توضیحی جامع بر درک فنی ISO در عکاسی

توضیحی جامع بر درک فنی ISO در عکاسی

سطح آموزش: پیشرفته

اکثر افراد کاربرد عملی ISO را درک میکنند، اما ایزو اصلا چیست؟ از کجا می‌آید؟ و تفاوت ISO در فیلم با ISO در دیجیتال چیست؟ در این مقاله به تاریخچه و توضیحی جامع بر درک فنی ISO در عکاسی میپردازیم و میبینیم که اصلا ISO به چه معنی است و چگونه عمل میکند.

تاریخچه

در حرفه‌ی عکاسی ISO سیستم رتبه بندی استاندارد حساسیت نور رسانه واسط عکاسی است. ISO مخفف کلمه International Organisation for Standardisation (سازمان بین‌المللی استانداردسازی) است، سازمانی که در راستای استاندارد کردن انواع محصولات و فرآیندها برای ایجاد حداکثر ایمنی و قابلیت فعالیت میکند.

این سازمان رتبه‌بندی ISO را برای فیلم در سال ۱۹۷۴ با ترکیب پیشرفته‌ترین سیستم‌ها همچون DIN آلمان و ASA آمریکا (که اکنون با عنوان ANSI شناخته میشوند) در یک استاندارد جهانی کدگذاری کرد.

این دو سیستم به سالهای ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰ برمیگردند، قبل از اینکه سیستم‌های رتبه‌بندی مختلف توسط تولیدکنندگان و مهندسین مختلف ساخته شوند ، البته بجز فیلم ۳۵ میلیمتری که در سال ۱۹۰۹ بعنوان استاندارد جهانی پذیرفته شد. معرفی ۱۲۰ فرمت واسط برای فیلم در همین زمان تاریخگذاری شده است، اما هر چقدر اندازه فیلم بزرگتر میشد، هزینه و بدین ترتیب محبوبیت کلی خودش را بین تازه‌کاران از دست میداد.

چطور اندازه‌گیری شده است

خود اعداد به چه معنی هستند؟ چهار استاندارد ISO وجود دارند که بر فیلم نگاتیو رنگی، فیلم نگاتیو سیاه و سفید، فیلم اسلاید رنگی و سنسورهای دیجیتال حکمفرمایی میکنند. این استانداردها کالیبره شده‌اند تا صرف نظر از نوع فیلم یا رسانه ی واسط، حساسیت موثر بصورت تئوری مشابه باشد.

دانستن این مساله برای مقاصد کاربردی ریاضیاتی در حین تصویربرداری مفید است. گرچه عکاسان معمولا به این نتیجه رسیده‌اند که برای بعضی فیلم‌ها، تنظیم دوربین روی رتبه‌بندی ISO متفاوتی نسبت به سرعت نامی یک فیلم بخصوص نتایج بهتری بدست میدهد.

اختلاف در امولسیون و تفسیر فرآیندهای اندازه‌گیری در بین تولیدکنندگان، کارخانه‌ها و حتی سیستم های تولید، و همینطور تنوع ذاتی فرآیند شیمیایی، بدین معنی است که حتی با استانداردسازی، نتایج میتواند متغیر باشد.

اخیرا سرعت فیلم با استفاده از منحنی مشخصه اندازه‌گیری میشود که عملکرد کلی تونال فیلم را توضیح میدهد. این منحنی با استفاده از یک ورقه‌ی حساسیت سنجی، نوعی از فیلتر اشباع یافته ND که شامل آرایه‌ای از ۲۱ سایه ی خاکستری (از سیاه تا سفید) می باشد و بطور دقیق کالیبره شده ایجاد شده است.

این آرایه‌ها در یک حسگر همراه با یک شاتر نور، نگهدار فیلتر و نگهدار فیلم در مقابل فیلم قرار گرفته‌اند. بعد از انجام فرآیند، یک رتبه‌بندی در چگالی نوری (تاریکی و یا بیرنگی) امولسیون بخش نور خورده ی فیلم حاصل میشود.

هر ۲۱ درجه با استفاده از یک تجهیز بسیار دقیق با عنوان چگالی‌سنج اندازه‌گیری شده است که بر فیلم روی یک آشکارساز نور می‌تاباند و مقداری در اسکیل بین صفر تا ۳ را میخواند. وقتی که تمامی ۲۱ مرحله اندازه‌گیری شد، روی یک نمودار بر حسب میلی لوکس ثانیه قرار میگیرند.

این گراف بخش‌های مختلفی دارد که جوانب مختلفی از فیلم مثل مه گرفتن، گاما، کنتراست و غیره را توضیح میدهد. بخشی که برای ما در رتبه‌بندی سرعت ISO فیلم جالب است به اندازه ی ۰.۱ چگالی بالاتری از مقدار حداقل چگالی دارد. اسم این نقطه را x میگذاریم. این مقدار علمی نیست، اما بطوری مرسوم بعنوان حداقل اختلاف در چگالی که چشم معمولی انسان میتواند تشخیص دهد پذیرفته شده است.

معادله برای سرعت فیلم برابر است با ۸۰۰ تقسیم بر log -1 ضرب در x . در صورتی که مقدار اکسپوژر بجای میلی لوکس ثانیه بر حسب لوکس ثانیه اندازه گیری شود، معادله سرعت برابر است با ۰.۸ تقسیم بر log -1 ضرب در x . دقت کنید که من مبنای لگاریتم را ۱۰- در نظر گرفتم، نه مقدار لگاریتم طبیعی که در آن عدد مبنا عدد نپر (e=2.17) است. همینطور که سرعت دوبرابر میشود یا نصف میشود، حساسیت به نور هم دوبرابر یا نصف میشود.

چطور حساسیت تغییر میکند

فیلم از تعلیق بلورهای هالید نقره در یک دیواره ژلاتینی ساخته شده است. این امولسیون بشکلی ظریف در چندین لایه همراه با رنگ و عوامل فرآیند در یک ساختار سلولوییدی قرار گرفته است و از سمت پشت با پوشش لمسی فیزیکی محافظت شده است. کریستال هالید نقره واسط اصلی عکسبرداری است.

این مواد به انتهای آبی طیف نور مرئی واکنش نشان میدهند (به همین ترتیب در زمان تصویربرداری فیلم به فیلتر UV نیاز است). در حین توسعه با ترکیب‌های ارگانیک پوشیده یا آغشته شده‌اند که آنها را به طیف کامل مرئی حساس میکند.

فوتون‌هایی که با هالید نقره یا حساس‌کننده‌های طیفی برخورد میکنند انرژی خودشان را در مولکول منتقل میکنند. این موجب میشود که یک الکترون از یون هالید در کریستال هالید نقره گرفته شود. که میتواند توسط یک یون نقره انحصار شود تا یک اتم نقره با الکتریسته ی خنثی شکل گیرد.

گرچه این فرآیند پایدار نیست. فوتوالکترون‌های بیشتری باید در همان ناحیه موجود باشند تا اتم‌های نقره بیشتری شکل گیرد و خوشه‌ی پایداری از سه یا چهار اتم نقره ایجاد شود. در غیر اینصورت میتوانند دوباره به یون نقره و الکترون‌های آزاد تجزیه شوند. هر چه فوتوالکترون بیشتری تولید شود، اتم‌های نقره بیشتری شکل میگیرد.

خوشه‌ی اتمی نقره خالص این سایز پایدار، واکنش با توسعه‌دهنده را کاتالیز میکند که بدین صورت کل کریستال را در دانه فلزی نقره تجزیه میکند و بدلیل سطح ناهموار و سایزش سیاه به نظر میرسد.

سپس دوای ثبوت عکاسی با بقیه ی کریستال نمک هالید نقره حل میشود که بعد از آن شسته میشوند. این برای یک قرن اساس کلی عکاسی بوده است. حالا این چه ارتباطی با حساسیت فیلم دارد؟

جواب این سوال خیلی ساده هست: احتمالات. هر چقدر کریستال‌های هالید نقره بزرگتر باشند، احتمال آن بیشتر است که فوتون‌ها به آنها برخورد کرده و جذب شوند. برای اینکه یک مقایسه ساده انجام دهیم، در صورتی که یک تور پروانه بزرگ را در بین جمعیت زیادی از پروانه‌ها ببرید احتمال گرفتن پروانه بیشتری دارید تا اینکه تور کوچکتری را در جمعیت مشابهی از پروانه‌ها ببرید.

کریستال‌های بزرگتر ناحیه سطحی بزرگتری رو به لنز دارند و منطقا حساسیت نور مستقیما با احتمال برخورد نور به سطح رابطه مستقیم دارد.

بدین ترتیب فیلم با سرعت کم مثل ISO برابر با ۲۵ ، ۵۰ و ۱۰۰ گرین خیلی خوبی برای کم کردن مقدار نور برخوردی دارد و این برای ثبت خوب جزئیات مفید است. برعکس، فیلم های با سرعت بالا مثل ISO برابر با ۱۶۰۰ و ۳۲۰۰ نسبتا گرین‌های بزرگتری برای حداکثر شانس ممکن ثبت فوتون دارد و بدین ترتیب کیفیت خیلی گرینی دارد.

در مورد دیجیتال به چه صورت عمل میکند

دوربین‌های دیجیتال هیچ فرآیند شیمیایی ندارند، و با روشی مشابه با فیلم نمیتوان ISO آنها را اندازه گیری کرد. گرچه سیستم رتبه‌بندی ISO برای آن به شکلی طراحی شده تا بطور منطقی از نظر حساسیت نور واقعی شبیه به فیلم باشد. از نظر فنی عبارت مورد استفاده برای سنسورهای دیجیتال بجای ISO عبارت Exposure Index یا شاخص قرارگیری در معرض نور است، اما از آنجا که استاندارد ISO آنرا پوشش میدهد، مشکلی در استفاده از عبارت مرسوم ISO نمیبینم.

بجای حداقل سطح اکسپوژر مرئی، حساسیت سنسورهای دیجیتال با اکسپوژر مورد نیاز برای تولید خروجی سیگنال مشخصه از پیش تعیین شده مشخص میشود. استاندارد ISO که حساسیت سنسور را کنترل میکند ISO 12232:2006 است که ۵ روش ممکن برای تعیین سرعت سنسور را به هم مربوط میکند که گرچه معمولا فقط دو تا از روشها استفاده میشوند.

سنسور دوربین شامل ماتریسی از میلیون‌ها دیود نوری میکروسکوپی است که معمولا با میکرولنزها برای جمع‌آوری نور اضافی و یک فیلتر الگوی بایر برای ضبط رنگ پوشیده شده اند. هر کدام از دیود نوری یک تک پیکسل است.

فوتودیود میتواند در حالت فتوولتاییک بایاس صفر (بدون ولتاژ اعمالی) هم راه اندازی شود، جایی که جریان خروجی محدود شده و خازن داخلی بیشینه میشود و این منجر به ایجاد فتوالکترون در خروجی میشود.

همینطور میتوان آن را در حالت هادی نور بایاس معکوس راه اندازی کرد (اجرای عقب گرد)، جایی که فوتون‌ها به اتصال p-n جذب شده و یک فوتوالکترون آزاد میکنند که بطور مستقیم جریان جاری در دیود را برقرار میکند.

سنسورهای دوربین از روش دوم استفاده میکنند، همینطور که به بایاس معکوس ولتاژ اعمال شده، دیود قابلیت جمع‌آوری فوتون‌ها را با باز کردن ناحیه تخلیه افزایش میدهد و احتمال ترکیب مجدد را بدلیل کشش میدان الکتریکی که حامل‌های بار را از هم جدا میکند کاهش می یابد. یه دفعه گم شدیم؟ حالا میخواهیم برویم سراغ عملیاتی که طی آن دیودهای نوری، سنسور دوربین شما را میسازند.

مقدمه‌ای نسبتا بنیادی بر دیودهای نوری

دیود نوری اساسا یک دیود نیمه رسانا معمولی (تجهیزی که اجازه میدهد جریان در تنها یک مسیر جاری شود) است که اتصال p-n آن در معرض نور قرار گرفته است. این به فوتوالکترون‌ها اجازه میدهد تا اثری بر عملکرد الکترونیکی تجهیز داشته باشند.

اتصال p-n یک قطعه نیمه‌هادی با آلایش مثبت در ترکیب با یک قطعه نیمه‌هادی با آلایش منفی است. آلایش برانگیختن ناخالصی‌هایی است که الکترون میدهند یا میگیرند تا دسترس‌پذیری و قطبیت بار را در یک تکه نیمه هادی تغییر دهند. دستکاری انتخابی بار اساس همه ی الکترونیک است.

نزدیک به نقطه اتصال در نیمه‌هادی، الکترون‌ها در سمت منفی به سمت مثبت جذب شده و گرایش به انتشار دارند. بدون الکترون‌ها در شبکه حفره بوجود می‌آید و این موجب وجود بار مثبت خالص در شبکه میشود. بطور کل حفره‌ها بصورت ذرات با بار مثبت عمل میکنند. بهمان اندازه گرایش برای انتشار بار مثبت به سمت منفی وجود دارد.

هر چند که وقتی حامل‌های بار متحرک (الکترون‌ها و حفره‌ها) در هر طرف جمع شوند، بار کافی برای تولید میدان الکتریکی فراهم میشود که از انتشار حامل‌های بار بیشتر جلوگیری کند. به این ترتیب تعادل بار بدست می ‌آید. بارهای در حال انتشار برابر با حامل‌های دفع شده در هر سمت می باشند.

این ناحیه متعادل شده در نزدیک اتصال دو سمت را ناحیه تخلیه می نامند که در آن ابری از الکترون ها در سمت مثبت اتصال و ابری از حفره ها در سمت منفی قرار دارند. حامل‌ها از موقعیت اصلی خودشان تخلیه شده و یک اختلاف بار ایجاد میکنند و این منجر به ایجاد یک میدان الکتریکی یا همان پتانسیل ولتاژ داخلی میشود. این اساس کار دیود است. یک دیود نوری اساسا مشابه با همچین چیزی است، اما تنها فرق آن این است که یک روزنه شفاف دارد تا به فوتون‌ها اجازه دهد که به ناحیه تخلیه برخورد کنند.

دیود بایاس معکوس ناحیه تخلیه را با فائق آمدن بر تعادل بار طبیعی آن توسیع میدهد و یک ناحیه تخلیه جدید ایجاد میکند که در آن میدان الکتریکی داخلی باید بقدری قوی باشد تا در ضدیت با پخش جاذبه و همینطور میدان الکتریکی اعمالی قرار گیرد. البته این نیازمند ناحیه تخلیه بزرگتری با بار بیشتر می باشد تا میدان قوی تری ایجاد کند.

وقتی فوتونی با انرژی کافی برخورد میکند و به شبکه نیمه هادی جذب میشود، یک زوج حفره الکترونی ایجاد میکند. الکترون به انرژی کافی دست پیدا میکند تا از اتصال اتمی شبکه جدا شده و یک حفره بجا میگذارد. بازترکیب میتواند فورا اتفاق افتاده، اما چیزی که بطور عمده اتفاق می افتد کشش الکترون به جهت ناحیه منفی است و حفره به سمت ناحیه مثبت است.

اغلب میتوانند با دیگر حامل های بار در نیمه هادی مجددا ترکیب شوند، اما بطور ایده‌آل، با مسافت جابجایی بهینه شده از فوتوزیت تا جمع کننده الکترود (به اندازه کافی کوتاه برای جلوگیری از ترکیب مجدد و به اندازه کافی بلند برای بیشینه کردن جذب فوتون) ، حامل ها به الکترود رسیده و با جریان حاصل از نور در مدار همراه میشوند.

هر چه فوتون بیشتری جذب شود، حامل های بار بیشتری به الکترود میرسند و جریان قرائت شده ارسالی به مبدل آنالوگ به دیجیتال بالاتر میرود. هر چقدر جریان بیشتر باشد، اکسپوژر بیشتری بدست می آید و پیکسل ها روشن تر میشوند.

این فرآیند چطور بر ISO تاثیر میگذارد

همانطور که در بالا اشاره کردم، ISO با توجه به اکسپوژر مورد نیاز برای اشباع فوتوزیت‌های سنسور دوربین اندازه گیری میشود. توضیح دادم که فوتوزیت ها ناحیه تخلیه داخل دیودهای نوری هستند. حالا چطور اشباع میشوند؟ خب، تعداد الکترون های موجود بر تحریک فوتون نامحدود نیست. بعد از اینکه مقداری انرژی نور جذب شد، نیمه هادی هر چقدر که میتواند بار الکترون در الکترودها آزاد میکند و بعد از آن دیگر به اکسپوژر بیشتر پاسخی نمیدهد.

از نقطه نظر عکاسی، این ظرفیت مناسب یا نقطه ی کلیپ شدن هایلایت می باشد. معمولا تولید‌کنندگان عمدا میزان کمتری برای سنسورهایشان اعلام میکنند تا سطح نامی هایلایت را حفظ کرده و امکان بهبود هایلایت را در تصویر RAW برآورده سازند.

این اجازه میدهد تا سطح نامی هایلایت در رتبه‌بندی نهایی برای هایلایت‌های آینه‌ای طبیعی شود، نه اینکه یک سری نقاط مسطح شود. این رتبه‌بندی برای عکاسی در استودیو که طی آن روشنایی کنترل میشود و حداکثر اطلاعات مورد نیاز است بهترین است.

این تست رتبه‌بندی دیگری را تعریف میکند که کمتر استفاده میشود، اما برای عکاسی در دنیای واقعی مفیدتر است. این بیشتر یک تست ذهنی است، چون کیفیت تصویر و ضوابط تست اختیاری هستند. نرخ سیگنال به نویز (S/N) بر اساس دیدن تصویر با کیفیت ۱۸۰dpi از فاصله ۲۵ سانتیمتری برای کیفیت تصویر عالی ۴۰:۱ و برای کیفیت تصویر قابل قبول ۱۰:۱ است. نرخ سیگنال به نویز S/N بعنوان انحراف استاندارد میانگین وزنی مقادیر روشنایی و اختلاف رنگ پیکسل‌های مستقل در فریم شناخته میشود.

انحراف استاندارد روشی ریاضیاتی برای استنتاج اختلاف در مقادیر در داده های جمع آوری شده از مقدار متوسط یا مورد انتظار است. این مقدار برابر با جذر جمع تمام اختلافات به توان ۲ تقسیم بر تعداد نقاط داده در یک مجموعه است. که این اساسا متوسط انحرافات می باشد.

از نقطه نظر عکاسی، این بدین معنی است که متوسط پیکسل های تست ایجاد شده تا مقدار مورد انتظار سیگنال نور را بیابد. انحراف استاندارد مشخص میکند که پیکسل‌های مستقل تست چقدر به فاصله گرفتن از این میزان متوسط گرایش دارند. با در نظر گرفتن اینکه پیکسل‌ها نسبتا مقدار یکنواختی دارند، این مورد، انحراف از متوسط نویز محسوب میشود، چه از سنسور باشد یا چه از پردازش الکترونیکی.

نرخ میان مقدار متوسط (سیگنال) و انحراف استاندارد (نویز) برابر با نرخ سیگنال به نویز یا همان S/N است. هر چقدر این مقدار بالاتر باشد، نویز کمتری در سیگنال وجود دارد. برای مثال، استاندارد کیفیت تصویر عالی ۴۰:۱ به این معنیست که در هر ۴۰ بیت سیگنال تصویر، فقط یک نویز وجود دارد. اختلاف بزرگ بین تصویر و نویز، تصویر تمیزی ایجاد میکند.

نویز را میتوان به روش های متعددی تعریف کرد: جریان اشباع/کم نور در طی دیودهای نوری، الکترون های آزاد شده حرارتی در دیودهای نوری یا پردازش الکترونیکی (نویز حرارتی)، حرکت حامل بار در طی ناحیه تخلیه دیودهای نوری (نویز شات)، و نقوص ساختار شبکه کریستالی یا آلودگی‌هایی که منجر به ضبط تصادفی یا آزادسازی الکترون میشود (نویز سو سو کننده).

افزایش نویز بدلیل افزایش تنظیمات ISO روی دوربین حاصل افزایش گین آمپلی فایر بین سنسور و مدبل آنالوگ به دیجیتال A/D است. وقتی که نرخ سیگنال به نویز کاهش می یابد، لزوما برای ایجاد اکسپوژر صحیح، تقویت زیاد و نوردهی کمتری لحاظ شده است. اکسپوژر کمتر یعنی سیگنال کمتر، و بدین ترتیب موجب نویز نسبتا بیشتری بصورت کسری از سطح نویز کاهش یافته میشود.

بعنوان یک مثال ساده ریاضیاتی؛ فرض کنیم در ISO 100، اکسپوژر صحیح در پر کردن یک پیکسل بخصوص با ۸۰ درصد ظرفیت آن حاصل میشود، و نسبت سیگنال به نویز آن ۴۰:۱، بنابراین ۲ درصد تلورانس از جریان نامی بصورت نویز القا میگردد. تقویت مقدار ISO تا ۸۰۰ بدین معنی است که آمپلی فایر سیگنال را تا ۸ برابر تقویت میکند و بدین ترتیب اکسپوژر صحیح در تنها ۱۰ درصد ظرفیت سنسور حاصل میشود. سطح نویز با تلورانس ۲ درصد یکسان باقی می ماند و همراه با سطح سیگنال تقویت میشود. بدین ترتیب نرخ سیگنال به نویز ۴۰:۱ یک نرخ ۵:۱ میشود و تصویر بلااستفاده میشود.

نتیجه‌گیری

حالا میدانید چرا مهم است که با حداکثر اکسپوژر و حداقل تشدید ممکن عکاسی کنید. تکنولوژی سنسور و مدار الکترونیکی و همینطور الگوریتم های ضدنویز بطور مستمر بهبود می یابند. این مساله با نگریستن به تفاوت بین ISO 800 در سال ۲۰۰۸ و ISO 800 امروز کاملا قابل درک است. اکثر تصاویر امروزه در اندازه نسبتا کوچک و بصورت آنلاین دیده میشوند و تغییر اندازه نویز را نیز کاهش میدهد.

گرچه برای مقاصد چاپ با فرمت بزرگ، میتوانید متوجه شوید چرا عکاسی با نور زیاد و ISO کم حیاتی است. بدین ترتیب قاعده کلی “کاملا در معرض نور قرار بده” به این معنیست که تا جایی که ممکن است تصویر را در نمودار هیستوگرام روشن کنید بدون اینکه از سطح کلیپ هایلایت خارج شوید. این کار نه تنها مقدار سیگنال نور را در مقابل سطح نویز قابل قبولی از تجهیزات تصویربرداری الکترونیکی بیشینه میکند، بلکه با توجه به روش دیجیتالی شدن داده ها، اطلاعات بیشتری میتواند در هایلایت‌ها ذخیره شوند تا در سایه‌ها.

فکر میکنم همین کافی باشد. امیدوارم که این مقاله مورد توجه و استفاده شما قرار گرفته باشد و در مباحث فنی فیزیک حالت جامد گم نشده باشید.

نظری دارید؟ سوالی دارید؟ در بخش نظرات در زیر درج کنید!