Yayınlayan : cafer aydın • Nisan 21, 2016
Sensör Denilen Şey
Çok değil, bundan birkaç yıl öncesine kadar görüntünün kaydedildiği filmi konuşurduk. Filmin markası, boyutu, duyarlılığı, grenleri, fiyatı falan. Şimdi ise bu alandaki fotoğraf dili çok değişti. Artık, pikselleri, CMOS’u, CCD’yi, fokal çarpanı, dinamik aralığı konuşuyoruz. Dijital devrimin en büyük özelliği ve farklılığı görüntünün kimyasal bir ortama değil, sayısal bir ortama kaydedilmesidir. Artık görüntülerimiz gren dediğimiz milyonlarca kimyasal noktacığın hâkimiyetinden çıkıp, piksel dediğimiz elektronik noktacıkların kontrolü altına girdi.
İşte fotoğraf makinelerimizde filmin yerini alan ve görüntüyü oluşturan pikselleri üzerinde barındıran alana da sensör denildiğini hepimiz biliyoruz.
Peki dijital makinesi olan herkesin diline doladığı sensörün özellikleri nelerdir?
Görüntü sensörde nasıl oluşur?
CCD, CMOS ve son günlerde sıkça konuşulmaya başlayan X3 Foveon teknolojisi ne demektir?
En yalın tanımıyla sensör, dijital fotoğraf makinelerinde görüntüyü kaydederek işlemciye gönderen ve üzeri ışığa duyarlı piksellerden oluşan alandır.Sensörleri, dijital makinelerimizin kalbi olarak da adlandırabiliriz. O nedenle dijital makinelerimizin en önemli parçalarından biridir ve makine alırken bilinçli olarak sorgulayıp öğrenmemiz gereken bölümüdür. Çünkü elde ettiğimiz
görüntünün büyüklüğü ve kalitesi sensörü ilgilendiren bir konudur. (Görüntünün niteliğinde objektifimizin kalitesinin en az sensör kadar etkili olduğunu unutmayalım.)
Sensörün üzerinde piksellerin dizili olduğunu söylemiştik. Önce pikselin ne demek olduğunu görelim o zaman.
Piksel-(İngilizce Pixel - PICture ELement, yani "resim öğesi") sözcüklerinin harflerinden türetilmiştir. Dijital görüntünün en küçük öğesi ve sensör üzerinde görüntüyü oluşturan çok sayıdaki küçük ışık noktacığıdır. Pikseller o kadar küçüktür ki, boyutları ancak mikronla ölçülür. Mikron metrenin milyonda biridir veya milimetrenin binde biri. Sivri uçlu bir kalemle cümlemizin sonuna koyacağımız noktanın 500 mikron olduğunu düşünürsek, mikronun küçüklüğünü daha iyi anlamış oluruz. İşte bir piksel 2 ile 10 mikron büyüklüğündedir. (Buradan her sensör üzerindeki piksel büyüklüğünün aynı olmadığını çıkarabiliriz.) Üstelik bu kadar küçük noktacık üzerine sabit kırmızı, yeşil veya mavi filtre yerleştirilir. Bu renkler, sanki bir satranç tahtasının üzerindeki her bir karede kırmızı, yeşil veya mavi renkten biri gelecek şekilde dizilir.İşte bu sensör üzerindeki piksellerin bir milyon tanesine megapiksel adını veriyoruz. Bir fotoğraf makinesi alırken öncelikle kaç megapiksel olduğuna bakarız değil mi?
İşte bu megapikseller sensörümüzün üzerine son derece düzenli olarak dizilmiş milyonlarca pikselin adıdır. Bizler deklanşöre bastığımız an, saniyenin bilmem kaç
binde biri gibi kısa zamanda o milyonlarca piksel elektronik devreler yardımıyla renklerle yüklenirler ve o renklerin milyonlarcası bir araya gelerek görüntüyü oluşturur. Makinemizin 5 MP olması, sensörümüzün 5 milyon pikselden oluştuğunu gösterir. Yani sensörümüzde düzenli olarak yerleşmiş 2560 yatay, 1920 de dikey piksel vardır. Bu da ikisinin de çarpımı olan yaklaşık 5 milyon piksel anlamına gelir.
Sensör üzerindeki tüm pikseller aktif değildirler.Sensör üzerindeki toplam piksel sayısına pixel count-piksel sayısı denilir. Toplam piksel sayısının %95'i aktif pikseller olup gerçek görüntünün kaydında kullanılır. Bunun yanı sıra toplam piksel sayısının %5'i aktif olmayan piksellerdir. Bunlar da bir kısmı üretim hatalarından bir kısmı da sensör içinde yapılan kayıt dışındaki işlemler için kullanılırlar. Sensörlerde aydınlık bir görüntü yüksek, karanlık bir görüntü ise düşük elektrik yükü ile tarif edilir. Bu yöntem ile kaydedilen görüntü sadece siyah beyaz fotoğraf oluşturur. Renkli görüntüyü oluşturmak için dijital fotoğraf makinesi sadece ışık seviyesini değil ayrıca her renk ışığın da miktarını ölçer.
Filmlerden hatırlayanlar bilirler. Film boyutumuz ne kadar büyükse, görüntümüzün kalitesi ve büyütülebilirlik olanağı o kadar fazlaydı.Aynı şey sensörler için de geçerlidir. Sensörümüzün büyüklüğü ne kadar fazlaysa görüntümüzün kalitesi ve büyüklüğü de o kadar fazla olur.
Sensörlerin 2 tür büyüklüğü vardır, birincisi MP açısından büyüklüğü, ikincisi ise fiziki olarak büyüklüğü.
Fiziki olarak aynı boyutta olan 2 sensörden biri 8, diğeri 10 MP büyüklüğünde olabilir. Fotoğrafın oluşması ve görüntü kalitesi açısından bu ikisinin arasındaki farkı yorumlamak son derece zordur.
Dilerseniz bu iki özelliği ayrı ayrı ele alalım.
Elimizde 8 MP’lik fotoğraf çeken, biri compakt, diğeri DSLR iki makine olsun. “İkisi de aynı boyutta çekiyor, o zaman neden çok para verip DSLR makine alayım?” diye düşünenler çıkabilir. Compakt makinelerin sensörleri DSLR’ lere göre bir hayli küçüktür. Bunlarda 8 milyon piksel dar bir alana sıkıştırılmıştır ve doğal olarak piksel boyutları daha da küçüktür. Diğer makinede yine 8 milyon piksel daha geniş bir alana dizilmiştir, yani piksel boyutları daha da büyüktür.
Unutmayalım, büyük boyutlu sensörün pikselleri de daha büyük olduğu için yüzeyine düşen fotonları ışığı daha kolay ve doğru bir şekilde yakalayıp ölçer, bu da sensöre
daha büyük dinamik aralık sağlar.
Küçük piksellerde enerji dağılımından kaynaklanan ısı fazlalığı ve dar alanda piksel sayısının artması piksel başına düşen ışık miktarını azaltacağından kumlanma etkisi veren noise üretiminde artış olacaktır. Sensörlerin ikinci büyüklüğü fiziki büyüklükleridir.Dijital teknolojinin en çok zorlandığı alanlardan birisi yıllardır film boyutu olan 24x36 mm boyutunda sensör üretemiyor olmasıydı. Yeni nesil makinelerde bu sorun aşılmaya çalışılıyorsa da sistem hala çok pahalı. Birçoğumuzun full frame adı verilen 24x36 mm boyutlu sensöre geçişi daha uzun zaman alacak gibi. Ortalama ve yaklaşık olarak düşünürsek küçük compakt makinelerin fiziki sensör boyutu 8x6 mm, DSLR makinelerin ise 23x15 mm civarındadır. Yukarıda belirttiğim gibi full frame DSLR makinelerde bu ölçü 24x36 mm.’ye yükselmiştir. Özetle fiziki olarak büyük olan sensörlerin pikselleri de büyük olacağından, bu
sensörlerdeki ışığa duyarlı alanlar çok daha fazla olur. Bu da daha detaylı ve iyi fotoğraf anlamına gelir.
Özellikle DSLR makinelerde objektifler analog makinelerin odak uzaklığına göre üretildiği için, görüntü gerçek anlamda bire bir sensör üzerine düşmez. Görüntü açı
kaybıyla dar olarak sensör üzerine kaydedilir.35 mm film boyutu ile sensör boyutu arasındaki bu oran fokal çarpan faktörüyle ifade edilir; çünkü filmli makinede
kullandığınız 20 mm açılı bir objektif, örneğin fokal çarpanı 1,5x olan bir DSLR'de kullanıldığında 35 mm objektif gibi bir görüntü açısı verir. Bu da önemsenmesi
gereken bir kayıptır.
Fokal çarpanla dar açıların da etkisinin artması yani 200 mm’lik bir objektifin 300 mm’lik lense denk gelmesi gibi bir durum, ilk anda bir avantajmış gibi gözükse de
doğrusu öyle değildir. Burada sadece 200 mm'lik bir objektifle çekilmiş görüntünün kenarları kırpıldığından, 300 mm ile çekilmiş etkisi yaratılmaktadır. Diğer yandan,
geniş açılarla fotoğraf çekmek isteyen kullanıcılar için durum daha da zorlaşmaktadır; çünkü örneğin elinde 24 mm geniş açı objektifi bulunan bir fotoğrafçının, fokal
çarpanı l,5x olan bir DSLR'de alacağı sonuç 36 mm objektifinki gibidir ve mimari çekim gibi bazı durumlarda bu objektif yetersiz kalacaktır.
Dijital fotoğraf üreticileri bu fokal çarpandan kaynaklanan görüntü kaybını full frame (24x36 mm) sensör üreterek çözmeye başladılar. İlk olarak Canon bu sorunu EOS1 D
ve EOS 5 D serilerinde çözdü, Nikon da bunu D3 modelinde uyguladı.
Sensörlerde piksel sayısı kadar elektronik devre vardır ve devrelerin kullanımı belli bir enerji gerektirir. Bu enerji karşılama durumuna göre dünyada sensörler iki şekilde
1- CCD (Charge Coupled Device)
2- CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
Son dönemlerde yeni nesil 3x Foveon sensörler de hayatımıza girmektedir. Bu sensörler CMOS özelliği taşısa da temel farklılığı nedeniyle ayrı incelemek gerekir.
Dünyada CCD sensörler daha yaygındır. Nikon bu tür sensörleri kullansa da son ürettiği D2 modelinde CMOS sensöre geçmiştir. Canon ise CMOS sensörün öncülüğünü yapmakta ve EOS 30 D’den sonra bütün modellerinde bu sensörü kullanmaktadır.
Hayatımıza yeni giren X3 Foveon sensörlerinin öncüsü ise Sigma’dır ve ilk uygulamasını SD 14 modeliyle dünyaya sunmuştur. Bu sensörlerin arasındaki farkı özetle şu şekilde anlatabiliriz.
CCD sensörler piksellerdeki voltaj bilgisini algılayıcının dışında bir ünitede inceler. Çip dışında yaptığı incelemenin gerektirdiği ekstra enerji tüketiminin pil ömrünü kısaltmasını da değişik piller üreterek halletmeye çalıştılar. CCD'ler CMOS'a göre yaklaşık 100 kat daha fazla enerji tüketir. Bu nedenle daha fazla ısınır ve bu da noise üretimini arttırır.
CMOS sensörlerde ise bu işlem çipin üzerinde incelenir. Bu da daha az enerji kullanımı demektir. Az enerji pillerin uzun süre kullanımına yol açar ve az enerji az ısı oluşturduğu için CMO sensörler daha az noise üretir. Özellikle yüksek asalı çekimlerde bu durum belirgin bir şekilde fark edilir.
FOVEON X3 SENSÖR
X3 algılayıcısı tıpkı renkli film gibi farklı 3 ayrı renkli katmana sahip ve her bir katman bir renge duyarlı. En önde mavi, sonra yeşil, en arkada da kırmızıya duyarlı katman bulunuyor. Renk ve görüntü değerlerini bu üç ayrı katmana saklayabiliyor. Piksel biçimleri kare değil altıgen. Sigma, 2002 yılından itibaren dijital kameralarında görüntü algılayıcı olarak X3 teknolojisini kullanmaya başlamıştı. Son olarak üretimi gerçekleştirilen Sigma SD14 de bu teknolojiyi kullanıyor. Bu kamera ile en yüksek çözünürlüklü Foveon X3 sensörünü tercih eden firmanın yeni algılayıcısı kırmızı, yeşil
ve mavi pikselleri dikey olarak sıralayan, film kalitesine yakın dijital kayıt yapabilen görüntü sensörü olma özelliği ile ön plana çıkıyor. Aslında 4.7 milyon piksellik bir algılayıcı olmasına rağmen, her bir katmanın ayrı ayrı çalışması nedeniyle toplamda 14.15 milyon piksellik bir görüntü oluşturuyor.
Foveon X3 algılayıcısı, renkleri olduğu gibi algılarken, çözünürlüğü de üst seviyede tutuyor. Geleneksel algılayıcılardan farklı olarak her dört algılama hücresi birlikte çalışıp ortak bir renk oluşturuyor ve sonra her bir piksele bu renkler atanıyor. Bu nedenle X3 sensörleri renk konusunda ciddi bir avantaja sahip.
Fill Factor: Sensörün üzerinde bulunan milyonlarca pikselin birbirine yapışık olduğu düşünülür. Gerçekte öyle değildir ve piksellerin etrafında küçük de olsa bir boşluk vardır. Bu boşluklar çıkarıldıktan sonra kalan alan ışığa duyarlı bölgedir ve buna algılayıcının Fill Factor’ı denir. Bu yüzey CMOS sensörlerde, CCD’lere oranla daha azdır. Bu boşluklar sensördeki ısıyı dağıtma yönünde faydalı olsalar bile bu bölgelere düşen görüntü bilgisi kaydedilmez ve moire gibi sorunlara neden olur. Bunu çözmek için de mikro lensler kullanılarak ara bölgeye düşecek görüntü bilgisi komşu pikselde toplanır.