Image Sensor คือ ? Photosite ทำงานอย่างไร ?

สวัสดีครับเพื่อนๆ ถึงตอนนี้เราจะมาดูกันต่อในส่วนประกอบหลักที่สำคัญมากๆอีกส่วนหนึ่งของตัวกล้องดิจิตอล นั่นก็คือเซนเซอร์รับภาพ (Image sensor) และ Photosite ที่บรรจุอยู่ภายในภายใน image sensor เรียกว่าถ้าขาดสองส่วนนี้ไป ก็คงจะถ่ายรูปไม่ได้ล่ะครับ

หน้าที่ของเซนเซอร์รับภาพ หรือ Image Sensor

หน้าที่ของเซนเซอร์รับภาพ หรือ image sensor ก็เปรียบเสมือนแผ่นฟิล์มในยุคดิจิตอลนั่นเอง Image sensor ประกอบด้วย chip ซิลิกอนขนาดเล็กๆมายมายซึ่งภายในบรรจุไดโอดไวแสง (Photosite) เอาไว้ ซึ่งเจ้าตัวพวกนี้ล่ะครับ จะทำหน้าที่ในการรับรู้ถึงปริมาณแสงในส่วนต่างๆของภาพเพื่อส่งให้หน่วยประมวลผล เอาไปใช้และสร้างออกมาเป็นภาพที่เราเห็นกันในที่สุด ภาพข้างล่างจะแสดงเปรียบเทียบให้เห็นชัดเจนขึ้นเมื่อเทียบระหว่าง Film กับ image sensor

รู้จักกับ Photosite

หลักการทำงานของ Photosite ใน image sensor ก็คือเมื่อมีปริมาณแสงตกมากระทบ Photosite มันจะสร้างสัญญาณกระแสไฟฟ้าออกมา โดยยิ่งแสงตกลงมามาก กระแสที่สร้างขึ้นก็มากตามไปด้วย กระแสไฟฟ้าเหล่านี้จะถูกแปลงให้เป็นสัญญาณ Digital ผ่านทาง A/D Converter ซึ่งหน่วยประมวลผลก็สามารถเอาไปใช้สร้างสรรค์ออกมาเป็นภาพได้ต่อไป ตรงนี้มีจุดที่น่าสนใจอยู่ 2 ประการคือ

• ยิ่งมีจำนวน Photosite มากเท่าไหร่ ความละเอียดของภาพที่ได้ก็จะมากขึ้น
• ยิ่ง Photosite มีขนาดใหญ่เท่าไหร่ ความแม่นยำในการวัดสภาพแสงก็มากขึ้น

จำนวน Photosite เหล่านี้ก็คือเจ้า MP (Megapixel) ที่เรามักจะพูดถึงกันนั่นเอง กล้องที่มีจำนวน Photosite มาก ก็ย่อมจะมีโอกาสในการตรวจสอบสภาพแสง ณ จุดต่างๆของภาพได้ละเอียดขึ้น .. แต่ ก็ไม่ใช่ทั้งหมดครับ เพราะขนาดของแต่ละ Photosite ก็มีผลด้วยเช่นกัน ยิ่ง Photosite มีขนาดใหญ่ มันก็มีพื้นที่รับแสงมากขึ้น การสร้างกระแสไฟฟ้าก็มากขึ้น ทำให้ การคำนวณก็ละเอียดและแม่นยำขึ้นด้วย

ระหว่างกล้อง compact ความละเอียด 15MP กับกล้อง DSLR ความละเอียด 10MP อันไหนจะให้คุณภาพของภาพได้ดีกว่ากัน?

คำตอบก็คือ DSLR ครับ จริงอยู่ที่กล้อง Compact ตัวนี้อาจจะมีจำนวน MP ที่สูงกว่า แต่ว่า image sensor ของกล้อง Compact นั้นมีขนาดเล็กกว่า DSLR มาก (ประมาณ 1.5-2 เท่า) ลองนึกถึงสภาพ photesites 15 ล้านตัวต้องถูกอัดลงไปอยู่ในพื้นที่แคบๆสิครับ ตรงนี้ล่ะครับ มีผลต่อคุณภาพของภาพที่ได้อย่างมาก ต่างกับกล้อง DSLR ซึ่งแม้จะมีแค่ 10 ล้านพิกเซล แต่ว่าพื้นที่กว้างขวาง ทำให้แต่ละ photosite มีขนาดใหญ่ ความสามารถในการรับแสงมากกว่า การคำนวณภาพออกมาก็เลยดีกว่า มีสัญญาณรบกวนน้อยกว่า นอกจากนี้ถ้าขนาด photosite เล็กมากๆ แล้วปริมาณแสงที่ตกลงมามีมากเกินกว่าที่มันจะรับได้ ก็จะทำให้ภาพที่ออกมามีลักษณะเป็นแสงขาวๆฟุ้งๆอีกด้วย

Image Sensor ทำให้ภาพออกมาเป็นสีสันได้อย่างไร

ทีนี้เจ้า photosites ใน Image Sensor เหล่านี้รับปริมาณแสงเข้ามาหาตัวมัน แล้วมันก็บอกได้ว่าอันไหนสว่างมาก อันไหนสว่างน้อย แล้วทำไมภาพถึงออกมาเป็นสีสันได้อย่างไร ? ตรงนี้ก็ต้องมีตัวช่วยครับ ก็คือเค้าจะเอาฟิลเตอร์สีแดง เขียว และน้ำเงิน มาวางเป็นตัวกรองด้านหน้า image sensor อีกทีหนึ่ง โดยฟิลเตอร์นี้จะยอมให้แสงที่มีสีเหมือนตัวเองผ่านไปได้ แสงที่ไม่เหมือนก็จะถูกกั้นไว้ เมื่อรวมข้อมูลหลายๆจุดเข้าด้วยกันทำให้เกิดภาพออกมาเป็นสีสันได้อย่างที่เราเห็นๆกันครับ

CCD Sensor กับ CMOS sensor

เริ่มมึนๆกันบ้างรึยังครับ ผมพยายามไม่พูดถึงรายละเอียดที่เป็นเทคนิคมากนัก พอให้เข้าใจหลักการทำงานเบื้องต้นของมันไปก่อนนะครับ ทีนี้ เวลาเพื่อนๆอ่านสเปคกล้องดิจิตอลเคยเห็นคำเหล่านี้บ้างไม๊ครับ

• CCD sensor
• CMOS sensor

คงจะต้องผ่านๆตากันมาบ้างนะครับ สองตัวนี้ต่างกันยังไงล่ะ ง่ายๆเลย ที่ผมอธิบายมาข้างบนนี้เป็นหลักการของ CCD Sensor ครับ ข้อดีของระบบเซนเซอร์แบบ CCD ก็คือมันสามารถควบคุมสัญญาณรบกวน (ที่เราเรียกกันว่า Noise ในภาพ ลักษณะเป็นเม็ดเกรนหยาบๆ เห็นได้ชัดในเวลาที่ภ่ายภาพภายใต้แสงน้อยๆ) ได้ดีกว่า เนื่องจากตัวมันทำหน้าที่แค่รับแสง แล้วส่งต่อไปให้หน่วยประมวลผลคำนวณแบบแยกส่วนกัน ทำให้ขนาด Photodiode ที่อยู่บน CCD Sensor จะมีขนาดใหญ่กว่าและมีความไวแสงมากกว่า ภาพที่ได้ก็จะมีคุณภาพที่ดีกว่า ส่วนข้อเสียหลักๆของ CCD sensor ก็คือใช้พลังงานค่อนข้างเยอะกว่า (เมื่อเทียบกับ CMOS sensor) แล้วก็ต้นทุนในการผลิตค่อนข้างจะสูง (ต้องมีวงจรแยกสำหรับการประมวลผล A/D converter) ทำให้ปัจจุบัน หลายๆค่ายที่ผลิตกล้องเริ่มหันไปพัฒนาระบบ CMOS กันมากขึ้น

CMOS sensor ใช้หลักการผลิตเหมือนก้บ CPU คอมพิวเตอร์ การทำงานหลักๆก็เหมือนกับ CCD sensor ครับ จะต่างกันตรงที่แต่ละ pixel สามารถที่จะรับแสงและแปลงค่าออกมาเป็น digital ได้ในตัวมันเอง ไม่จำเป็นต้องใช้วงจรแยก ทำให้มีต้นทุนในการผลิตที่ถูกกว่าและยังประหยัดพลังงานอีกด้วย ในส่วนของคุณภาพเนื่องจากขนาด photosite ใน CMOS sensor มีขนาดเล็กกว่า CCD sensor(ต้องแบ่งที่ส่วนหนึ่งให้กับวงจรไฟฟ้า) ทำให้ภาพที่ได้มีสัญญาณรบกวนมากกว่า แต่อย่างไรก็ตาม ด้วยขบวนการผลิต และต้นทุนที่ถูกกว่า ทำให้ค่ายกล้องในปัจจุบันหันมาพัฒนาเทคโนโลยี CMOS กันมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง จนเรียกได้ว่าทุกวันนี้คุณภาพของภาพที่ได้ออกมาใกล้เคียง CCD เลยทีเดียว

ร่ายกันมายาวเลยทีเดียวครับในวันนี้ เหนื่อยกันรึยังเอ่ย … เดี๋ยวในตอนต่อไปเราจะมาว่ากันด้วยเรื่องของขนาด image sensor กัน อย่าลืมติดตามอ่านกันต่อนะครับ