חיישן הצילום - מקצוע א חוזי ט

🎯 חשיבות הנושא

בדומה לפעולת העין האנושית, שבה אור הנכנס דרך האישון מתורגם לאות חשמלי שזורם למוח, מצלמת הווידיאו ממירה את האור שעובר דרך העדשה לאות חשמלי ואות דיגיטלי. המרת האות חיונית לצורך שימור המידע, בדומה למוח שהופך את האות החשמלי לתרגום חזותי הנשמר בזיכרון של האדם הרואה. במצלמת הווידיאו, האות החשמלי מוקלט באמצעי הקלטה מגנטיים.

חיישן המצלמה ממיר את האור לאות חשמלי ואות דיגיטלי לפחות 25 פעמים בשנייה. על החיישן להיות ברגישות המתאימה כדי שעוצמת האור תתורגם לעוצמת זרם המשקפת את איכות התמונה הקולנועית הנקלטת בעדשה. התמונה הסופית, זאת שמוצגת על המסך, צריכה להתאים לאופן שבו נקלטת התמונה בעין האנושית.

📚 מטרות, מושגים ותתי-נושאים

תת-נושאים:

י.1 תא פוטו-אלקטרי.
י.2 חיישן הצילום.
י.3 חיישן CCD.
י.4 חיישן CMOS.
י.5 ההבדלים בין חיישני CCD לחיישני CMOS.
י.6 אופן פעולת החיישן CMOS (רולינג שאטר / גלובל שאטר).
י.7 מערך באייר.

מטרות אופרטיביות:

התלמיד יבין את חשיבות המרת האור לחשמל ולאות דיגיטלי.
התלמיד ידע מהם סוגי החיישנים המקובלים לעבודת צילום.
התלמיד ידע מה ההבדל בין חיישן מסוג גלובל שאטר לחיישן מסוג רולינג שאטר.
התלמיד יבין את משמעות ההבדל בין גדלים של חיישנים.

מושגי יסוד:

תא פוטו-אלקטרי חיישן צילום (Camera sensor) חיישן CCD חיישן CMOS גלובל שאטר (Global shutter) רולינג שאטר (Rolling shutter) מטריצת באייר (Bayer Pattern)

רקע היסטורי: במחצית השנייה של המאה העשרים, צילום במצלמות וידיאו התבצע בעזרת רכיב חשמלי שהחליף את הפילם הכימי. רכיב זה נקרא חיישן צילום. הפילם היה בנוי משכבה של חומר כימי המכיל גבישים רגישים לאור. ככל שמספר הגבישים היה רב וצפוף יותר, איכות התמונה (הרזולוציה) הייתה גבוהה יותר.

י.1 תא פוטו-אלקטרי

חיישן הצילום החשמלי נמצא בתוך גוף המצלמה ומכיל מספר רב של תאים (בין 2 מיליון ב-HD ל-80 מיליון ב-12K). תאים אלה נקראים תאים פוטו-אלקטריים או פיקסלים.

תא פוטו-אלקטרי סופג אור מצדו האחד, ומצדו השני משחרר מטען של אלקטרונים שנוצרו מעוצמת האור שפגע בו. אם נכנס אור חזק - זרימת האלקטרונים תהיה מוגברת (תמונה בהירה). אם האור חלש - הזרימה נמוכה (תמונה כהה).

י.2 חיישן הצילום

בתהליך צילום תמונה אחת, האור נקלט בתאים הפוטו-אלקטריים, מומר למטען חשמלי ומרוקן לכיוון גוף המצלמה להקלטה. בווידיאו התהליך קורה לפחות 25 פעמים בשנייה.

בחיישנים מודרניים מסוג CMOS, כל תא ממיר את המטען החשמלי לאות דיגיטלי.
הערה: חיישן המכיל תאים פוטו-אלקטריים בלבד רואה ב"שחור-לבן" (עוצמת אור בלבד). כדי לקבל צבע, מוסיפים פילטר צבעוני (מערך באייר).

המרה מאנלוגי לדיגיטלי (ADC)

האות היוצא מהחיישן הוא זרם חשמלי (אנלוגי). רכיב ADC (Analog to Digital Converter) דוגם את עוצמת האות ומקצה לו ערך מספרי (דיגיטלי). למשל: לבן = 1, שחור = 0.

י.3 חיישן CCD (Charge Coupled Device)

חיישן ותיק יותר. עקרון הפעולה: המטען החשמלי עובר מפיקסל לפיקסל (כמו שרשרת) עד ליציאה מהחיישן וריקון מלא.
שיטת הריקון הישנה יצרה לעיתים מריחת אור (Smear) בתמונה.

י.4 חיישן CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

החיישן הנפוץ כיום. ההבדל העיקרי: כל פיקסל מכיל מגבר משלו וממיר את האות לדיגיטלי באופן עצמאי.

יתרונות וחסרונות מול CCD:

CMOS זול יותר לייצור: מיוצר בקווי ייצור של שבבי מחשב רגילים.
צריכת חשמל נמוכה: יתרון משמעותי לסוללות.
מהירות קריאה גבוהה: מאפשר צילום ברזולוציות גבוהות (4K) וקצב פריימים מהיר.
רגישות לאור (בעבר): בגלל המגבר שתופס מקום על הפיקסל, שטח הקליטה היה קטן יותר. פתרון מודרני: חיישני BSI (Back Side Illuminated) שבהם החיווט נמצא מאחור.
רעש דיגיטלי: בעבר CMOS סבל יותר מרעש בכהים, אך הטכנולוגיה השתפרה מאוד.

י.6 אופן פעולת החיישן (Global vs Rolling Shutter)

Global Shutter: כל הפיקסלים נחשפים ומרוקנים את המידע בבת אחת (כמו בפילם). מונע עיוותים בתנועה מהירה, אך יקר יותר ומחייב מעבדים חזקים. נפוץ במצלמות קולנוע יוקרתיות.

Rolling Shutter: החיישן סורק את התמונה שורה אחר שורה (מלמעלה למטה). זול יותר לייצור.
החיסרון: בתנועה מהירה (של המצלמה או האובייקט), נוצר עיוות גיאומטרי ("ג'לי") כי המיקום של האובייקט משתנה בין סריקת השורה הראשונה לאחרונה.

י.7 מערך באייר (Bayer Pattern)

כאמור, פיקסלים "עיוורים" לצבע. כדי ליצור תמונה צבעונית בחיישן יחיד, מניחים על הפיקסלים פילטרים בצבעי יסוד: אדום, ירוק וכחול.
במערך באייר, יש פי 2 פיקסלים ירוקים מאדומים או כחולים (כי העין האנושית רגישה יותר לירוק).
תהליך Debayer: אלגוריתם במצלמה (או במחשב) משקלל את המידע מהפיקסלים השכנים כדי לשחזר את הצבע המלא של כל נקודה בתמונה.

🔗 קישורים ומקורות

מקורות: פרקים בטכנולוגיות צילום (משרד החינוך 2005) | מאור אלימלך (SternFX) | Tania Hoser, Introduction to Cinematography.