ALGILAYICILAR

Algılayıcı en genel tanımıyla üzerine düşen ışığı elektriksel sinyallere dönüştüren elektronik bir elemandır.

Foton ışığın ve diğer elektromanyetik radyasyonların yayılımını sağlayan dalga paketi, ışık parçacığıdır.

Üzerine düşen ışık miktarına göre akım veya voltaj üreten elektronik cihazdır.

Algılayıcılar genellikle farklı standart boyutlarda üretilir. 35 mm’lik film ile aynı boyutlardaki (36mm x 24mm) algılayıcılar Tam Çerçeve (Full Frame) olarak adlandırılır, ancak nadiren kullanılan bir algılayıcı boyutudur.

Sayısal fotoğraf makinelerinde kullanılan algılayıcılar büyük oranda tam çerçeveden daha küçük boyuttaki algılayıcılardır. Bunun temel sebepleri yüksek üretim maliyeti ve üretimde karşılaşılan teknolojik zorluklardır.

Algılayıcı yüzeyi büyüdükçe elde edilen görüntünün kalitesi de yükselir. Aynı çözünürlükteki iki algılayıcıdan geniş yüzeyli olandaki ışığa duyarlı hücreler de daha büyük olacağından daha hassas ölçüm yapabilirler ve ortaya daha kaliteli fotoğraflar çıkar. Özellikle düşük ışık koşullarında bu kalite farkı kendini daha belirgin olarak gösterir.

Cep telefonu gibi küçük aygıtların içinde yer alan algılayıcılar küçük olmak zorunda olduğundan yüzeylerindeki ışığa duyarlı hücreler de küçüktür. Yüksek çözünürlüklü olmalarına karşın çok kaliteli fotoğraflar üretmemelerinin sebebi küçük yüzeyli algılayıcılarıdır.

Bir sayısal fotoğraf makinesinin çözünürlüğü algılayıcısının üzerindeki piksellerin sayısı tarafından belirlenir. Algılayıcı üzerindeki piksel yani ışığa duyarlı hücre sayısı arttıkça, çözünürlük ve buna bağlı olarak da görüntü kalitesi artar. Bir algılayıcı yüzeyindeki ışığa duyarlı hücre sayısı ile oluşan görüntüdeki piksel sayısının aynı olması beklenir, ancak böyle olmaz. Bunun sebebi algılayıcıdaki bazı hücrelerin görüntü oluşturmak dışında işlevleri olmasıdır.

Bir algılayıcı üzerinde sadece görüntü oluşturmak için kullanılan hücre sayısına Efektif Çözünürlük adı verilir.

Sayısal fotoğraf makinelerinin çözünürlüğü ile ilgili bir başka durum ise algılayıcı üzerinde az sayıda hücre olmasına rağmen ortaya çıkan görüntünün yüksek çözünürlüklü olmasıdır. Böyle bir durum elbette ki mümkün değildir. İnterpolasyon adı verilen bir yöntem ile görüntüdeki piksel sayısı yazılım aracılığı ile yapay olarak artırılır. Varolan piksellerden yola çıkarak var olmayan piksellere ait değerler tahmin edilerek araya yeni pikseller eklenir. Görüntünün çözünürlüğü bu yöntemle artırılır ancak kalitesini artırmak imkansızdır. Bu işlem bilgisayar ortamında herhangi bir görüntü işleme yazılımı ile de kolayca yapılabilir.

Dinamik aralık bir algılayıcının tanımlayabileceği beyaz olmayan en parlak değer ile siyah olmayan en koyu değerin birbirine oranıdır. Bu oran her bir piksel üzerine düşen ışığın parlaklığının siyah ile beyaz arasında ne kadar geniş bir yelpazeye göre tanımlanabileceğini belirler.

Sayısal fotoğrafta dinamik aralığı belirleyen şey ışığa duyarlı hücrelerin büyüklüğüdür. Hücre büyüklüğü arttıkça dinamik aralık yükselir ve görüntü kalitesi artar. Dinamik aralık düşük olduğunda belli bir parlaklığın üzerindeki bütün tonlar beyaz, belli bir parlaklığın altındaki bütün tonlar siyah görünür. Yüksek dinamik aralıkta ise aydınlık ve karanlık bölgelerdeki detaylar kaydedilebilir.

Işığa duyarlı fotodiyotlar ışığın rengine değil sadece yoğunluğuna karşı duyarlıdır. Yani üzerlerine düşen ışığın rengini algılayamazlar. Bu problemin çözümü Bayer Filtresi gibi Renkli Mozaik Filtreler (CFM) sayesinde mümkün olur. Adını mucidi olan Bryce E. Bayer’den alan Bayer Filtresi fotodiyotların üzerinde yer alan kırmızı, yeşil ve mavi renklerdeki filtrelerin belirli bir düzen içerisinde dizilmesiyle olu- şur. Bu dizideki yeşil filtrelerin sayısı mavi ve kırmızı filtrelerim sayıları toplamına eşittir. Daha çok yeşil filtre olmasının nedeni insan gözünün yeşil ışığa karşı daha duyarlı olması ve yeşil ışığın spektrumun orta bölümünde yer almasıdır. Fotodiyotlar renkleri algılayamaz ama bir Bayer Filtresi sayesinde hangi fotodiyotun hangi renkteki ışığı ölçtüğünü bilebiliriz. Yani algılayıcı üzerindeki her bir piksel kırmızı, yeşil ya da mavi renklerden sadece birisini algılayabilir, diğer iki rengi görmezden gelir. Bu fotoğrafı oluşturmak için ihtiyaç duyduğumuz bilginin üçte ikisinin eksik olduğu anlamına gelir. Bayer interpolasyonu olarak bilinen bir yöntem sayesinde her pikselde eksik olan iki renge ait bilgi, komşu piksellerden elde edilen veriler doğrultusunda tahmin edilerek oluşturulur ve her pikselin bir RGB renk değerine sahip olması sağlanır.

Algılayıcılar üretim teknikleri bakımından iki ana grupta incelenebilir. Bunlar CCD ve CMOS’tur. Günümüzde her iki teknikle de üretilen oldukça kaliteli algılayıcılar mevcuttur.

Her iki tür algılayıcı da ışığı algılamaları, metal oksit yarı iletken kullanmaları, gözle görünen ve görünmeyen ışığa aynı derecede duyarlı olmaları açısından benzerlikler gösterir. Işık enerjisini elektrik enerjisine benzer şekilde dönüştürürler ve ışığın rengine karşı değil, yoğunluğuna karşı duyarlıdırlar.

CCDler de CMOSlar gibi gelen ışık demetlerini ışığa duyarlı fotodiyotlar üzerine yönlendiren mikro merceklere sahiptir. CCDlerde hücrelerin ışığa duyarlı yüzeyleri oldukça geniştir ve genellikle hücrenin %95’ini kaplar. Bu CCDleri ışığı yakalama konusunda etkili kılar. Pozlanma süresince fotonlar bu hücrelere dolmaya devam eder. Hücreye dolan foton sayısı bir alt eşiği geçtikten sonra bu hücrede görüntünün bir pikseli oluşmaya başlar. Eğer eşiğin altında foton toplanırsa hücre siyah olur. Hücre tamamen fotonlarla dolduğunda piksel beyaz olur. Aradaki tüm değerler pikselin grinin tonları olmasına neden olur. Renkli filtreler kullanıldığı için aslında kırmızı, yeşil ya da mavinin tonları ortaya çıkar.

Eğer bir hücreye çok fazla foton dolarsa bu fotonlar dışarı taşar ve etraftaki hücrelere dolar, bu durumun sebep olduğu istenmeyen parlama etkisi “blooming” olarak adlandırılır. Bunu engellemenin tek yolu hücre taşma noktasına gelmeden fotonların bir kısmını dışarıya yönlendirmektir ve CCD’ler bunu gerçekleştiremez. 

CMOS’ların en önemli özelliği ışığın oluşturduğu elektrik akımlarının hücre içerisinde sayısal verilere dönüştürülmesidir. Hücrelerin içlerinde barındırdığı elektronik bileşenler sayesinde CMOS hücrelerindeki taşma belirli bir oranda engellenebilmekte ve “blooming” etkisi önemli ölçüde azaltılabilmektedir.

CMOS algılayıcılar görüntüyü işlemede çok daha etkindir çünkü analog/sayısal dönüşüm tüm hücrelerin içinde aynı anda gerçekleşir. Bu CMOS’ların daha hızlı olmasını ve daha az enerji tüketmelerini sağlar. Art arda hızlı çekimlerin yapılması gereken durumlarda CMOS algılayıcı kullanan fotoğraf makineleri tercih edilir. CMOS’ların yapısı RAMler gibi standart mikroçiplerin yapısına benzediğinden benzer olanaklarla ve üretim hatlarında üretilebilirler. CCD’lerin özel üretim koşulları gerektirmesi CMOS’lara üretim maliyeti açısından da bir avantaj kazandırır.

Fuji Film’in 1999 yılında geliştirdiği, CCD teknolojisi ile üretilen bir algılayıcı türü- dür. Standart kare şeklindeki hücreler yerine daha yüksek yatay ve dikey çözünürlüğe olanak veren altıgen şeklinde hücreler kullanır. En önemli özelliği her bir hücrede farklı büyüklükte iki fotodiyot içermesidir. Bunlardan büyük olan yüksek, küçük olan ise düşük hassasiyettedir. Hassas olan büyük hücreler karanlık alanları, daha az hassas olan küçük hücreler ise çok parlak alanları görüntülemek için idealdir. Bütün hücrelerden gelen verilerin uygun şekilde işlenmesi ile yüksek bir dinamik aralık elde edilmiş olur.

Bayer filtresi yönteminin en önemli dezavantajı her bir pikselin tek bir rengi algılaması ve komşu hücrelerden gelen veriler ışığında o pikselin rengini tahmin ediyor olmasıydı. Eğer algılayıcı yüzeyindeki tüm piksellerin her renkteki ışığı algılaması mümkün olsaydı çok daha fazla veri toplanabilirdi. İşte Foveon X3 algılayıcı Bayer filtresini ortadan kaldırarak yeni bir çözüm getirmektedir.

Foveon X3 algılayıcılar renkli filmin çalışma prensibini kullanır. Farklı dalga boyu aralığındaki ışığı emen üç farklı silikon katmanından oluşur. Bu sayede farklı renklere duyarlı hücreler yan yana değil alt alta dizilmişlerdir. Bir katman mavi, bir katman yeşil, bir katman da kırmızı ışığı emer. Böylece her bir piksel her üç renk ışığa karşı duyarlıdır.