इमेजिंग सेंसर के अंदर: वे क्या हैं और वे कैसे काम करते हैं

इमेजिंग तकनीक पिछले कुछ दशकों में इतनी उन्नत हुई है कि हम महंगे या कठिन-से-सीखने वाले उपकरणों की आवश्यकता के बिना उच्च गुणवत्ता वाली तस्वीरें लेने में सक्षम हैं। इसमें से अधिकांश इमेजिंग सेंसर में प्रगति के कारण है।

इमेजिंग सेंसर कई मायनों में भिन्न हो सकते हैं जो उनके कार्य से संबंधित हैं। ये श्रेणियां मुख्य रूप से हैं: सेंसर संरचना, क्रोमा प्रकार, शटर प्रकार, रिज़ॉल्यूशन, फ्रेम दर, पिक्सेल आकार और सेंसर प्रारूप।

इस लेख में बुनियादी तकनीक को शामिल किया गया है कि कैसे सबसे आम इमेजिंग सेंसर तस्वीरों को कैप्चर करते हैं।

कैप्चरिंग लाइट

एक इमेजिंग सेंसर आने वाली रोशनी (फोटॉन के रूप में) को विद्युत संकेत में परिवर्तित करता है। यह विद्युत संकेत तब एक स्क्रीन पर एक छवि में संसाधित होने में सक्षम होता है। दो मुख्य प्रकार के सेंसर सीसीडी (चार्ज-कपल डिवाइस) और सीएमओएस (पूरक धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर) हैं।

सीसीडी और सीएमओएस सेंसर एक सिलिकॉन वेफर से बने होते हैं जो फोटोसाइट्स (प्रकाश-संवेदनशील क्षेत्रों) की एक सरणी में विभाजित होते हैं। इन सेंसरों में लाखों फोटोडायोड शामिल हो सकते हैं, जो प्रकाश को पकड़ सकते हैं और इसे विद्युत संकेत में परिवर्तित कर सकते हैं।

सीसीडी सेंसर में प्रत्येक फोटोसाइट वास्तव में एक एनालॉग डिवाइस है। फोटोडायोड प्रकाश को पकड़ लेता है और तुरंत इस जानकारी को विद्युत आवेश के रूप में संग्रहीत करता है। यह चार्ज सिग्नल तब फोटोसाइट से रीडआउट डिवाइस (शिफ्ट रजिस्टर के रूप में जाना जाता है) में ले जाया जाता है। विद्युत संकेत को एक संधारित्र द्वारा वोल्टेज में परिवर्तित किया जाता है, जो एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (एडीसी) के माध्यम से एक डिजिटल सिग्नल बन जाता है।

सीसीडी सेंसर कैसे काम करते हैं, इस वजह से वे दो तरह की कलाकृतियों के प्रति संवेदनशील होते हैं। इन्हें स्मीयरिंग और ब्लूमिंग के रूप में जाना जाता है। स्मियरिंग तब होती है जब उच्च प्रकाश तीव्रता होती है, और यह छवि में एक ऊर्ध्वाधर उज्ज्वल रेखा के रूप में दिखाई देती है।

ऐसा इसलिए होता है क्योंकि सीसीडी सेंसर वर्टिकल ट्रांसफर रजिस्टर का उपयोग करते हैं, चार्ज सिग्नल को रीडआउट डिवाइस पर लंबवत स्थानांतरित करते हैं। चार्ज इस लंबवत स्थानांतरण रजिस्टर में "रिसाव" कर सकता है और अंतिम छवि में एक उज्ज्वल रेखा की उपस्थिति बना सकता है।

खिलना तब होता है जब किसी विशेष पिक्सेल में प्रवेश करने वाला प्रकाश उसके संतृप्ति स्तर से अधिक हो जाता है। इसका मतलब है कि यह और अधिक प्रकाश को कैप्चर नहीं कर सकता है, इसलिए तस्वीरें पड़ोसी पिक्सल (विशेष रूप से क्षैतिज दिशा में) भरना शुरू कर देती हैं। यह पड़ोसी पिक्सल की सटीकता को कम करता है और छवि कलाकृतियां बनाता है।

इसकी तुलना में, CMOS सेंसर इसके मूल में एक डिजिटल सिस्टम है। एक सीएमओएस सेंसर फोटोसाइट पर ही प्रकाश को चार्ज में वोल्टेज में परिवर्तित करता है। यह संभव है क्योंकि प्रत्येक फोटोसाइट में एक ट्रांजिस्टर स्विच होता है, जो संकेतों को व्यक्तिगत रूप से प्रवर्धित करने की अनुमति देता है। इन वोल्टेज को फिर एक साथ रीडआउट डिवाइस में भेजा जाता है।

इस संरचना के कारण, CMOS सेंसर आमतौर पर छोटे, सस्ते और उत्पादन में आसान होते हैं। CMOS सेंसर भी कम शक्ति का उपयोग करते हैं और स्मियरिंग से पीड़ित नहीं होते हैं (क्योंकि उनके पास लंबवत शिफ्ट रजिस्टर नहीं होते हैं) या खिलते हैं (क्योंकि उनके पास बहुत अधिक पिक्सेल संतृप्ति स्तर होते हैं)।

क्रोमा प्रकार

क्रोमा प्रकार का इमेजिंग सेंसर संदर्भित करता है कि यह एक मोनोक्रोमैटिक या रंग सेंसर है या नहीं। मोनोक्रोमैटिक सेंसर में, प्रत्येक पिक्सेल सभी दृश्यमान प्रकाश तरंग दैर्ध्य से रंग को अवशोषित कर सकता है। इसका मतलब है कि रंगों में कोई अंतर नहीं है।

रंग सेंसर में एक अतिरिक्त परत होती है जिसे "रंग परत" (अक्सर मोज़ेक बेयर फ़िल्टर) कहा जाता है जो कुछ हल्के रंगों को अवशोषित करता है। बायर फिल्टर में, लाल, नीले और हरे रंग के फिल्टर होते हैं (हरे रंग के फिल्टर से दोगुने होते हैं क्योंकि मानव आंख हरे रंग के प्रति अधिक संवेदनशील होती है)। यह सेंसर के प्रत्येक पिक्सेल को सिर्फ एक रंग की तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करने में सक्षम बनाता है।

सेंसर से जानकारी तब वास्तविक रंग निर्धारित करने के लिए एक एल्गोरिदम के माध्यम से चलाई जाती है (क्योंकि केवल तीन रंग पहचाने जाते हैं)। यह सटीक रंग की गणना करने के लिए पड़ोसी पिक्सल से जानकारी का विश्लेषण करता है।

और भी अधिक रंग सटीकता प्राप्त करने के लिए, आधुनिक सेंसर अब "पिक्सेल शिफ्ट" नामक एक प्रक्रिया का उपयोग करते हैं। पिक्सेल शिफ्ट कई एक्सपोज़र लेकर काम करता है, हर बार सेंसर के एक अलग हिस्से पर प्रकाश को पकड़ने के लिए सेंसर को बहुत थोड़ा हिलाता है। इसका परिणाम न केवल अधिक रिज़ॉल्यूशन वाली छवि में होता है, बल्कि बेहतर रंग सटीकता भी होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि सामान्य अशुद्धियों से बचने के लिए रंग जानकारी को मढ़ा और विश्लेषण किया जा सकता है।

शटर प्रकार

शटर दो प्रकार के होते हैं: ग्लोबल और रोलिंग। एक वैश्विक शटर (जैसा कि सीसीडी सेंसर और कुछ नए सीएमओएस सेंसर द्वारा उपयोग किया जाता है) का अर्थ है कि प्रत्येक पिक्सेल एक साथ शुरू और बंद हो जाता है।

एक रोलिंग शटर (जैसा कि अधिकांश सीएमओएस सेंसर द्वारा उपयोग किया जाता है) का अर्थ है कि सेंसर एक समय में एक पिक्सेल की एक पंक्ति का एक्सपोजर प्राप्त करता है। यह बहुत जल्दी होता है, लेकिन इस वृद्धिशील जोखिम के कारण, कैमरे की गति शामिल होने पर (जैसे कि वीडियो के दौरान) अक्सर इसका परिणाम "तुला वस्तु" कलाकृतियों में हो सकता है।

जैसा कि आप नीचे दी गई तस्वीर में देख सकते हैं, जिसे 50 मील प्रति घंटे की रफ्तार से लिया गया था, सेंसर रोलिंग शटर के साथ छवि को कैसे कैप्चर करता है, इसके कारण बाड़ पोस्ट झुकी हुई हैं।

इमेजिंग सेंसर प्रारूप और पिक्सेल आकार

इमेजिंग सेंसर विभिन्न स्वरूपों (सेंसर आकार के रूप में जाना जाता है) में आते हैं। इनमें लार्ज फॉर्मेट, मीडियम फॉर्मेट, फुल-फ्रेम, एपीएस-सी और माइक्रो फोर तिहाई शामिल हैं। सेंसर प्रारूपों के बीच का अंतर आमतौर पर पिक्सेल का रिज़ॉल्यूशन और आकार होता है।

बड़े पिक्सल विभिन्न लाभों के साथ आते हैं, जिनमें बड़े फील्ड-ऑफ-व्यू, उच्च रिज़ॉल्यूशन, उच्च गतिशील रेंज और उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात शामिल हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि बड़े पिक्सेल प्रकाश को सटीक रूप से माप सकते हैं (वे सामान्य रूप से अधिक प्रकाश को अवशोषित कर सकते हैं)। चूंकि बड़े सेंसर आमतौर पर बड़े पिक्सल का उपयोग करते हैं, इस कारण से, उनके पास आमतौर पर बेहतर छवि गुणवत्ता भी होती है।

शटर गति और फ्रेम दर

शटर गति यह है कि प्रत्येक फोटोसाइट कितनी देर तक प्रकाश के संपर्क में रहती है। यही कारण है कि फ़ोटो लेते समय इसे "एक्सपोज़र" या "एक्सपोज़र टाइम" कहा जाता है। दूसरी ओर, फ़्रेम दर यह है कि एक सेंसर प्रति सेकंड कितने पूर्ण एक्सपोज़र ले सकता है।

यदि आप एक्सपोजर के बारे में अधिक जानना चाहते हैं, तो फोटोग्राफी में एक्सपोजर त्रिकोण के लिए इस गाइड को देखें ।

सम्बंधित: ये सामान्य शटर स्पीड गलतियाँ न करें

कई पुराने कैमरों में शटर गति बहुत धीमी थी, जबकि अब यह एक सेकंड का 1/8000वां भाग देखने के लिए विशिष्ट है। फ्रेम दर (और शटर गति) इस बात पर निर्भर करती है कि सेंसर कितनी तेजी से डिजिटल डेटा के रूप में प्रकाश को कैप्चर, परिवर्तित और आउटपुट कर सकता है।

इस प्रक्रिया को प्रभावित करने वाली चीजों में पिक्सेल की संख्या (अधिक पिक्सेल अधिक डेटा के बराबर होती है), केबल बिछाने का प्रकार (डेटा स्थानांतरण दर), और सेंसर का प्रकार शामिल हैं।

इमेजिंग सेंसर प्रौद्योगिकी प्रगति में वृद्धि के साथ, अब हम हास्यास्पद रूप से तेज़ फ्रेम दर संभव होते देख रहे हैं।

वहाँ प्रकाश होने दो

एक इमेजिंग सेंसर यकीनन कैमरा सिस्टम का सबसे अभिन्न अंग है। इमेजिंग तकनीक के विकास के साथ, अब हमारे पास छोटे स्मार्टफोन कैमरा सेंसर से लेकर हाई-टेक एस्ट्रोफोटोग्राफी एरेज़ तक के सेंसर हैं।

कैमरा तकनीक कैसे काम करती है, इसकी मूल रूप से शून्य समझ के साथ उच्च-गुणवत्ता वाली तस्वीरों को कैप्चर करना अब संभव (और सस्ती) है।

लेकिन एक इमेजिंग सेंसर कैसे काम करता है और सेंसर के प्रकारों के बीच अंतर जानने से आपको अपने लक्ष्यों के लिए सही सेंसर चुनने में मदद मिलेगी।