در عکاسی، ISO به معنی سیستم استاندارد اندازه گیری این است که چقدر یک فیلم یا
سنسور نسبت به نور حساس باشد. ما می توانیم ISO را برای ایجاد عکس هایی که
نوردهی کافی دارند (نه خیلی روشن و نه خیلی تیره هستند) تنظیم کنیم. ISO، مخفف
عبارت International Organisation for Standardisation
(سازمان جهانی استانداردسازی) می باشد، که یک سازمان جهانی است که روی
استاندارد کردن همه ی محصولات و پروسه ها برای داشتن بالاترین ایمنی و کارایی، کار
می کند.
در 1974، ISO موجب پیشرفت های اخیر در سیستم های DIN آلمان و ASA آمریکا
(که امروزه به آن ANSI می گویند) شد و همه ی آنها را به سمت داشتن یک استاندارد
جهانی برای فیلم سوق داد: عددهای ISO. وقتی سنسورهای دیجیتال وارد بازار شدند،
سازندگان آنها از همان اعداد استاندارد برای آنها استفاده کردند.
دو سیستم پیشین، DIN و ASA، به سال های 1930 تا 40 برمی گردند، که پیش از آنها
سیستم های شماره گذاری مختلفی در آن واحد وجود داشتند که سازندگان و مهندسان
مختلف از آنها استفاده می کردند.
این اعداد به خودی خود چه معنی ای دارند؟ ما 4 استاندارد ISO داریم، یکی برای
فیلم های نگاتیو رنگی، یکی برای فیلم های نگاتیو سیاه و سفید، یکی برای فیلم
معکوس کننده ی رنگ (color reversal) و یکی برای سنسورهای دیجیتال.
این اعداد طوری درجه بندی شده اند تا بتوانند بدون در نظر گرفتن نوع فیلم یا مدیوم، حساسیت موثر یکسانی را ارائه کنند.
این مورد برای اهداف عملی در عکاسی بسیار مفید است چراکه به عکاس این امکان را
می دهد که exposure سریع تر، بهتر و دقیق تری داشته باشد.
در هر حال، تفاوت ها در امولوسیون و توضیح پروسه های اندازه گیری در بین سازندگان و
کارخانه های متفاوت و همچنین تنوع زیاد پروسه های شیمیایی، نشان می دهند که حتی
با استاندارد سازی، نتایج می تواند متفاوت باشد.
عکاسان در این زمینه متوجه شده اند که برای بعضی از فیلم ها، تنظیم ISO کمی متفاوت
نسبت به دیگر فیلم ها می تواند نتایج بهتری را به همراه داشته باشد.
سرعت فیلم از طریق «منحنی خصوصیت ها» (Characteristic curve) اندازه گیری
می شود که نشان دهنده ی عملکرد توناژ کلی فیلم است. این منحنی به این شکل کار
می کند:
منحنی توناژ با استفاده از «جدول حساسیت سنجی» ایجاد شده است که یک قطعه ی
شیشه ای خاص است که از 21 ردیف مساوی درجه بندی شده ی دقیق
(از سفید تا سیاه) از طیف خاکستری ساخته شده است. طیف خاکستری مدرج در برابر
یک فیلم قرار داده می شود.بعد از پردازش، مواجهه ی تدریجی امولسیون با نور می تواند
به وسیله ی یک چگالی سنج مدرج خوانده شود که یک دستگاه است که چگالی دقیق
فیلم را می خواند.
سپس 21 ردیف هرکدام به طور دقیق اندازه گیری می شوند و زمانی که همه ی 21 ردیف
اندازه گیری شدند، روی یک نمودار بر پایه ی میلی لوکس-ثانیه، ترسیم می شوند. این
نمودار قسمت های مختلفی دارد که جنه های مختلف عملکرد فیلم را نشان می دهند،
مثلا مه گرفتگی (Fogging)، گاما، کانترست و … .
قسمتی که برای ما از جهت سرعت ISO فیلم مهم است، از 0.1 واحد چگالی بالای مینیموم
چگالی است، که به آن نقطه ی x می گوییم. این ارزش کاملا علمی نیست ولی به طور
سنتی به عنوان مینیموم تفاوت در چگالی ای که متوسط چشم انسان ها می تواند تمیز
دهد، انتخاب شده است.
فرمول سرعت فیلم speed = {800\over{log^{-1} (x)}} است.
اگر نوردهی (exposure) را با لوکس‌ثانیه به جای میلی‌لوکس‌ثانیه اندازه‌گیری کنیم،
این فرمول به این شکل خواهد شد: speed = {0.8\over{log^{-1} (x)}}.
به یاد داشته باشید که لوگاریتم را در مبنای 10 نوشته ایم.نکته ی مهم این است که
به طور کلی، وقتی سرعت دو برابر یا نصف می شود، حساسیت به نور نیز دو برابر یا
نصف می شود.
فیلم از یک ترکیب کریستال های سیلورهالید در یک چسب
ژلاتینی ساخته شده است. این امولسیون دفعات زیادی به
همراه رنگ هایی که برای پردازش استفاده می شود روی
زمینه ی سلولوید (celluloid) لایه لایه می شود و پشت آن
با روکش های فیزیکی محافظت می شود.
کریستال های سیلورهالید، مدیوم های اصلی حساس به
نور هستند.
این کریستال ها فقط به انتهای آبی نور مرئی واکنش
می دهند (بنابراین نیاز به فیلترهای UV در زمان عکاسی با
فیلم توجیه می شود)،
این کریستال ها در پروسه ی ساخت، یا روکش می شوند و
یا در مواد شیمیایی قرار داده می شوند که باعث می شود
که نسبت به همه ی طیف نور مرئی حساسیت پیدا کنند.
فوتون هایی که با سیلورها برخورد می کنند، انرژی‌شان را به
مولکول وارد می کنند. این باعث می شود که یک الکترون از
یون هالید خارج شود. این الکترون ممکن است توسط
یون سیلور گرفته شود و یک اتم سیلور خنثی ایجاد شود.
البته، این پروسه پایدار نیست. فوتوالکترون های بیشتری
باید در آن محل وجود داشته باشند تا اتم های سیلور
بیشتری را ایجاد کنند تا یک دسته ی پایدار از حداقل 3 یا 4
اتم ایجاد شود. در غیر این صورت، آنها به آسانی دوباره به
یون های سیلور و الکترون های آزاد تجزیه می شوند. هر چه
تعداد فوتوالکترون ها بیشتر باشد، اتم های سیلور بیشتری
شکل خواهند گرفت.
هیچ تصویری وجود ندارد ولی اگر آن را در مواد شیمیایی مناسب قرار دهیم می توانیم یک تصویر ایجاد
کنیم. در پردازش، یک دسته اتم از سیلور خالص با اندازه ی پایدار، باعث تسریع واکنش خواهند شد
که سپس باعث می شوند که همه ی کریستال به پودر سیلور متالیک تجزیه شود که با توجه به اندازه
و سطح غیربراقش، سیاه دیده شوند.
سپس، فیکسر (ثابت کننده)تصویر را با از بین بردن باقی مانده ی کریستال های نمک سیلور هالید که
بعدا شسته خواهند شد (و نگهداری و بازیافت می شوند)، ثابت می کند. این د رواقع اصل و اساس
عکاسی در طول قرن اخیر بوده است. حال همه ی این پروسه چه ارتباطی با حساسیت فیلم دارد؟
پاسخ آن بسیار ساده است: احتمال.
هرچه کریستال های سیلور هالید بزرگتر باشند، به احتمال بیشتری فوتون های نور با آنها برخورد کرده و جذب آن می شوند.
اگر شما یک تور پروانه گیری بزرگ را در جایی که دسته ی بزرگی از پروانه ها وجود دارد
تکان دهید، به احتمال زیاد تعداد بیشتری پروانه می گیرید نسبت به زمانی که همین کار را با یک تور کوچک انجام دهید.
کریستال های بزرگتر، سطح بزرگتری دارند که روبه روی لنز قرار می گیرد و حساسیت نور
به طور مستقیم با احتمال برخورد نور به سطح ارتباط دارد.
بنابراین فیلم های با سرعت پایین مانند ISO25،ISO50 و ISO100 پودرهای ظریفی از
کریستال ها دارند تا مقدار نوری که با آنها برخورد می کند را کاهش دهند، این ISO ها برای عکاسی از جزئیات مناسب هستند.
در مقابل، فیلم های با سرعت بالا مانند ISO 1600 و ISO3200 کریستال های بزرگی
دارند که احتمال برخورد فوتون ها به آنها به حداکثر خود می رسد، که در نتیجه تصویر آنها نقطه نقطه خواهد بود.
دوربین های دیجیتال، پروسه های شیمیایی ندارند و از طریق روش هایی که برای فیلم
استفاده شد، نمی توانیم حساسیت آنها را اندازه گیری کنیم.
سیستم درجه بندی ISO برای آنها خیلی شبیه به حساسیت واقعی نسبت به نور در فیلم است.
عبارتی که برای سنسورهای دیجیتال به جای ISO استفاده می شود
«Exposure Index» است ولی چون استاندارد ISO آن را نیز شامل می شود، مشکلی نیست که از عبارت ISO استفاده کنیم.
به جای یک سطح نوردهی مینیموم؛ حساسیت سنسورهای دیجیتال از طریق نوردهی لازم برای ایجاد یک خروجی سیگنال خاص مشخص می شود.
استاندارد ISO، حساسیت سنسورها را مشخص می کند.
5 نوع ISO وجود دارد که به طور معمول برای سرعت سنسور استفاده می شوند،
ولی 2 تا از آنها به طور معمول استفاده می شوند.
یک سنسور دوربین شامل یک ماتریکس از میلیون ها دیود نوری میکروسکوپی است که
معمولا با یک میکرولنز برای جمع کردن نور بیشتر و یک فیلتر Bayer Pattern برای دریافت رنگ، پوشیده شده است.
هرکدام از سنسورها نماینده ی یک پیکسل است.
یک دیود نوری می تواند در مدل فوتوولتاتیک zero-bias فعالیت کند
(یعنی هیچ ولتاژی برای آن استفاده نشده باشد) که در آن خروجی محدودشده است
و ظرفیت داخلی به حداکثر رسیده است،
در نتیجه در خروجی شاهد شکل گرفتن فوتوالکترون ها هستیم.
دیود نوری می‌تواند در حالت فوتوکانداکتیو reverse-biased (فعالیت برعکس) نیز باشد که
در آن فوتون‌ها در نقطه‌ی p-n جذب شده و یک فوتوالکترون را آزاد می کنند
که مستقیما با جریان جاری در دیود همکاری می کند. از آنجا که ولتاژ استفاده شده در نوع
دوم هم باعث بالا رفتن توانایی جمع آوری فوتون ها از طریق تعریض محل تخلیه و هم باعث
کاهش احتمال جفتگیری الکترونی از طریق افزایش قدرت میدان الکتریکی می شود،
سنسورهای دوربین از نوع دوم استفاده می کنند.
به زبان ساده، وقتی نور با سنسور شما برخورد می کند، آن را تحریک می کند.
این تحریک باعث می شود که یک شارژ الکتریکی کوچک از یک قسمت سنسور
به قسمت دیگر آن شارش پیدا کند. وقتی این اتفاق رخ می دهد، می توانیم آن
را اندازه گیری کنیم و این پالس را به سیگنال تبدیل کنیم که می تواند به یک
تصویر تبدیل شود.
یک دیود نوری یک دیود معمولی semiconductor است، تقسیمی است که به جریان
الکتریکی امکان می دهد که فقط در یک جهت جریان داشته باشد، در حالی که نقطه ی
p-n در معرض نور قرار دارد. این امر باعث می شود
که فوتوالکترون ها روی عمل الکتریکی دستگاه تاثیر بگذارند، یعنی آنها باعث می شوند
که سنسور نوری، حساس شود.
نقطه ی p-n یک قسمت از semiconductor مثبت است که به یک قسمت از
semiconductor منفی متصل شده است. این اتصال، از طریق القای ناخالصی ها
انجام شده است که الکترون ها را در جهت تغییر موجود بودن و قطبیت جریان در
یک Semiconductor می پذیرد. این دستکاری انتخابی جریان، اساس کار همه ی
الکترون هاست.
نزدیک به نقطه ی p-n در semiconductor الکترون ها روی سطح منفی به سطح مثبت
جذب می شوند و به احتمال زیاد در آن القا می شوند. سوراخ هایی بدون الکترون در
شبکه ی semiconductor وجود دارد که باعث می شود جریان مثبت به حرکت درآید.
سوراخ هایی که با جریان مثبت پر شدند، برای اهداف کلی استفاده می شوند. این به
همان شکل در سطح منفی نیز انجام می شود.
در هر حال، وقتی جریان کافی (الکترون ها و سوراخ ها) در هر سطح جمع شد، جریان
کافی برای ایجاد میدان الکتریکی وجود دارد که باعث جلوگیری از القا شدن جریان
بیشتر می شود. یک تعادل جریان حاصل شده است.
القا در هر دو جهت به یک اندازه انجام می شود.
قسمت تعادل یافته در نزدیکی نقطه ی p-n، که به آن محل تخلیه می گوییم،
جایی است که ابر الکترونی روی سطح مثبت و یک ابر از سوراخ ها روی سطح منفی قرار
دارند. حاملان بار الکتریکی از نقطه ی اصلیشان تخلیه می شوند و
ایجاد تفاوت جریان می کنند و ایجاد میدان الکتریکی می نمایند، به این معنی که ولتاژ در
آن ایجاد می شود. این اساس کار یک دیود است. یک دیود نوری، همینگونه است
ولی یک پنجره ی بی رنگ دارد که به فوتون ها این امکان را می دهد که وارد محل تخلیه
شوند.
Bias برعکس دیود، محل تخلیه را از طریق غلبه بر تعادل جریان محل تخلیه و ایجاد یک
جریان جدید، بزرگ تر می کند، و این میدان الکتریکی ایجاد شده باید به اندازه ی کافی
قوی باشد تا بتواند در برابر جذب و القای الکترون ها و همچنین بر میدان الکتریکی استفاده
شده غلبه کند. این امر نیازمند محل تخلیه ی بزرگتری است که جریان بیشتری را برای
ایجاد میدان بزرگتر دربر دارد.
وقتی یک فوتون با انرژی مناسب به semiconductor برخورد می کند و جذب آن می شود،
یک جفت الکترون-سوراخ ایجاد می کند. یک الکترون انرژی کافی برای فرار از پیوند اتمی را
جذب می کند و یک سوراخ باقی می گذارد.
ترکیب دوباره می تواند خیلی سریع اتفاق بیافتد ولی چیزی که اتفاق می افتد این است
که الکترون به جهت بخش منفی کشیده می شود.
معمولا این الکترون ها می توانند دوباره با یون های دیگر در semiconductor ترکیب
شوند ولی بهترین حالت این است که در فاصله ی بهینه بین photosite و الکترود
جمع کننده قرار بگیرد (به اندازه ای که از ترکیب دوباره جلوگیری کند، ولی آنقدری دور باشد
که جذب فوتون را به حداکثر برساند)، در این حالت الکترون به الکترود می رسد و با
photocurrent همکاری می کند. به طور خلاصه، هر چه فوتون های بیشتری جذب شوند،
جریان بیشتری به الکترودها وارد می شود و
خروجی جریان بزرگتری به تبدیل کننده ی آنالوگ به دیجیتال دوربین می رسد. هرچه جریان
بالاتر باشد، نوردهی بالاتر خواهد بود و پیکسل ها روشن تر خواهند بود.
همانطور که گفتیم، ISO معمولا با استفاده از نوردهی ای که برای روشن کردن
photositeها لازم است، اندازه گیری می شوند.من توضیح دادم که photositeها چه
هستند: فضای تخلیه که در دیودهای نوری وجود دارد.
پس چگونه این photosite ها روشن می شوند؟ خوب، تعدا الکترون های موجود برای
فوتون ها برای تحریک شدن، محدود است. بعد از اینکه میزان مشخصی از انرژی نوری
جذ شد، semiconductor بیشترین جریانی که می تواند را به الکترودها وارد می کند و
دیگر به نور پاسخگو نخواهد بود. از نظر عکاسی، این یک
ظرفیت کامل یا نقطه ی گرفتن highlight است. معمولا سازندگان، عمدا سنسورها را
اشتباه درجه بندی می کنند تا highlight به طور کامل حفظ شود و بازیابی highlight
در فرمت RAW ممکن شود.
بر اساس ISO 12232، فرمولی که سرعت بر اساس Saturation را توضیح می‌دهد این
است: S_{sat} = {78\over{H_{sat}}}
که در آن، H_{sat} = L_{sat} t. L_{sat} میزان نور لازم برای یک زمان نوردهی خاص
است که به Saturation سنسور دست یابد. 78 به این دلیل انتخاب شده است که یک
سطح که 18 درصد آن خاکستری است، 12.7 درصد سفید دیده می شود. این موضوع
باعث می شود که هایلایت در بالاترین سطح برای هایلایت های specular قرار بگیرد تا
به صورت طبیعی به صفر میل کند و نقاط پوشاننده ای باقی نماند.
این درجه بندی برای عکاسی در استودیو که نورپردازی خیلی دقیق انجام می شود و
بیشترین اطلاعات لازم است، مناسب است.
ISO نشان دهنده ی یک تست درجه بندی دیگر نیز هست که کمتر استفاده می شود
ولی برای سناریوهای واقعی بیشتر کاربرد دارد، آن هم تست سرعت بر اساس نویز است.
این تست بیشتر یک تست ذهنی است که در آن کیفیت عکس و ملاک های تست،
تقریبا دلبخواهی هستند: نسبت های سیگنال به نویز استفاده شده،
40:1 برای کیفیت عکس عالی و 10:1 برای کیفیت عکس قابل قبول هستند.این نسبت ها
بر اساس بررسی یک تصویر 180dpi از فاصله ی 25 سانتی متری بنا شده اند. نسبت
سیگنال به نویز به عنوان انحراف استاندارد از یک میانگین وزنی از درخشندگی و ارزش های
رنگ تابی از تعداد زیادی پیکسل به طور جداگانه درتصویر، توصیف می شود.
انحراف استاندارد یکی از راه هایی است که از طریق ریاضی، انحراف از ارزش هایی که
در داده های جمع آوری شده داریم را از میانگین یا ارزش های مورد انتظار نشان می دهد.
انحراف استاندارد، جمع مربعات اختلافات است که بر تعداد داده ها تقسیم می شود، و در
نهایت از کل این عدد جذر گرفته می شود.
در واقع، جذر میانگین انحرافات می باشد. در عکاسی، میانگین پیکسل های تست شده
گرفته می شود تا ارزش مورد انتظار سیگنال نوری بدست بیاید. سپس انحراف استاندارد
نشان می دهد که هرکدام از پیکسل های تست شده چقدر با میانگین فاصله دارند. فرض
کنید که پیکسل ها ارزش یکسانی دارند، این انحراف از میانگین، همان نویز است، خواه از
سنسور باشد یا از قطعات الکترونیکی.
نسبت بین ارزش میانگین (سیگنال) و انحراف استاندارد (نویز)، نسبت S/N است.
هرچه این نسبت بالاتر باشد، نویز کمتری در آن سیگنال وجود دارد. برای مثال، برای
یک عکس با کیفیت عالی این نسبت 40:1 است، این به این معنی است که به طور
متوسط برای هر 40 بیت از سیگنال عکس، فقط یک نویز وجود دارد.
وجود تفاوت فاحش بین عکس و نویز چیزی است که یک عکس تمیز را ایجاد می کند.
جریان تاریکی/روشنایی بین دیودهای نوری، الکترون هایی که به صورت رندوم در دیودهای
نوری یا بخش های الکترونیکی با گرما آزاد می شوند (نویز حرارتی)، حرکت جریان در طول
محل تخلیه ی دیودهای نوری (نویز ضربه)، نقص در ساختار کریستال ها یا آلاینده ها که
باعث جذب و آزادسازی رندوم الکترون ها می شود (نویز چشمک زن).
افزایش در نویز از افزایش در تنظیم ISO در دوبین، یکی از نتایج افزایش جذب پیش
تقویت کننده ها بین سنسور و تبدیل کننده ی A/D می باشد. نسبت S/N ضرورتا پایین
می آید تا نوردهی «درست» را برای تقویت کنندگی بالا فراهم کند،
در نتیجه باید در این حالت نوردهی کمتری وجود داشته باشد. نوردهی کمتر به معنی
سیگنال کمتر است، در نتیجه به همان میزان نویز بیشتر از این کاهش خواهیم داشت.
یک مثال ریاضی برای این مسئله این است: تصور کنید در
ISO100 از طریق پر شدن یک پیکسل خاص تا 80 درصد ظرفیتش، یک نوردهی مناسب
را بدست آورده ایم و نسبت S/N، 40:1 است.
پس 2-/+ درصد از خروجی جریان، نویز القا شده است.
بالا بردن ISO تا 800 باعث می شود که تقویت کننده ها سیگنال رو تا 8 برابر افزایش دهند
و بنابراین نوردهی درست فقط به 10 درصد ظرفیت پیکسل ها می رسد. میزان نویز 2-/+،
همانقدر باقی می ماند و با میزان سیگنال تقویت می شود. حال، نسبت S/N که 40:1 بود
نیز به 5:1 تبدیل می شود، و این عکس دیگر قابل استفاده نیست.
حال می توانید ببینید که چرا باید عکاسی را در بالاترین نوردهی و کم ترین تقویت کنندگی که
می توانیم انجام دهیم. تکنولوژی سنسور و مدار حرکت، همراه با الگوریتم های نویز زدایی، در
حال پیشرفت و بهبود هستند. فقط
به تفاوت بین ISO800 ای که در 2008 داشتیم و ISO 800 امروز نگاه کنید. بیشتر عکس ها
امروزه در اندازه های کوچک به صورت آنلاین دیده می شوند و همین resize باعث کاهش
نویز آنها می شود. برای اهداف چاپ در اندازه های بزرگ، خواهید دید که چرا ضرورت دارد که
با نور زیاد و ISO پایین عکس بگیرید.
بنابراین، اصل «در نور زیاد عکاسی کنید» به این معنی است که عکس را در روشن ترین
حالتی که می توانید بگیرید بدون آنکه هایلایت ها را دستکاری کنید.
نه تنها افزایش میزان سیگنال نور باعث ثابت ماندن میزان نویز در تجهیزات الکترونیک
عکس برداری می شود، بلکه شکلی که داده ها دیجیتالی می شوند نیز باعث شده اند که
اطلاعات بیشتری را بتوان در هایلایت ها به جای سایه ها، ذخیره کرد.
