بررسی و ساختار دوربین گوشی های هوشمند

امروزه یکی از بخش های بسیار مهم یک گوشی هوشمند، دوربین آن است. سالهایی را به یاد بیاورید که گوشی ها کاملا ساده بودند. بدون دوربین و امکانات گوناگون امروزی. اما بلافاصله پس از ورود اولین گوشی دوربین دار به بازار، انقلابی در این صنعت پدید آمد.
حالا گوشی که در دستان خود دارید فقط یک گوشی با قابلیت ابتدایی مکالمه نیست. یک گجت تمام عیار و همه فن حریف است که بخش مهمی از آن را دوربین تشکیل می دهد. همین لنز کوچک نصب شده در پشت گوشی، دنیای امروزی گوشی ها را در دست گرفته است به گونه ای که این پارامتر تبدیل به یکی از اولویت های اساسی به هنگام انتخاب گوشی تلفن همراه شده است. البته با باز شدن پای دوربین های چندگانه به گوشی ها، دوباره یک رقابت هیجانی بین آن ها ایجاد شده است.

در ابتدا باهم به تشریح و ساختار دوربین گوشی ها می پردازیم و پس از آن پارامترهای مهم در انتخاب دوربین را بررسی می کنیم. پس با ما همراه باشید.

به طور کلی دوربین کوچکی که در پشت یا جلوی گوشی جا خوش کرده است ار دو قسمت سنسور و لنز تشکیل شده است. این دو بخش به وسیله یک فلت به برد گوشی متصل می شوند. همچنین بخش دیگر آن، نرم افزار هوشمندی است که با تحلیل داده ها به کمک یک پردازنده تصویر، یک فایل تصویری با کیفیت را در اختیار شما قرار می دهد.

سنسور دوربین
بخشی از دوربین که عکس را می گیرد، سنسور است.  این مدار پیچیده به صورت یکپارچه، از ترکیب چندین حسگر نور، ترانزیستور، تقویت کننده و سخت‌افزارهای مربوط به پردازش و مدیریت انرژی ساخته شده است. وقتی نرم‌افزار هوشمند دوربین گوشی فرمان ضبط تصویر را می‌دهد، سنسور تمام داده‌های مورد نیاز را فراهم خواهد کرد. به هنگام ثبت تصویر، نور معکس شده از اشیا و اجسامی که در میدان دید دوربین قرار دارند، از طریق لنز وارد دوربین می شود و به حسگر نور دوربین انتقال پیدا می کند. این حسگر پس از جذب نور آن را به سیگنال های دیجیتالی تبدیل کرده و به واحد پردازش تصویر منتقل می کند و در این قسمت تصویر مورد نظر ایجاد شده و عملیاتی مانند کاهش نویز تصویر روی آن انجام می شود.

پس در حالت کلی سنسور وظیفه جذب نور منعکس شده از سوژه ها و تبدیل آن به داده ها و پارامترهای دیجیتالی را بر عهده دارد. هر حسگر دارای سه مشخصه عمده است که باعث مشخص کردن میزان کیفیت و عملکرد آن است. تعداد پیکسل ها، اندازه حسگر و تکنولوژی مورد استفاده برای جذب نور و تبدیل به داده های دیجیتالی. در ادامه به معرفی این سه مشخصه می پردازیم.

تعداد پیکسل

حسگر دوربین دیجیتال به صورت آرایه ای دو بعدی از پیکسل ها است که حاصل‌ ضرب تعداد ردیف‌ها در تعداد ستون‌ها، تعداد پیکسل‌های حسگر یا سنسور و در نهایت تعداد پیکسل‌های موجود در تصاویر خروجی است. همچنین لازم است بدانید مقیاس شمارش مقدار پیکسل ها در دوربین های امروزی واحد مگاپیکسل (MP) است. پس یک مگاپیکسل معادل با یک میلیون پیکسل است. برای واضح تر شدن این موضوع باید بگوییم که به عنوان مثال تصویر خروجی یک دوربین 16 مگاپیکسلی، معادل با 16 میلیون پیکسل است. البته این نکته را فراموش نکنید که هر چه تعداد پیکسل های یک تصویر بیشتر باشد، به هنگام زوم کردن، برش دادن و چاپ عکس در ابعاد بزرگ، نتیجه نهایی از کیفیت بیشتری برخوردار خواهد بود. البته پارامترهای دیگری نیز در کیفیت تصویر تأثیر دارند و فقط تعداد پیکسل ها تعیین کننده کیفیت تصویر نیستند.

اندازه حسگر

بزرگتر بودن اندازه حسگر دوربین به منزله جذب نور بیشتر است. حال هر چه نور دریافتی توسط حسگر بیشتر باشد، نویز تصاویر کمتر شده و عملکرد دوربین به خصوص در محیط های با نور کم بسیار بهتر می شود. همچنین قابلیت فوکوس روی سوژه های در حال حرکت دقیق تر شده و محدوده دینامیکی یا تفاوت روشنایی بین تاریک ترین و روشن ترین نقاط تصویر و جزئیات بالا می رود. این اندازه در اکثر دوربین های گوشی های هوشمند به جز گوشی های پرچمدار در حدود یک سوم اینچ است. اندازه حسگر اکثر دوربین‌های به کار رفته در گوشی‌های هوشمند غیر پرچم‌دار در حدود یک-سوم اینچ و در برخی گوشی های پرچم دار ممکن است تا یک اینچ هم باشد. در بازار فعلی رقابت بر سر تعداد پیکسل های دوربین است، به همین دلیل تولید کنندگان با کاهش اندازه پیکسل، سعی در گنجاندن تعداد بالاتری پیکسل بر روی دوربین دارند. از طرفی دیگر، طراحی گوشی های جدید به سمت باریک تر شدن می رود و این موضوع سبب اسجاد محدودیت در اندازه حسگرها شده است که باعث محدود شدن میزان نور ورودی و در نتیجه افزایش نویز تصویر شده می شود. به همین دلیل برخی از شرکت ها در افزایش تعداد پیکسل ها کمی با احتیاط عمل کرده و افزایش اندازه حسگر را به افزایش تعداد پیکسل ها ترجیح می دهند.

CCD یا CMOS

حسگر دوربین های دیجیتال بر پایه یکی از دو تکنولوژی CCD  و یا CMOS هستند. گوشی های دوربین دار ابتدایی از حسگر CCD استفاده می کردند ولی به دلیل مصرف باتری بیشتر و قیمت تمام شده بالاتر کم کم جای خود را به حسگرهای CMOS دادند. البته در تمامی دوربین های امروزی از تکنولوژی CMOS استفاده می شود.

سطح این حسگرها شامل آرایشی دو بعدی از آشکارسازهای نوری هستند. به این معنی که مثلا یک حسگر 16 مگاپیکسلی، از 16 میلیون آشکارساز نوری تشکیل شده است. مکانیسم کلی عملکرد یک حسگر CMOS به این صورت بوده که آشکارساز نوری مربوط به هر پیکسل از تصویر، اطلاعات آنالوگ و غیر دیجیتالی مربوط به فوتون‌های نوری که به آن برخورد کرده را دریافت می‌ کند. در نهایت این اطلاعات تقویت شده و به یک سیگنال دیجیتالی در ارتباط با روشنایی فوتون‌ها تبدیل خواهد شد. در انتها، یک الگوریتم نرم‌افزاری هوشمند با دریافت سیگنال‌های دیجیتالی، عکس رنگی با کیفیت را تولید می‌کند.

عدسی یا لنز

لنز وظیفه متمرکز کردن  نور بر حسگر دوربین را بر عهده دارد و از مجموعه‌ای از عدسی‌های پلاستیکی یا شیشه‌ای تشکیل شده است. عدسی‌های شیشه‌ای موجب افزایش کیفیت و وضوح تصویر می شود، از طرفی عدسی‌های پلاستیکی نیز ارزان‌تر و سبک‌تر هستند. وظایفی همچون متمرکز کردن و شکل‌ دادن به نور به طوریکه که با اندازه حسگر انطباق پیدا کند، اصلاح اشکالات احتمالی و همچنین فراهم کردن نقطه فوکوس پایانی تصویر از جمله وظایف لنزهای دوربین هستند.

تأثیر اندازه فاصله کانونی

به فاصله ای که  بین عدسی و حسگر دوربین وجود دارد، فاصله کانونی می گویند. فاصله کانونی تعیین کننده میزان میدان دید و همچنین میزان بزرگنمایی آن است. نسبت فاصله کانونی و میدان دید به این صورت است که هر چه فاصله کانونی کم تر باشد، میدان دید دوربین وسیع تر و بزرگنمایی کمتر و هر چه فاصله کانونی بیشتر باشد، میدان دید کمتر و محدودتر و بزرگنمایی بیشتر است.  فاصله بین عدسی و حسگر، بر مبنای اندازه حسگر و عملکرد مورد نظر برای لنز تعیین می‌شود. بیشتر ماژول دوربین‌های به کار رفته در گوشی‌های هوشمند، دارای حسگرهای کوچک با میدان دید وسیع بوده و دارای فاصله کانونی کوتاه و ثابت هستند. اندازه فاصله کانونی در دوربین گوشی های امروزی، کمتر از 5 میلیمتر است. همچنین برای وسیع تر کردن میدان دید، می توان از عدسی های جانبی که در بازار وجود دارند و به راحتی بر روی گوشی قابل نصب هستند استفاده نمود.

دریچه یا دیافراگم

به دریچه ای که بین حسگر و عدسی دوربین وجود دارد و نور متمرکز شده را از خود عبور می دهد و به حسگر می تاباند، دیافراگم می گویند. اندازه این دریچه تعیین کننده میزان نور عبوری و تنظیم وضوح و فوکوس تصویر است. این اندازه در دوربین گوشی ها میزان ثابت است و نمی توان میزان نور منتقل شده را تغییر داد. اندازه دهانه دیافراگم نسبت به فاصله کانونی را به صورت f/number بیان می‌ کنند. اندازه F/3.0 برای دیافراگم به این معنی‌ بوده که اندازه فاصله کانونی دوربین، 2 برابر قطر دیافراگم، یا به عبارت ساده تر، قطر دیافراگم برابر با یک سوم فاصله کانونی است. بنابراین هرچه این نسبت کوچک‌تر باشد، دیافراگم دوربین بزرگ‌تر و نور بیش‌تری به حسگر انتقال پیدا می کند.  همچنین اگر اندازه دیافراگم افزایش پیدا کند، عملکرد کلی دوربین در شرایط کم نور بهتر و عمق میدان دید کاهش خواهد یافت و در نتیجه سوژه مورد نظر واضح‌‌تر و پس‌زمینه تصویر به تدریج تار و محو می‌شود.

ایزو (ISO)

ایزو، تعیین کننده میزان حساسیت دوربین به نور است و اپلیکیشن‌های پیشرفته کنترل دوربین گوشی، امکان تنظیم آن را فراهم می کنند. هرچه میزان ایزو بزرگ‌تر باشد، حسگر دوربین نسبت به نور حساس‌تر می شود. البته به خاطر داشته باشید که افزایش حساسیت حسگر به نور، موجب افزایش نویز تصویر می شود. حال اگر کیفیت تصویر خیلی مهم است، باید میزان ایزو را به پایین ترین سطح تنظیم کنید.

فوکوس خودکار و سرعت شاتر

فرایند تمرکز یا فوکوس بر روی نقاط مختلف تصویر، از طریق جابجایی بخشی از عناصر تشکیل دهنده عدسی به کمک یک موتور داخلی ویژه قابل انجام است.  اساس کار فوکوس اتوماتیک به این ترتیب بوده که سیستم کنترل فوکوس، وضعیت پیکسل‌های تصویر را به طور دائم در سطح حسگر دوربین بررسی کرده و بر اساس نتایج حاصل شده، اجزای قابل حرکت لنز را نسبت به حسگر دورتر یا نزدیک‌تر کرده تا بهترین شرایط فوکوس یا تمرکز ایجاد شود.

 پارامتر دیگری که کیفیت نهایی عکس را تعیین می کند، سرعت شاتر است. البته باید بدانید که وظیفه شاتر جلوگیری از رسیدن نور به حسگر است. در زمان عکس گرفتن، شاتر به مدت کوتاهی باز و مجدد بسته می‌شود. میزان و مدت این فاصله زمانی بین باز و بسته شدن شاتر، با تغییر سرعت شاتر قابل تنظیم است. سرعت شاتر با مقیاس ثانیه نمایش داده می‌شود. برای درک راحت تر باید بگوییم اگر عدد 1 را برای سرعت شاتر در نظر بگیریم، به این معنی است که شاتر 1 ثانیه برای جمع کردن نور در هر عکس باز خواهد بود. هر چه عدد تنظیمی کوچکتر باشد، سرعت شاتر افزایش پیدا می کند. اگر مدت باز بودن شاتر طولانی‌تر باشد، میزان نور بیشتری وارد حسگر شده و در نهایت منجر به تار شدن تصویر می شود. به عنوان مثال برای گرفتن عکس از سوژه‌های با تحرک زیاد، باید سرعت شاتر بالاتر، یعنی بازه زمانی کوچک‌تر و برای عکس‌برداری در محیط‌های با نور کم و یا ثبت تصویرهای صاعقه و آتش‌بازی، سرعت شاتر پایین‌تر، یعنی بازه زمانی بزرگ‌تر باشد.

تثبیت نمودن تصویر
منظور از تثبیت تصویر، کاهش و خنثی کردن اثر تکان ها و لرزش های دست یا دوربین به هنگام عکس گرفتن است. فرایند تثبیت تصویر به دو روش نوری یا OIS و دیجیتالی یا DIS انجام می شود. در روش نوری عملیات تثبیت قبل از تبدیل نور به سیگنال های دیجیتال، و در روش دیجیتالی این عمل پس از ثبت شدن تصویر و به کمک پردازش نرم افزاری انجام می شود. روش تثبیت نوری بسیار با کیفیت تر و بهتر است ولی در عوض پرهزینه و پیچیده است.

فلش دوربین

برای گرفتن عکس های بهتر در محیط های کم نور و تنظیم میزان نور آن، استفاده از فلش گوشی که به دو صورت زنون یا ال ای دی وجود دارند توصیه می شود. فلش های زنون از یک لوله شیشه ای پر شده با گاز زنون تشکیل شده اند.پس از دریافت یک جریان الکتریکی با ولتاژ بالا نور سفید بسیاز زیادی از خود تولید می کنند. همچنین نسبت به فلش‌های LED تولید نور بیشتر و روشن تری دارند. این نوع فلش‌ها با روشن کردن بیشتر فضای تصویر، به عمق بیش‌تری از محیط نفوذ و امکان افزایش  سرعت شاتر را فراهم می آورند. فلش های زنون دارای اندازه بزرگ و مصرف زیاد باتری هستند که با توجه به باریک شدن گوشی های امروزی که فضای زیادی برای استفاده از باتری های با ظرفیت بالاتر ندارند، عیب بزرگی محسوب می شود و به همین دلیل به جز موارد محدود، استفاده از آنها در گوشی های جدید امکان پذیر نیست.

از طرفی فلش های ال ای دی با توجه به کوچک بودن و کم مصرف بودنشان، به شدت مورد توجه شرکت های تولید کننده قرار گرفته اند. این فلش ها توانایی خاموش و روشن شدن سریع و همچنین روشن نگه داشتن طولانی مدت برای فیلمبرداری و استفاده از چراغ قوه را دارند.

جمع بندی

در این مقاله به صورت مختصر با ساختار دوربین های تلفن همراه و همچنین تکنولوژی های متداول در ساخت آنها و نحوه عملکرد آنها آشنا شدیم. لازم است به این نکته اشاره کنیم که در بیشتر گوشی های جدید از دوربین های چندگانه استفاده می شود. از مزیت استفاده از این دوربین ها می توان به افزایش عمق تصویر و صبت جزئیات بیشتر، ثبت تصاویر واید با فضای گسترده تر، مات کردن پس زمینه تصاویر، بزرگنمایی بیشتر و بدون دردسر و همچنین ثبت تصاویر پرسپکتیو اشاره کرد.

تمامی ساختار یکپارچه که در بالا به آنها اشاره شده، در یک مجموعه جمع شده و دوربین گوشی را تشکیل می دهند که به وسیله یک شیشه محافظ که به آن شیشه دوربین می گویند محافظت می شوند. البته به خاطر داشته باشید که اگر دوربین گوشی شما آسیب دید و یا شیشه آن دچار شکستگی شد، همانند سایر قطعات گوشی مانند فریم ال سی دی، خشاب سیمکارت، فلت ال سی دی و... به صورت جداگانه در بازار و فروشگاه سی و سه پل قابل تهیه است.