در مورد سنسور دوربین‌ها بدانید (بخش اول)

/در , , , , , , , , , , /توسط

عکاسی هنر جاودانه کردن لحظاتی است که هرگز تکرار نمی‌شوند و در این میان چهارچوب و کیفیت ثبت این لحظات تکرار نشدنی، علاوه بر هنر عکاس، به سخت‌افزار دوربین نیز بستگی دارد. بدیهی است که قطعات مختلف یک دوربین در تعیین کیفیت عکس دخیل هستند، اما قطعه‌ای به نام سنسور دوربین، مهمترین نقش، یعنی ثبت  نهایی عکس را برعهده دارد.

سنسور دوربین معادل فیلم عکاسی در دوربین‌های آنالوگ و یک قطعه سخت‌افزاری است که نور دریافت شده از لنز را به تصویر دیجیتال تبدیل‌ می‌کند و همان‌طور که گفتیم، در عکاسی دیجیتال بسیار مهم است؛ تا جایی که نقشی اساسی را در تعیین سایز و رزولوشن عکس، کارایی دوربین در شرایط نوری گوناگون، عمق میدان، محدوده دینامیکی و حتی وزن، اندازه و قیمت دوربین ایفا می‌کند و حتما شما هم دوربین‌هایی را دیده‌اید که با وجود مگاپیکسل یکسان، ابعاد و قیمتی متفاوت دارند. البته بدیهی است که در تعیین کیفیت نهایی یک عکس، به جز سنسور، عوامل زیادی دخیل هستند و مهمتر از همه، بخصوص در عکاسی حرفه‌ای، مهارت عکاس نقش مهمی دارد اما در نهایت، سنسور دوربین است که باید عمل نهایی شکل گیری عکس و ارسال آن برای پردازنده و سخت افزار ذخیره‌سازی را به انجام برساند. سنسورها از نظر ساختار و اندازه متفاوت هستند و آنقدر نکات گفتنی دارند که بیان آنها حتی به صورت خلاصه، در یک مقاله امکان‌پذیر نیست؛ بنابراین در این نوشته، سنسورها را از نظر ساختار بررسی می‌کنیم و در آینده‌ای نزدیک هم به بررسی انواع سنسورهای دوربین از نظر اندازه و فرمت می‌پردازیم.

انواع سنسورها از لحاظ ساختار:

به طور کلی سنسورها به دو گروه (CCD (Charged Coupled Device و (CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor تقسیم می‌شوند.

سنسورهای CCD

سنسور CCD در سال ۱۹۶۹ توسط دانشمندان آزمایشگاه‌های Bell در ایالت نیوجرسی ایالات متحده اختراع شد و برای سالیان طولانی تنها گزینه موجود برای ثبت تصاویر دیجیتال محسوب می‌شد. مکانیسم عملکرد این نوع سنسور را می‌توان به مجموعه‌ای از سطل‌های جمع‌آوری آب باران تشبیه کرد که تمامی آنها در زمان یکسان زیر باران قرار گرفته‌اند و همان‌طور که انتظار می‌رود مقدار آب جمع شده در هر کدام متفاوت است؛ سپس آب موجود در هر سطل به ستون مجاور آن خالی می‌شود و سرانجام در یک سطل نهایی اندازه گیری می‌شود.

ccd

این سنسور یک چیپ سیلیکونی است که روی آن چند میلیون فتودیود (دیودهای حساس به نور) قرار دارد و نور دریافتی را به شارژ الکتریکی تبدیل می‌کند؛ وقتی که نور به سنسور تابیده می‌شود الکترون‌های فتودیود‌ها به سمت قسمت سیلیکونی آزاد می‌شوند و هر فتودیودی که نور بیشتری دریافت کرده باشد الکترون‌های بیشتری آزاد می‌کند. این اطلاعات، جمع آوری شده و در نهایت توسط یک مبدل به اطلاعات باینری تبدیل می‌شوند. هر فتودیودی که نور بیشتری دریافت کرده و الکترون بیشتری آزاد کرده بود، پیکسل روشن‌تری می‌سازد. فوتون‌های نور با ایجاد اثر فتوالکتریک موجب تولید الکترون می‌شوند و نوسانات تولید الکترون که در واقع خروجی آنالوگ CCD هستند، توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (DAC)، برای تولید تصویر و ارسال آن به پردازنده و واحد ذخیره‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ccd itresan.com

سرعت انتقال الکترون‌ها در این سیستم محدود است و همین موضوع، یکی از مشکلات این نوع سنسور است؛ همچنین محدودیت ظرفیت فتودیودها منجر به پدیده انتقال شارژ و نشت نور به دیودهای همسایه می‌شود که محدوده دینامیکی سنسورهای CCD را محدود می‌کند و در نور شدید منجر به ایجاد لکه‌های روشن روی عکس می‌شود که البته استفاده از میکرولنزها تا حدودی از این مشکلات جلوگیری می‌کند. تا اینجای کار روش شکل‌گیری پیکسل‌ها مشخص شد اما واضح است که این فرایند نمی‌تواند رنگ تولید کند و برای تولید رنگ، از فیلترهای رنگی قرمز، آبی و سبز (RGB) که روی سنسورها قرار می‌گیرند، استفاده می‌شود.

سنسورهای CMOS

سنسور CMOS در سال ۱۹۶۷ توسط Frank Wanlass اختراع شد، هرچند که تا سال ۱۹۶۷ پتنت مربوط به آن را ثبت نکرد و این تکنولوژی تا قبل از سال ۱۹۹۰ در تجهیزات عکاسی مورد استفاده قرار نگرفت. در سنسور CMOS ترانزیستورهایی وجود دارند که اطلاعات نوری هر پیکسل را به صورت سیگنال جداگانه به پردازنده دوربین ارسال می‌کنند و در واقع این نوع سنسور دوربین ذاتا دیجیتال است.

cmos itresan.com

در اصل، هر سایت نوری یک دیود حساس و سه ترانزیستور دارد که فعال‌سازی، ‌ریست کردن، تقویت و تبدیل شارژ به سیگنال را انجام می‌دهند. این سنسورها سرعت بالایی دارند اما مشکلاتی هم مانند حساسیت کمتر به نور، تداخل سیگنال‌ها و در نتیجه ایجاد نویز در تصویر وجود دارد. سنسور CMOS اصولا با شاتر الکترونیکی سازگار است؛ البته امکان استفاده از شاتر مکانیکی و در معرض نور قرار دادن همزمان تمامی دیودها هم وجود دارد. از مزایای مهم این نوع سنسور در مقایسه با نوع CCD، مصرف انرژی بسیار پایین آن است؛ همچنین این سنسورها با داشتن دامنه دینامیکی گسترده و عدم وجود پدیده نشت نور، برای عکسبرداری از سوژه‌های نورانی، حتی اشعه حاصل از جوشکاری مناسب هستند و به دلیل اینکه نیاز به مبدل آنالوگ به دیجیتال (DAC) جداگانه ندارند می‌توانند در ابعاد کوچکتری ساخته شوند؛ اما از سوی دیگر، ساختار آنها اجازه استفاده از میکرولنزها را نمی‌دهد و بخصوص در نور ضعیف، نسبت به سنسورهای CCD کارایی کمتری دارند. البته این سنسورها هر روز بهتر شده و تقریبا در بیشتر دوربین‌های دیجیتال به کار برده می‌شوند. نوع جدیدی از سنسور CMOS که به  BSI معروف است، در نور کم عملکرد بسیار خوبی دارد. سنسور BSI همان CMOS است که وارونه شده؛ یعنی ترانزیستورها که با قرار گرفتن روی پیکسل‌های حساس مانع رسیدن نور کافی به آنها بودند، به زیر دیود منتقل شده‌اند. تفاوت این دونوع سنسور را در شکل زیر مشاهده کنید:

Sony_BSI

تکنولوژی‌هایی مانند Exmor ،Live MOS ،EXR CMOS ،ISOCELL و Britecell هم که توسط کمپانی‌های مختلف برای به‌ کار گرفتن در دوربین‌های دیجیتال و اسمارتفون‌ها توسعه داده شده‌اند بر پایه CMOS شکل گرفته‌اند.

کدام بهتر است؟

بدیهی است که به جز در مواردی خاص، تکنولوژی‌هایی در میدان رقابت پیروز می‌شوند که برتر هستند و امروزه با نگاهی به بازار درمی‌یابیم که سازندگان مطرح دوربین، در بهترین محصولات خود از سنسورهای CMOS استفاده می‌کنند تا جایی که اخیرا دوربین‌های حرفه‌ای دیگر به سنسورهای CCD مجهز نمی‌شوند. دلیل این موضوع هم توسعه و بهبود عملکرد این سنسورها با استفاده از تکنولوژی‌های جدید است. پس اگر در سال ۲۰۱۶ قصد خرید هر نوع دوربین عکاسی را دارید با در نظر گرفتن مشخصات فنی مورد نظرتان، بدون تردید مدلی را انتخاب کنید که دارای سنسور CMOS باشد.

نوشته هر آنچه که لازم است در مورد سنسور دوربین‌ها بدانید (بخش اول) اولین بار در - آی‌تی‌رسان پدیدار شد.

افزایش سود سونی به دلیل گسترش بازار سنسورهای تصویری CMOS

/در , , , , , , , , , , /توسط

به‌سختی می‌توان نسلی یا رده‌ای از اسمارت‌فون‌ها را پیدا کرد که دوربین در آن نقش اصلی را نداشته باشد. حتی بسیاری از کاربران، گوشی هوشمند خود را تنها به دلیل دوربین آن انتخاب می‌کنند. به عنوان مثال، بر اساس آمار، ۵۰ درصد کسانیکه سامسونگ گلکسی S7 را خریداری کرده‌اند، علت خرید را دوربین با کیفیت این گوشی اعلام کرده‌اند. حتی برخی از اسمارت‌فون‌ها، دارای دوربین دوگانه هستند.

هسته اصلی دوربین‌ها، سنسورهای تصویری CMOS است و به دلایلی که گفته شد، فروش آنها رو به افزایش است. بر اساس گزارش موسسه تحقیقاتی Yole Development، بازار سنسورهای تصویری CMOS در پنج سال آینده دارای رشد ۱۰ درصدی سالانه خواهد بود و در سال ۲۰۲۱، ارزش بازار به ۱۸.۸ میلیارد دلار می‌رسد.

سونی بزرگترین تولیدکننده بازار است و بیشترین سود را از این وضعیت برده است. فروش سنسورهای CMOS این شرکت، ۳۱ درصد نسبت به سال قبل بیشتر شده و درآمد این شرکت، از ۲.۸ میلیارد دلار در سال، به ۳.۶ میلیارد دلار رسیده است. سهم بازار سونی نیز افزایش ۳۵ درصدی داشته است. سرمایه‌گذاری سونی در این بخش، ۲ میلیارد دلار است که بیشترین میزان تابه‌حال بوده است. سونی ۵۰ درصد ظرفیت تولید دنیا را دارد، ولی سهم فعلی آن، ۳۵ درصد کل بازار است. این میزان ظرفیت تولید، عمق بلندپروازی سونی را نشان می‌دهد، اما سودآوری همچنان معضلی برای سونی است و این نشان از فشار شدید بازار دارد. البته شاید بخش CMOS یکی از معدود نقاط مثبت در چشم‌انداز فعلی سونی باشد، چون دیگر بخش‌ها، چندان وضعیت مناسبی از نظر فروش و سودآوری ندارند.

CMOS-image-sensor-ranking-840x420

پاناسونیک و On Semiconductor نیز به ترتیب با ۳۸ و ۲۱ درصد، رشدی مشابه سونی داشتند. سامسونگ و Omnivision همچنان قوی هستند، ولی رشد چندانی نداشتند و حتی Omnivision، کاهش رشد نیز داشته است. شرکت‌های کانن، STMicroelectronics و Galaxycore نیز شاهد کاهش درآمد خود بوده‌اند. در کل ارزش بازار، با ۱۲ درصد رشد به ۶.۷ میلیار دلار رسیده است.

SK Hynix که یکی از شرکت‌های قدرتمند و نوظهور الکترونیک است و بیشتر به دلیل ساخت حافظه‌‌های DRAM شهرت دارد، با ۶۸ درصد بیشترین میزان رشد را داشته است. این شرکت نمونه بارزی است از اینکه چگونه یک شرکت می‌تواند در زمان کم به موقعیت خوبی در بازار برسد. این شرکت توانسته است در زمان کوتاهی خود را به یکی از ۱۰ تولید کننده برتر بازار تبدیل کند. این شرکت با تمرکز بر دوربین‌های سلفی، توانسته به سود خوبی برسد و سهم Omnivision و Galaxycore را برباید.

دو تحول تکنولوژیکی عمده، نقش مهمی در بازیابی و احیای بازار CMOS داشته‌اند. اولین مورد، نور پس‌زمینه (backside illumination) است که نه تنها باعث شده که کیفیت تصاویر افزایش پیدا کند، بلکه باعث شده است که فناوری‌هایی مانند فوکوس خودکار و لرزش‌گیر اپتیکال راحت‌تر وارد فرایند تولید شوند. مورد دوم، حرکت به سمت دوربین‌های دوگانه است.

Evolving-smartphone-image-sensors-840x639

گرچه دوبین‌های دوگانه، مدت زمانی است که وجود داشته‌اند، اما با رشد استفاده از این تکنولوژی،‌ انتظار می‌رود که سهم بیشتری از بازار CMOS را به خود اختصاص دهد. گرچه دوربین‌های دوگانه فعلی تنها به عکاسی محدودند، اما در آینده این تکنولوژی با تکنولوژی‌های تعاملی مانند فناوری سه بعدی ادغام می‌شود و تجربه منحصربفردی را برای کاربران پدید می‌آورد.

علاوه بر افزودن ویژگی‌های منحصر بفرد عکاسی، دوربین‌های دوگانه کیفیت نور اسمارت‌فون‌ها را افزایش می‌دهند. اگر اپل و سامسونگ از این تکنولوژی استفاده کنند، می‌توان امیدوار بود که سهم دوربین‌های دوگانه از ۲۰ درصد تجاوز کند. در کل می‌توان گفت که دوربین‌های دوگانه، تکنولوژی تغییردهنده بازی است و نه تنها در بازه زمانی کم سهم قابل توجهی از بازار را تسخیر می‌کند، بلکه باعث افزایش حجم و درآمد صنعت CMOS نیز می‌شود. البته نباید سهم دوربین‌های سلفی را نادیده گرفت که با گسترش فناوری‌های تعامل انسان با ماشین نقش عمده‌ای در بازار خواهند داشت.

تنها اسمارت‌فون‌ها نبوده‌اند که افزایش رشد سنسورهای تصویری را رقم زده‌اند،‌ بلکه توسعه بازارهای جدید نیز در این رشد نقشی حیاتی داشته‌اند. صنعت ماشین، پهپادها، واقعیت مجازی و واقعیت افزوده، صنایعی بودند که منبع درآمد جدیدی برای شرکت‌های سازنده بودند. صنعت ماشین به دلیل تکنولوژی‌هایی همچون پردازش تصویر و دستیار پیشرفته راننده (Advanced Driver Assistance) منبع درآمد مهمی برای شرکت‌ها بوده است. درآمد سنسورهای CMOS در صنعت خودرو، رشد ۲۳ درصدی سالانه داشته و از ۲۷۹ میلیون دلار به ۵۳۷ میلیون دلار رسیده است. پزشکی و صنعت، دو حوزه دیگر هستند که به افزایش سود این صنعت کمک می‌کنند.

immersive-imaging-roadmap-840x554بازار اسمارت‌فون هنوز کار زیادی با دوربین دارد و سرنوشت این دو به‌هم گره خورده است. از آنجا که موبایل و واقعیت مجازی دوش به دوش هم در حال تغییر و تحول هستند، در آینده باید شاهد پیشرفت‌هایی باشیم که گذار از یکی به دیگری را ممکن می‌سازد.

نوشته افزایش سود سونی به دلیل گسترش بازار سنسورهای تصویری CMOS اولین بار در - آی‌تی‌رسان پدیدار شد.