מונחים בסיסיים
החיישן הוא למעשה מערך של תאים פוטואלקטריים רגישים לאור. את התאים ניתן לראות כ"בארות" אשר לוכדות את הפוטונים והופכות את האנרגיה של האור לזרם חשמלי. כל תא בחיישן מייצג פיקסל בודד. מכך ניתן להסיק שחיישן בעל 12 מגה-פיקסל הוא מערך של 12 מיליון תאים ("בארות"). שטח של כל תא בודד (ניתן להתייחס לזה כהיקף הפתח של הבאר) מייצג את היכולת של התא לאסוף יותר אור ( נכון יותר יהיה להגיד – לאסוף יותר מידע) ללא עזרה של מנגנונים דיגיטליים (בדומה לבאר בעל פתח גדול יותר היכולה לאגור כמות כפולה של מי גשם בהשוואה לבארות עם פתח קטן יותר). "דחיסות פיקסלים" הנו פרמטר שמתאר גודל של כל תא במונחים של כמות פיקסלים בסנטימטר רבוע. ככל שדחיסות הפיקסלים קטנה יותר – כל תא יהיה גדול יותר (ומכאן יעיל יותר באיסוף מידע) ולהפך. גודלם (שטחם) של החיישנים משתנה בין סוגי המצלמות: במצלמות בעלות חיישן גדול יותר תהיה דחיסות פיקסלים קטנה יותר מזו של מצלמות עם שטח חיישן קטן יותר, למרות היות שתיהן בעלות אותם מגה-פיקסלים.
להבדיל מטכנולוגיית הלידי הכסף שעליה התבססו סרטי הצילום – החיישן הנו מערך סימטרי, כאשר גודל התאים מהם מורכב החיישן הנו אחיד (למעט חיישני ה SUPER CCD של חברת פוג'י). פירוש הדבר שבהשוואה לסרט צילום, בו היו גבישי כסף הרגישים לאור בעלי מימדים שונים מפוזרים בצורה אקראית על פני שכבת האמולסיה של הסרט, כל התאים בחיישן הדיגיטלי יקבלו כמויות זהות של אור היות והם מסודרים בצורה סימטרית ושטחם זהה. זרם שמתקבל בעת הפיכת האנרגיה של האור לאות חשמלי, עובר דרך מגבר אותות על מנת "לתאם" את הרגישות של התאים למספרי ISO המוכרים לצלם. ככל שלרגישות ה ISO יהיה מספר גבוה יותר, כך תהיה ההגברה של האות גדולה יותר. טכנולוגיה זו, הנובעת מייחודיות המבנה הסימטרי של החיישן והגודל האחיד של התאים, מאפשרת אפוא להגיע לרגישות גבוהה יותר ללא התפשרות בחדות ויכולת ההפרדה. כאשר משתמשים בסרט צילום בעל רגישות גבוהה יותר, בעצם מגדילים את מימדיהם של גבישי הכסף המפוזרים ברחבי האמולסיה של הסרט. דבר זה גורע מאיכות התמונה במונחים של חדות ויכולת ההפרדה (יכולת הסרט הצילומי להעביר פרטים קטנים בדיוק רב) ומקנה לתמונה מראה "גרעיני", היות וגבישי הכסף בסרטים רגישים הנם גדולים עד כדי כך שניתן להבחין בצורותם בעת הגדלת התמונה.
רעשים דיגיטליים ו"שאר ירקות".
כפי שכבר נאמר לעיל רגישותו של החומר הצילומי במצלמות דיגיטליות נקבעת לפי הגברת האות המתקבל בקולטן ולא על ידי הבדלים בגודל של הקולטן עצמו. מבנה זה מאפשר לשמור על גודל אחיד של פיקסלים ובכך לשמר את החדות ויכולת ההפרדה. עם זאת, בדומה לסרטי הצילום גם לטכנולוגיה של העלאת הרגישות במצלמות דיגיטליות ישנם חסרונות. הגברת האות המאפשרת "לדמות" את גברת הרגישות של החומר הצילומי, מגבירה הן את ערכי הבהירות של הפיקסל (האות שמתקבל) והן את הפרעות האלקטרומגנטיות שמלוות את האות. חלק מההפרעות הללו נובע מקרינה אלקטרומגנטית שפולט מעגל החיישן כשלעצמו
(זרם תרמי), חלק נובע מהשפעתה של קרינה קוסמית (cosmic radiation) על חיישנים פוטואלקטריים, וחלק מורכב ממה שמכונה "רעש קריאה" – אלה הם ערכי מוסף שאינם חלק מהאות, אלא מהווים תנועת אלקטרונים שהופעלו על ידי גורמים חיצוניים (לדוגמא על ידי חום שנפלט מהחיישן).
ככל שהגברת האות (Gain) תהיה גבוה יותר – כך המידע שיגיע למעגל האחראי לפענוח צבע במצלמה יכיל
חלק ניכר יותר של "מידע טפילי" שהוגבר יחד עם ערכי הבהירות של הפיקסל.
ניתן להבחין בשני סוגי רעשים (כך מכונה "המידע הטפילי") דיגיטליים: רעשי צבע (chromatic noise) ורעשי בהירות (luminance noise). הראשון מהווה תוסף של מידע טפילי המטעה את מנגנון הפענוח של הצבע ומוסיף לפיקסלים ערכי צבע שכלל לא היו במקור. באשר לסוג הרעש השני – זהו רעש שמתבטא בעיקר כהפרשי בהירויות באזורים חד-גוניים ומזכיר בתבניתו את הגרעיניות של סרטי צילום. סוגים שונים של חיישנים (CMOS, CCD ו EXMOR) מייצרים סוגי רעש דיגיטלי שונים, היות וסוג ההגברה של האות ומבנה המעגל שונים לחלוטין בטכנולוגיות אלו. כמו כן, כמות הרעש תהיה שונה בין מצלמות שונות המשתמשות באותה טכנולוגיית חיישן. שוני זה נובע ממורכבות המעגל האחראי להגברת האות, מיכולתה של המצלמה להפעיל אלגוריתמים להפחתת רעש, ובעיקר מדחיסות הפיקסלים ומגודל החיישן.
מהם הגדלים של החיישנים ומהיא דחיסות הפיקסלים.
ככל שגודל החיישן נהיה גדול יותר - איכות האותות המתקבלים מכל תא ותא בחיישן הולכת וגדלה.
לכך מספר סיבות :
שטח של כל תא ("מפתח הבאר") הופך להיות גדול יותר, ולכן התא הופך להיות "רגיש" יותר לאור. כשהשטח הקולט של התא תופס יותר מרחב – התא מסוגל לקלוט כמויות קטנות של אור מבלי להגביר את האות בהרבה.
שטח גדול יותר של כלל החיישן מאפשר מרחבים גדול יותר בין הפיקסלים (תאים) – כך חלוקת החום הנפלט תוך כדי העבודה של החיישן תהיה שווה יותר בגלל הקלות היחסית בה ניתן לקרר שטח גדול יותר. דבר התורם להפחתת רעשים תרמיים וקפיצה אקראית של האלקטרונים מתא לתא.
דיוק החישובים (כמו למשל חישוב גוון הצבע) גדל עם העלייה בכמות המידע אותו נושא האות. אות המכיל יותר מידע חיוני – מאפשר להעביר את מעברי הצבע העדינים בצורה מדויקת יותר.
תאים גדולים יותר של החיישן מסוגלים להתמודד עם אפקט העקיפה האופטית בצורה יעילה יותר. אפקט העקיפה מתרחש כאשר גל (אור) עובר דרך מחסום עם מפתח קטן (צמצם), וכתוצאה מכך מגיע הגל לאזורים שבהם לא מגיעות קרניים הנעות בקווים ישרים ויוצר דימוי של טבעות מסביב לנקודת המיקוד שלו. תא קולטן ששטחו גדול יותר יאפשר להתמודד עם עקיפה גדולה יותר, כאשר הוא (התא) מסוגל לקלוט הן את נקודת המיקוד של קרן האור, והן את דימוי המשני הנוצר מאפקט העקיפה – עם גלישה מינימלית העקיפה לתאים השכנים. בפועל הדבר אומר שבמצלמות בעלות חיישן גדול יותר – ניתן לעבוד עם ערכי צמצם סגורים יותר ללא חשש לאיכות הדימוי בעקבות התגברות של העקיפה האופטית.
הגדלים המקובלים של החיישנים הדיגיטליים הנפוצים מונים כיום:
"1/2.5 (5.7מ"מ X 4.2 מ"מ) – הגודל המקובל בחיישנים של מצלמות דיגיטליות פשוטות.
"1/1.8 (7.2 מ"מ X 5.3 מ"מ) – גודל הנמצא בשימוש בדגמים מתקדמים של מצלמות פוקט או דמוי SLR
"4/3 (17 מ"מ X 13מ"מ) – גודל חיישן המיושם במצלמות מתקדמות של OLYMPUS ו PANASONIC
APS-C (23 מ"מ X 15 מ"מ) – הפורמט המקובל ברוב מצלמות SLR, אם כי ישנו שוני מזערי בגדלים של חיישני C-APS במצלמות CANON לבין החיישנים של שאר היצרנים.
APS-H (28 מ"מ X 19 מ"מ) הנו פורמט חיישן של מצלמות מקצועיות מסדרת 1Dשל חברת CANON.
35MM או Full Frame (36 מ"מ X 24 מ"מ) הנו חיישן התואם את מימדיו של תשליל על גבי סרט צילום.
אם נחליט לערוך ניסוי הבודק את היתרונות של החיישנים בפועל, ננסה לצאת מתוך נקודת הנחה שאנו משווים 2 מצלמות בעלות חיישנים בגדלים שונים אך עם אותה כמות התאים (אותו מספר מגה-פיקסל).
כשנשווה מצלמות בעלות 12 מגה-פיקסל עם חיישני 1/1.8 ו 4/3, נקבל ששטח של כל תא קולטן במצלמה בעלת חיישן 1/1.8 הוא 0.00000318 מ"מ, לעומת שטח של 0.000018416 במצלמה בעלת חיישן 4/3. היות ודחיסות הפיקסלים במצלמה בעלת חיישן 4/3 תהיה נמוכה יותר, הדימוי שיתקבל יהיה "נקי" יותר. עד כאן ישנו יתרון ברור יותר לחיישן גדול יותר, אך אין הדבר פשוט כל כך. הבה נשנה קצת את הפרמטרים של הניסוי: כעת ננסה להשוות מצלמת בעלת חיישן Full Frame בעל 12 מיליון תאים, לעומת חיישן APS-C בעל 18 מיליון פיקסלים. ברור שבעקבות השוני בדחיסות הפיקסלים ובגלל כמות פיקסלים קטנה יותר – אות המתקבל מחיישן ה Full Frame יהיה איכותי יותר. אך למעשה, בגלל אותן הסיבות הדימוי שיתקבל בחיישן APS-C יהיה חד יותר (בגלל רזולוציה גבוהה יותר). פירוש הדבר שבהשוואה מעבדתית בתנאי שימוש אחידים: אותו מספר ISO (נמוך), אותה עדשה, אותו מפתח צמצם (הלוקח בחשבון את הגבלת העקיפה האופטית שבחיישן קטן יותר) – תהיה למצלמת 550D Canon, הממותגת כמצלמה ברמת כניסה - יד עליונה (במונחים של חדות התמונה) על מצלמת 5D Canon אשר ממותגת כמצלמה חצי-מקצועית. שימו לב שהדבר נכון רק בעת שכל התנאים מתקיימים. ברגע שמספר ה ISO יעלה, או שהעקיפה האופטית הנובעת ממפתח צמצם קטן תהיה גבוה מזו שחיישן APS-C מסוגל לקלוט ללא שוני באיכות הדימוי – תגבור מצלמת Full Frame בקלות רבה. בכוונה לא הזכרתי את הפן של הפרדת הגוונים של הצבע, בו תמיד תהיה למצלמה בעלת חיישן גדול יותר עליונות על פני שאר המצלמות עם חיישן קטן יותר, ללא תלות במספר מגה-פיקסלים. מתוך כך אפשר להסיק שהמעבר לחיישנים גדולים יותר נושא עמו עליה באיכות התמונה ואת היכולת לעבוד בתאורה חלשה יותר ללא חשש לרעש הפוגם בדימוי. אך כאשר מדובר בשוני שבין מערכות DSLR (ובטח ובוודאי במערכות בעלות אותו גודל חיישן ומספר פיקסלים שונה) – על הצלם להחליט או לטובת חדות גבוה יותר, או לטובת תמונה נקיה יותר ברגישויות גבוהות....
ולסיום הדגמה ממשית שמתארת את החומר הנ"ל בצורה וויזואלית:
התמונה הגודלה מתארת את אותה הסצנה אשר צולמה ב 4 מצלמות בעלות חיישנים בגדלים שונים,
כאשר התמונות הקטנות מהוות תקריבים של 100% על אזורים עשירים בפרטים קטנים ואזורים כהים מאוד
על מנת להעריך את כמות הרעש ואת כוח ההפרדה של החיישן.
כתב: קרוכמליוב ואדים
צילום: קרוכמליוב ואדים © 2010