امکان ایجاد یک سنسور بی‌نقص وجود دارد؛ اما نه در دوربین‌های تجاری

تیم فوسوم تراشه‌ای آزمایشی با طرح‌های پیکسلی و متدهای بازخوانش مختلفی ساخته‌ است که آن را در تصویر می‌بینید. این طرح نویز پایینی دارد و باعث می‌شود که تمامی فوتون‌ها به‌خوبی خوانده شوند.

حسگرهای آینده احتمالا خواهند توانست به‌طور کامل و بی‌نقصی نور صحنه را به‌ رخ بکشند و قابلیت‌های پردازشی جدیدی به‌ وجود بیاورند و در هایلایت‌ها وسعتی فیلم‌مانند ارائه دهند. ولی طبق گفته‌های پرفسور اریک فوسوم (پدر حسگر CMOS) شاید این حسگرها را در دوربین‌ها نبینیم.

فوسوم و سه تن از سایر پیشگامان عکاسی دیجیتال گفت‌وگوی کوتاهی درباره‌ی جایزه ملکه الیزابت و مهندسی برای کار فوسوم روی حسگرهای CMOS صحبت کرده‌اند؛ ولی موضوع اصلی گفت‌وگو مربوط به آینده بود، نه دستاوردهای قبلی او. فوسوم اکنون در حال هدایت و رهبری یک گروه در دانشکده مهندسی تایر در دارتموث نیوهمپشایر است. این تیم روی حسگرهای تصویر کوانتا (QIS) کار می‌کند و اخیرا مقاله‌ای درمورد پیشرفت‌های خود در استفاده‌ از همین روند ساخت استفاده‌شده‌ در حسگرهای تصاویر CMOS منتشر کرده است.

اصول کار این است که از پیکسل‌های ویژه و نانو به‌ نام جات برای ثبت نور در سطح فوتون استفاده شود. عملکرد جات به دو حالت است؛ یا فوتون دریافت می‌کند یا دریافت نمی‌کند (برخلاف حسگرهای قدیمی که این کار را با جمع کردن فوتون‌های زیاد هنگام نوردهی انجام می‌دادند) جات‌ها عمل خوانش را بارها انجام می‌دهند تا ببینند آیا فوتون دیگری بعد از آخرین بررسی آن‌ها وارد شده است یا خیر.

فوسوم تأکید کرد که تیم‌های دیگری در همین زمینه (ولی بااستفاده‌ از روش متفاوت) موفقیت‌هایی کسب کرده‌اند؛ اما کار تیم خودش بسیار امیدوارکننده است. این مقاله که در ژورنال Optica منتشر شد، نشان می‌دهد که فناوری تیم بسیار پیشرفت کرده است؛ تا جایی که یک تراشه یک میلیون‌ جاتی می‌تواند هزار بار در ثانیه عمل خوانش را انجام دهد. این کار با نویز خوانش کمی انجام می‌شود تا تمایز بین فوتون‌ها را مشخص و آن‌ها را از یکدیگر متمایز کند.

فوسوم می‌گوید:

آنچه ما به‌ دنبال آن هستیم، عملکردی بدون نویز خوانش است تا سیگنال خوانش با سیگنال به‌دست‌آمده متناسب باشد.

آخرین مقاله تیم فوسوم می‌گوید آن‌ها به این هدف بسیار نزدیک شده‌اند و سطح نویز را آنقدر پایین آورده‌اند که حسگر می‌تواند تفاوت بین تک‌تک فوتون‌ها را بدون دچار خطا شدن به‌ خاطر نویز خوانش، تشخیص دهد. این موفقیت باعث می‌شود دوربین‌ها قادر باشند نور صحنه را به‌طور کامل و بی‌عیب‌ونقص نشان دهند؛ حتی اگر صحنه تا حدودی تاریک باشد. 

مدل ریاضی نشان می‌دهد که چگونه سطوح نویز (که با میانگین مربع ریشه تعداد الکترون‌ها اندازه‌گیری شده‌اند) بر توانایی نمایش و تفسیر سیگنال‌های کوچک تاثیر می‌گذارد. هرچه نویز خوانش کمتر باشد، دقت تمایز مقادیر موجود در سیگنال بالاتر می‌رود. این نمودار بخشی‌از مقاله این تیم در اپتیکا است.

حذف نویز خوانش از حسگر به‌ معنی فوتون‌های کاملا بدون نویز نیست؛ چراکه ثبت شدن تصادفی نور، یکی‌ از منابع کلیدی نویز است. اما این بهترین دستاوردی است که یک حسگر می‌تواند داشته باشد. فوسوم گفت:

ما می‌توانیم تمامی فوتون‌ها را مشخص کنیم: شما نمی‌توانید کاری بهتر از این انجام دهید.

البته می‌توان گفت مقاله به‌طور محافظه‌کارانه اشاره می‌کند که این فناوری می‌تواند برای استفاده‌های علمی، فضایی، امنیتی و تصویربرداری کم‌نور مناسب باشد؛ ولی فوسوم مشخصا در مورد عکاسی متعارف و مرسوم هم فکر می‌کند.

فوسوم اشاره می‌کند:

از آنجایی‌که ماهیت این فناوری دوگانه است، می‌توان واکنش آن را نسبت‌ به فیلم عکاسی قدیمی مقایسه کرد. در این فیلم‌ها وقتی هالید نقره‌ای مورد اصابت یک فوتون قرار می‌گرفت، به یک اتم نقره‌ای تنزل پیدا می‌کرد که پاک نمی‌شد (هنگام پردازش کردن). اگر این هالید مورد اصابت دو فوتون قرار می‌گرفت، تفاوت چندانی پیش نمی‌آمد.

این بدین معنا است که با ادامه‌ی نوردهی، در مناطق روشن تصویر، یون‌های نقره‌ای نورنخورده کمتری وجود خواهد داشت. این امر باعث می‌شود احتمال مورد اصابت قرار گرفتن یون‌های آخری توسط یک فوتون کمتر و اشباع کردن کامل سیستم سخت‌تر شود. این قضیه برای جات‌های دوگانه و کوچک هم صادق است: هرچه تعداد بیشتری‌ از این جات‌ها اشباع شوند، اشباع کردن جات‌های آخر سخت‌تر می‌شود. فوسوم می‌گوید:

واکنش در نوردهی ملایم و معمولی به‌طور خطی است؛ ولی در نوردهی بالا از مسیر خارج می‌شود. این الگو اولین‌ بار توسط هرتر و دریفیلد در سال ۱۹۸۰ مشاهده شد. این دو هم همین منحنی‌ را که ما بدان دست یافتیم، به‌طور آزمایشگاهی نشان دادند؛ همین منحنی که در دستگاه‌های QIS ما موجود است.

این نمودار، واکنش نوردهی جات‌ها در مقایسه‌ با مدل‌های ریاضی سطوح نویز خوانش را نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که میل‌ به صفر درنوردهی بالا، با منحنی‌های فیلم عکاسی هرتر و دریفیلد تقریبا یکسان و شبیه است. (نمودار از مقاله تیم در اپتیکا)

به‌گفته‌ی فوسوم:

این موضوع مشخصا موضوع مورد علاقه عکاسان ساکنی است که فیلم‌برداری می‌کنند و همینطور سینماگرانی است که به‌ دنبال چنین واکنشی هستند.

استفاده‌ از چنین پیکسل‌های کوچکی مزایای دیگری هم دارد؛ جات‌ها در اندازه‌ی کمی محدودیت پراکندگی دارند؛ بدین معنا که رزولوشن سیستم، همیشه بالاتر از رزولوشن لنزها است؛ یعن ما هرگز نباید نگران ناصافی و ظهور حالت پله‌ای در یک تصویر که ناشی از عدم تطابق نرخ نمونه‌برداری با سیگنال صوتی دیجیتال است، باشیم.

حسگر اولیه تیم دارای یک میلیون جات است و فوسوم اعلام کرد که هدف آن‌ها یک میلیارد جات خواهد بود.

فوسوم تنها در مورد تاریخ عکاسی فکر نمی‌کند. اندازه‌ی کوچک و شیوه‌ی خوانش پشت‌سرهم حسگر، مفهوم علمی نوردهی واحد را به‌چالش می‌کشد. فوسوم می‌گوید:

در حال حاضر ما با گرفتن مجموعه‌هایی از عکس‌های فوری (اسنپ‌شات) تصاویر حرکتی و فیلم می‌سازیم؛ اما روند به‌ کار گرفته‌شده‌ در QIS برعکس این است.

این روند عبارت است‌ از ساخت تصاویر ساکن از حرکاتی که به‌طور دقیق ثبت شده باشند.

پروفسور فوسوم عامل یک انقلاب در عکاسی است؛ اختراع حسگر سی‌ام‌اواس. در دسامبر ۲۰۱۷ او جایزه ملکه الیزابت در بخش مهندسی را برای این کارش دریافت کرد

اساسا گرفتن فریم‌های کوتاه هنگام نوردهی باعث اضافه شدن بعد زمان به تصاویر شما می‌شود. فوسوم می‌گوید:

اگر شما یک فریم واحد بگیرید، تعدادی صفر و یک دریافت می‌کنید. اگر یک فریم دیگر بگیرید، به‌سرعت یک مکعب‌ از صفرها و یک‌ها به‌دست می‌آورید. به‌عنوان مثال اگر شما ۱۰۰ فریم را در ۱۰۰۰ فریم‌ بر‌ ثانیه بگیرید، مکعبی به‌دست می‌آورید که عرض آن X پیکسل و طول آن Y پیکسل است و عمقی ۱۰۰ فریمی دارد.

او می‌گوید این امر سؤالات جالبی به‌ وجود می‌آورد:

شما با این داده‌ها چه کار می‌کنید؟ چگونه از این نقشه ثابتی که فوتون‌ها در آن هستند یک تصویر خلق می‌کنید؟می‌توانید علاوه‌ بر اینکه از پیکسل‌های محور X و Y استفاده کنید از پیکسل‌های محور زمان هم استفاده کنید. اگر خواستار یک پیکسل بسیار حساس در نور کم باشید می‌توانید جات‌های ۱۰×۱۰ محورهای ایکس و وای را ترکیب کنید و داده‌های به‌دست‌‌آمده‌ از ۱۰۰ فریم را با آن‌ها مخلوط کنید؛ این کار اساسا شبیه‌ به این است که در یک فیلم حساس‌تر، اندازه دانه را افزایش دهید.

 البته می‌توانید دستاورد مشابهی‌ با این داشته باشید؛ مثلا در عکاسی دیجیتال متداول امروزی، با کاهش مقیاس یک تصویر این کار را انجام دهید؛ ولی جات‌ها انعطاف‌پذیری زیادتری به‌ شما می‌دهند. فوسوم تصریح می‌کند:

اندازه‌ی پیکسلی می‌تواند در بخش‌های مختلف تصویر، متفاوت باشد، بنابر این دربعضی‌ از مکان‌ها دانه‌های بزرگ‌تر و البته حساس‌تری خواهید داشت.

عنصر زمان هم قابلیت‌های جدیدی به‌ وجود می‌آورد. فوسوم می‌گوید:

اگر سوژه عکاسی شما در هنگام این ۱۰۰ فریم، تکان بخورد و حرکت کند، می‌توانید به‌جای اضافه‌ کردن تمامی مقادیر همان موقعیت، تنها مقادیر را در زاویه‌ای اضافه کنید که متناسب‌ با حرکت باشد.

با این کار تمامی پیکسل‌های مربوط‌ به آن هدف، بایکدیگر ترکیب می‌شوند.

ما می‌توانیم تاری حرکت یا اثر اسکن نمایشگر کامپیوتر در ویدیو را حذف کنیم.

ایده‌ی ترکیب فریم‌های متعدد اکنون در حال تبدیل شدن به بخشی‌ از عکاسی موبایل است و فوسوم می‌گوید یافتن تمامی کارهای شدنی، چالشی است که او به بقیه محول می‌کند:

از نظر من، ما درحال ساخت پلتفرمی برای تصویرسازی محاسباتی هستیم که البته توسعه راه‌های استفاده‌ از آن بر عهده بقیه است. یک دوربین باید قابلیت‌های حسگرهای جدید را درخود داشته باشد.

فوسوم سؤالات جالبی پرسید:

هدف‌ عکاسی چیست؟ هدف، عکاسی هنری است یا تنها بازخلق صحنه به‌ شکل اصلی؟ برخی‌ از چیزهایی که ما آن‌ها را به عکاسی نسبت می‌دهیم، محصول جانبی و مصنوعی راهی هستند که ما آن‌ها را بدان طریق ثبت می‌کنیم.

باوجود تمام چیزهایی که گفته شد، شاید عجیب باشد که فوسوم قولی برای انقلاب دوم در عرصه‌ی تصویربرداری دیجیتال نداد. ولی او به شغلش برای توسعه فناوری‌ها و آموزش دادن چالش‌ها تعهد دارد و درمورد کاری که هنوز باید ادامه دهد و رقابتی‌ که هر محصول با آن مواجه می‌شود واقع‌گرایانه رفتار می‌کند:

دستاوردهای فعلی ما فوق‌العاده بوده‌اند. چالش بعدی ما اضافه کردن رنگ است، ولی فکر نمی‌کنم که این کار مشکل‌ساز باشد. سپس نوبت‌ به برق می‌رسد: ما نشان دادیم که می‌توانیم تراشه بزرگی بسازیم که برق زیادی مصرف نمی‌کند. توان برقی ما درحال حاضر ۲۷ میلی‌وات است که باید برای رسیدن‌ به یک میلیارد جات، آن را ۱۰۰۰ برابر کنیم و در این‌ صورت به ۲۷ وات می‌رسد، بنابراین باید آن را با فاکتور ۱۰ تغییر دهیم.

نگرانی فوسوم بیشتر درمورد وضعیت فعلی فناوری‌های رقیب است:

برای اینکه یک فناوری جدید جایگزین فناوری‌های موجود شود، باید در موارد متقاعدکننده‌ی زیادی، بهتر از فناوری‌های موجود باشد. فناوری ما درحال‌حاضر در جاهایی متقاعدکننده است.

اما عکاسی فعلا درمرحله‌ی قوی‌ و بلندمرتبه‌ای به‌سر می‌برد و متحول کردن آن کمی دشوار است.

نمی‌خواهم استارتاپ ما، محصول تصویربرداری مبهم دیگری باشد که نتواند بازاری برای خودش پیدا کند.فناوری CMOS درحال حاضر بسیار قوی است و قوی‌ بودن نتیجه‌ی تلاش و ورودی هزاران مهندس در کمپانی‌های مختلفی است که درهمان‌جایی هستند که اکنون ما در آن هستیم.

پروفسور اریک فوسوم درکنار دکتر جیاجوما، یکی‌از نویسندگان مقاله اپتیکا و یکی‌ از مؤسسان کمپانی گیگاجات تکنولوژی

اما با وجود تمامی حرف‌های محطاتانه فوسوم، او به‌اندازه‌ی کافی درمورد پتانسیل این فناوری متقاعد شد تا کمپانی گیگاجات تکنولوژی را به‌همراه یکی‌ از پژوهشگران همکارش راه‌اندازی کند:

پیدا کردن یک نقطه‌ی خوب در بازار بخش بسیار مهمی‌ از چالش است. این امر به چیزهایی برمی‌گردد که من آموزش می‌دهم: مشتری شما کیست؟ بازار شما چیست؟ شما باید چگونه به اهداف خود دست پیدا کنید؟نمی‌خواهم استارتاپ ما، محصول تصویربرداری ناشناخته‌ی دیگری باشد که نتواند بازاری برای خودش پیدا کند.

ورود حسگرهای QIS به جریان اصلی دوربین‌ها تضمین‌شده نیست؛ ولی به‌ نظر می‌رسد که این فناوری پتانسیل‌های زیادی دارد و می‌تواند آن را وارد اندازه‌گیری‌های علمی کند. همین خود به‌تنهایی نشان می‌دهد که این فناوری تا چه‌اندازه از ایده‌ی اصلی فوسوم نشأت می گیرد. او اعتراف کرد:

وقتی این پروژه را برای اولین‌ بار آغاز کردم، حتی مطمئن نبودم که کار کند.