مقدمه

در عصری که دوربین‌های گوشی‌های هوشمند به بخش جدایی‌ناپذیر زندگی روزمره تبدیل شده‌اند، کمتر کسی به تهدیدی فکر می‌کند که می‌تواند در یک چشم بهم زدن، سنسور گران‌قیمت دوربین را به طور دائمی از کار بیندازد. لیزرها که روزبه‌روز کاربردهای بیشتری در زندگی مدرن پیدا می‌کنند، از لیزرهای تفریحی در کنسرت‌ها گرفته تا سنسورهای LiDAR در خودروهای خودران، می‌توانند تهدیدی جدی برای سلامت سنسور دوربین باشند. در این مقاله جامع، به بررسی عمق خطرات لیزر برای سنسور دوربین، مکانیزم آسیب، آستانه‌های خطرناک و راه‌های پیشگیری می‌پردازیم.

 

لیزر چگونه سنسور دوربین را تخریب می‌کند؟

برای درک خطر لیزر برای سنسور دوربین، ابتدا باید بدانیم که دوربین چگونه نور را ثبت می‌کند. سنسورهای تصویر مانند CMOS و CCD از میلیون‌ها پیکسل تشکیل شده‌اند که هر کدام یک دیود نوری کوچک هستند. وقتی نور به این پیکسل‌ها می‌تابد، الکترون‌هایی تولید می‌شوند که به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شوند .
 

خطری که لیزر ایجاد می‌کند به اصل «بهره نوری» (Optical Gain) برمی‌گردد. لنز دوربین، نور ورودی را از یک سطح نسبتاً بزرگ (دهانه لنز) به یک نقطه بسیار کوچک روی سنسور متمرکز می‌کند. این بهره نوری می‌تواند تا یک میلیون برابر یا بیشتر باشد . به عبارت ساده، اگر لیتری آب را از یک قیف بزرگ به یک بطری کوچک بریزید، فشار آب بسیار زیاد می‌شود. همین اتفاق برای نور لیزر هنگام عبور از لنز دوربین می‌افتد.
 

هنگامی که پرتو لیزر به سنسور برخورد می‌کند، دو نوع آسیب ممکن است رخ دهد:
 

۱. آسیب نرم (Soft Damage) یا خیرگی سنسور

در این حالت، شدت نور آنقدر زیاد است که پیکسل‌ها را اشباع می‌کند. وقتی تعداد فوتون‌های دریافتی از ظرفیت «چاه پتانسیل» (Full Well Capacity) پیکسل بیشتر شود، پیکسل به حداکثر خروجی دیجیتال (سفید کامل) می‌رسد . این حالت معمولاً موقتی است و با قطع تابش لیزر، سنسور به حالت عادی بازمی‌گردد. با این حال، تابش مداوم حتی در سطوح پایین‌تر از آستانه آسیب فیزیکی، می‌تواند باعث کاهش حساسیت و کیفیت تصویر در طولانی‌مدت شود.
 

۲. آسیب سخت (Hard Damage) یا تخریب فیزیکی

این نوع آسیب دائمی و غیرقابل برگشت است. زمانی رخ می‌دهد که انرژی لیزر آنقدر زیاد باشد که باعث ذوب یا تبخیر لایه‌های سطحی سنسور شود. این فرایند که «آسیاب لیزری» (Laser Ablation) نام دارد، در اثر جذب انرژی فوتون و تبدیل آن به انرژی حرارتی رخ می‌دهد و باعث افزایش ناگهانی دما و شکست ساختار شبکه بلوری سیلیکون می‌شود . نتایج این آسیب به صورت پیکسل‌های سوخته، نقاط ثابت، خطوط عمودی یا افقی مرده و در موارد شدید، از کار افتادن کامل سنسور ظاهر می‌شود .
 

آستانه آسیب لیزر برای سنسورهای مختلف

تحقیقات علمی متعددی برای تعیین آستانه آسیب لیزر (LIDT - Laser Induced Damage Threshold) برای سنسورهای تصویر انجام شده است. این آستانه‌ها به عوامل مختلفی مانند طول موج لیزر، مدت زمان پالس، تعداد پالس‌ها و نوع سنسور بستگی دارد.
 

۱. طول موج لیزر

سنسورهای سیلیکونی معمولاً در محدوده طول موج ۳۰۰ تا ۱۱۰۰ نانومتر حساس هستند و حداکثر جذب را در حدود ۱۱۰۰ نانومتر دارند . لیزرهای با طول موج ۵۳۲ نانومتر (سبز) و ۱۰۶۴ نانومتر (مادون قرمز نزدیک) که در بسیاری از کاربردها از جمله LiDAR استفاده می‌شوند، می‌توانند آسیب‌های جدی ایجاد کنند . نکته جالب این است که حتی لیزرهای با طول موج ۱۵۵۰ نانومتر که سنسورهای سیلیکونی معمولاً به آنها پاسخ نمی‌دهند، نیز می‌توانند باعث سوختن سنسور شوند .
 

۲. مدت زمان پالس

پالس‌های کوتاه‌تر معمولاً آستانه آسیب کمتری دارند. تحقیقات نشان داده است که آستانه آسیب برای پالس‌های پیکوثانیه (۱۰-۱۲ ثانیه) حدود ۰.۰۲ ژول بر سانتی‌متر مربع، برای پالس‌های نانوثانیه (۱۰-۹ ثانیه) حدود ۰.۳۸ ژول بر سانتی‌متر مربع، و برای لیزرهای پیوسته (CW) حدود ۱۲۷ ژول بر سانتی‌متر مربع است .
 

۳. نوع سنسور

سنسورهای مختلف آستانه آسیب متفاوتی دارند:

• سنسورهای CCD: دارای آستانه آسیب بین ۱.۶ تا ۲.۷ ژول بر سانتی‌متر مربع هستند و در برابر آسیب‌های بزرگ‌مقیاس حساسترین نوع سنسور محسوب می‌شوند .

• سنسورهای CMOS با نوردهی از جلو (FSI): آستانه آسیب حدود ۱۰ ژول بر سانتی‌متر مربع دارند .

• سنسورهای CMOS با نوردهی از پشت (BSI): مقاوم‌ترین نوع سنسور هستند و می‌توانند تا حدود ۱۰۳ ژول بر سانتی‌متر مربع را تحمل کنند .

نکته مهم این است که آستانه آسیب برای شروع تخریب (نقطه‌ای) بسیار پایین‌تر است. برای مثال، در یک مطالعه، آسیب نقطه‌ای در سنسور CMOS با پالس نانوثانیه ۵۳۲ نانومتر از ۴۶.۲ میلی‌ژول بر سانتی‌متر مربع شروع شده است .
 

موارد واقعی آسیب لیزر به دوربین

۱. خودروهای خودران و سنسورهای LiDAR

جدیدترین و شاید شایع‌ترین مورد آسیب لیزر به دوربین، مربوط به سنسورهای LiDAR خودروهای خودران است. در یک مورد واقعی که در شبکه‌های اجتماعی منتشر شد، کاربری با گوشی آیفون ۱۶ پرو مکس در حال فیلم‌برداری از یک خودروی ولوو EX90 بود که سنسور LiDAR روی سقف خودرو، یک انفجار از پرتوهای لیزر مادون قرمز را مستقیماً به لنز دوربین گوشی تاباند . نتیجه، یک خوشه دائمی از پیکسل‌های سوخته با رنگ‌های قرمز، صورتی و بنفش روی سنسور دوربین بود که در همه تصاویر بعدی قابل مشاهده بود .

ولوو در واکنش به این اتفاق، رسماً اعلام کرد که «به طور کلی توصیه می‌شود از نشانه‌گیری دوربین به سمت سنسور LiDAR خودداری شود. نور لیزر ساطع شده از LiDAR می‌تواند به سنسور دوربین آسیب برساند یا عملکرد آن را تحت تأثیر قرار دهد» . این شرکت تأکید کرد که خطر در فواصل نزدیک که پرتو متمرکزتر است، افزایش می‌یابد .
 

۲. کنسرت‌ها و نمایش‌های لیزر

یکی دیگر از منابع رایج آسیب لیزر به دوربین، نمایش‌های لیزر در کنسرت‌ها و رویدادهای تفریحی است. کاربری با گوشی سامسونگ گلکسی اس۲۴ اولترا پس از حضور در یک رویداد با جلوه‌های لیزر، متوجه ایجاد خطوط عجیب در تصاویر و ویدیوهای خود شد . انجمن بین‌المللی نمایش لیزر (ILDA) هشدار داده است که لیزرهای نمایشی که معمولاً برای چشم ایمن هستند، می‌توانند به راحتی سنسور دوربین را تخریب کنند، به ویژه اگر پرتو لیزر مستقیماً به لنز برخورد کند .
 

عوامل تشدیدکننده خطر

چندین عامل می‌توانند احتمال و شدت آسیب لیزر به دوربین را افزایش دهند:
 

۱. فاصله از منبع لیزر

نزدیکی به منبع لیزر، خطر را به شدت افزایش می‌دهد. در فواصل نزدیک، پرتو لیزر متمرکزتر و انرژی آن در واحد سطح بیشتر است .
 

۲. زوم و بزرگنمایی

استفاده از زوم یا لنزهای با فاصله کانونی بلند، نور ورودی را بیشتر متمرکز کرده و شدت آن را روی سنسور افزایش می‌دهد. در مورد کاربر آیفون، تنها لنز تله‌فوتو آسیب دیده بود .
 

۳. دیافراگم باز

دیافراگم باز (عدد f کوچک) نور بیشتری را به سنسور می‌رساند و خطر آسیب را افزایش می‌دهد.
 

۴. مدت زمان تابش

حتی لیزرهای با قدرت پایین در صورت تابش مداوم به سنسور، می‌توانند باعث تجمع حرارت و آسیب شوند .
 

۵. تعداد پالس‌ها

پالس‌های مکرر لیزر می‌توانند آستانه آسیب را کاهش دهند. تحقیقات نشان داده است که تکرار پالس با نرخ ۱۰۰ کیلوهرتز، آستانه آسیب را تا ۲۰ تا ۳۰ درصد کاهش می‌دهد .
 

راه‌های پیشگیری و محافظت

با توجه به افزایش کاربرد لیزرها در زندگی روزمره، آگاهی از راه‌های پیشگیری از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است:
 

۱. اجتناب از نشانه‌گیری مستقیم

ساده‌ترین و مؤثرترین راه، خودداری از نشانه‌گیری دوربین به سمت منابع لیزر است، چه LiDAR خودروها و چه لیزرهای نمایشی.
 

۲. حفظ فاصله ایمن

فیلم‌برداری از فاصله دور، شدت لیزر را کاهش می‌دهد و خطر آسیب را به حداقل می‌رساند .
 

۳. استفاده از لنزهای واید

به جای استفاده از زوم و لنزهای تله‌فوتو، از لنزهای واید استفاده کنید که نور را کمتر متمرکز می‌کنند .
 

۴. استفاده از فیلترها

فیلترهای UV یا حفاظتی می‌توانند تا حدی از سنسور محافظت کنند، اگرچه هیچ فیلتری نمی‌تواند به طور کامل از آسیب لیزرهای پرقدرت جلوگیری کند .
 

۵. محافظ‌های لنز

استفاده از هود لنز می‌تواند از برخی زوایای تابش لیزر به لنز جلوگیری کند .
 

۶. فناوری‌های نوین محافظت

محققان در حال توسعه فناوری‌های جدیدی برای محافظت از سنسورها در برابر لیزر هستند. یکی از این روش‌ها، «مهندسی تابع گسترش نقطه‌ای» (PSF Engineering) است که انرژی لیزر را در سطح وسیع‌تری روی سنسور پخش می‌کند و شدت نقطه‌ای آن را تا بیش از ۹۹.۷۳ درصد کاهش می‌دهد .
 

نتیجه‌گیری

خطر لیزر برای سنسور دوربین یک تهدید جدی و رو به رشد در عصر فناوری‌های پیشرفته است. از خودروهای خودران مجهز به LiDAR گرفته تا نمایش‌های لیزر در کنسرت‌ها، منابع این تهدید روزبه‌روز بیشتر می‌شوند. آگاهی از این خطر و رعایت اصول ایمنی می‌تواند از آسیب‌های جبران‌ناپذیر به دوربین‌های گران‌قیمت جلوگیری کند.

با توجه به تحقیقات علمی، آستانه آسیب برای سنسورهای مختلف متفاوت است، اما حتی لیزرهای با توان نسبتاً پایین نیز در صورت تابش مستقیم و متمرکز، می‌توانند باعث تخریب دائمی پیکسل‌ها شوند. سنسورهای جدیدتر مانند BSI CMOS مقاومت بیشتری دارند، اما همچنان در برابر لیزرهای پرقدرت آسیب‌پذیر هستند.

در نهایت، بهترین راه پیشگیری، احتیاط و آگاهی است. با افزایش تعداد خودروهای خودران و استفاده گسترده‌تر از لیزرها در زندگی روزمره، آموزش عمومی در مورد این خطر ضروری به نظر می‌رسد. تولیدکنندگان دوربین و گوشی‌های هوشمند نیز باید به دنبال راه‌حل‌های فنی برای محافظت از سنسورها در برابر این تهدید روزافزون باشند.


تهیه و تنظیم : اطمینان | نمایندگی تعمیر دوربین سونی در ایران