Устройство и принципы работы фотоаппаратов

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………..……3

1 Основные принципы и классификация  цифровых фотоаппаратов............................................4

            1.1. Общие принципы работы фотоаппаратов ....................................................................4

1.2. Классификация цифровых фотоаппаратов…………………………………………....4

2. Устройство цифрового фотоаппарата…………………………………………………………..6

2.1. Матрица…………………………………………………………………………………6

2.2. Объектив…………………………………………………….…………………………..6

2.3. Затвор……………………………………………………………………………………6

2.4. Видоискатели……………………………………………..…………………………….7

2.5. Процессор……………………………………………………………………………….7

2.6. Карта памяти……………………………………………………………………………7

2.7. Разъёмы и интерфейсы…………………………………………………………………7

3. Оптическая система цифровых фотоаппаратов………………………………………………...8

3.1. Объектив с постоянным и переменным фокусным расстоянием…………………...8

3.2. Сменная оптика. Зеркальные камеры…………………………………………………8

3.3. Экспозиция. Диафрагма и выдержка  светочувствительность………………………9

3.4. Экспозиционное число. Экспокоррекция……………………………………………10

3.5. Устройство хранения информации…………………………………………………..11

3.6. Устройства долговременного  хранения…………..…………………………………12

Заключение…………………………………………………………………………………………14

Введение

Последние несколько лет мы наблюдаем  значительный прогресс в области  новых технологий. С каждым годом  появляются все больше новых форматов, CDs, DVDs, HDTV, MP3s и DVRs , принцип которых строится на уже известных процессах: превращение обычной аналоговой информации (представленной колеблющимися волнами) в цифровую информацию (представленной в виде единиц и нулей). Такой скачок полностью изменил наше представление об информации и наших возможностях.

Цифровая камера – это один из самых ярких примеров такого прогресса, потому что она полностью отличается от всех своих предшественников. Обычные камеры работают за счет химических и механических процессов, происходящих внутри нее. Для ее работы даже не нужно электричество. Во всех же цифровых камерах встроен миникомпьютер, для работы которого электричество просто необходимо.

Новая технология изначально стала  пользоваться большим успехом. Очевидно, что технология съемки, проявки плёнки и печати фотографий претерпела незначительные изменения с момента появления на свет. К революционным изменениям можно отнести воцарение цвета (случившееся, впрочем, совсем недавно) и появление фотоаппаратов «моментальной съёмки», более известных по одному из крупнейших производителей – компании Polaroid. И если с технической точки зрения обычные фотокамеры последнего поколения представляют собой чудеса инженерной мысли, то химические процессы получения фотографий сохранились с дедовских времен. При этом следует вспомнить, что любительские киносъёмки, появившаяся значительно позднее фотосъёмки, с начала 80-х годов стала активно вытесняться видеосъёмки, и в результате в наше время кинокамеры в руках далёкого от кинематографа человека – явления довольно редкое.

Тем не менее электроника заменила плёнку в фотокамерах сравнительно недавно – первые модели цифровых фотокамер появились на рынке в Украине в 1996 году. Причину столь позднего старта следует искать в конструктивных особенностях цифровых фотоаппаратов.

Также следует отметить появившиеся  недавно новые мобильные телефоны, имеющие встроенный цифровой фотоаппарат, выход в интернет и многое другое.

1 Основные принципы  и классификация цифровых фотоаппаратов

1.1Общие принципы работы  фотоаппаратов

Любой фотоаппарат, в том числе  и цифровой, можно условно разделить на три части. Первая из них – оптическая система, состоящая из объектива (иногда с насадками) и затвора. Вторая часть – это регистратор изображения. Третья часть предназначена для хранения отснятых кадров. В обычном фотоаппарате функции второй и третьей частей выполняет плёнка, в цифровом для этого используется два разных устройства.

Для регистрации изображения используется электронно-оптический преобразователь, а для хранения – флэш-память.

Примечание: ЭОП – прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал. Характеризующийся разрешением – количеством точек по вертикали и горизонтали, а также соотношением сигнал/шум.

Флеш-память – энергонезависимая память, сохраняющая информацию после выключения питания. Характеризуется форм-фактором, емкостью (в мегабайтах), скоростью доступа и напряжением питания ( как правило, 3,3 либо 5 В).

В качестве ЭОП используется два  типа устройств – ПЗС- матрицы (матрицы приборов с зарядовой связью) и КМОП-матрицы. По конкуренции данные устройства примерно похожи на используемые в видеокамерах матрицы, основное различие заключается в разрешении.

Эта же характеристика является одной  из основных при описании цифровой фотокамеры, именно дороговизна ПЗС-матрицы  с большим количеством элементов  сдерживала развитие цифровой фотографии. И если для любительской видеокамеры достаточно матрицы из 300 тысяч элементов, то для фотографии размером 9Ч12 см необходимо наличие как минимум мегапиксела.

Мегапиксельные ПЗС-матрицы с  разрешением 1280Ч960 появились в цифровых фотокамерах в конце 1997 года.

1.2Классификация цифровых фотоаппаратов

Если попытаться провести классификация  цифровых фотокамер, то полученные категории  будут примерно совпадать с существующими  в области пленочной фотографии классами.

Изначально все цифровые фотоаппараты можно разделить на:

- студийные;

- полевые;

Как видно из названия, отличаются они друг от друга «средой обитания».

1.Студийные камеры

Названия фирм, производящих эту  технику, не скажут ничего не только обычному пользователю, но и профессиональному  фотографу – Leaf, Phase One, Dicomed. Студийные камеры предназначены для стационарной съемки в специально отведенном для этого помещения – фотостудии.

Для студийных камер не существует ограничений ни на время экспонирования, ни (теоретически) на габариты устройства. В связи с этим данные приборы в основном представляют собой приставку к среднеформатной или крупноформатной камере, устанавливаемую вместо задней стенки аппарата. Конструктивно эти устройства можно разделить на два основных типа – сканирующие и полнокадровые. Поскольку в студийной технике применяются дорогостоящие ПЗС-матрицы высокого разрешения, поток информации в таких системах очень интенсивный.

2. Полевые камеры

Гораздо более распространенной категорией являются полевые камеры. Так как данные модели предназначены для эксплуатации в различных условиях освещения, а объекты съемки могут быть самыми разнообразными, крайне необходим широкий диапазон выдержки и диафрагмы, а также встроенная вспышка. Фотоаппараты этого класса работают автономно, поэтому должны обладать большими объемами памяти и низким уровнем энергопотребления. Ввиду того, что полевые камеры постоянно находятся в руках своих владельцев, в крайнем случае в сумке на плече, к этому типу техники предъявляются очень жесткие требования по массе и габаритами.

В 2002 году появилась технология, которую  можно назвать революционной  – многослойные матрицы, в которых  каждый элемент (пиксель) регистрирует полную информацию о цветовом диапазоне.

Достигается это за счет того, что  свет с разной длиной волны проникает в материал ЭОП на разную глубину. Применение сменной оптики и цена – вот что разделяет многочисленное семейство полевых фотокамер на две большие категории: профессиональные и любительские.

3. Профессиональные камеры

К началу 2003 года основной из критериев - цена составляет от 2000 долларов для профессиональных камер. Тому виной два обстоятельства. Во-первых, категория покупателей профессиональной техники относительно немногочисленна и согласна с высокой ценой за хорошее качество. Кроме того, сменные объективы, используемые в камерах этого класса, зачастую стоят не намного дешевле самих фотоаппаратов.

Вторая причина повышенной стоимости  – конструкция этих устройств.

Фактически профессиональная камера представляет собой корпус «зеркального»  пленочного фотоаппарата высокого класса (и высокой стоимости), доработанного с учетом установки электронно-оптического преобразователя (ЭОП) и устройства хранения кадров.

Большинство моделей снабжаются цветным  ЖК -дисплеем расположенным на задней панели, - он используется для просмотра и удаления отснятых кадров, настройки камеры и т.д. Главное же конструктивное отличие данной категории наличие байонетного разъема для сменной оптики, причем стоимость качественного объектива может в несколько раз превосходить стоимость камеры. Использование стандартной оптики накладывает также ограничение на минимальный размер ЭОП, по габаритам он должен быть максимально приближен к размерам кадра 35-мм пленки. Так как в качестве ЭОП в основном используются дорогостоящие крупногабаритные ПЗС-матрицы, общую цену камеры низкой назвать нельзя.

Однако в последнее время  наметилась тенденция использовать в качестве базы фотоаппараты среднего класса. Возможно, в недалеком будущем стоимость цифровой «зеркалки» опустится ниже планки в 2000 долларов.

2. Устройство цифровых  фотоаппаратов

2.1. Матрица 

Основной элемент любой цифровой фото- или видеокамеры — матрица, от которой в наибольшей степени  зависит качество получаемого изображения.

Матрица (иногда ее называют сенсором) представляет собой полупроводниковую пластину, содержащую большое количество светочувствительных элементов, сгруппированных в строки и столбцы.

В современных ЦФК наибольшее распространение  получили матрицы двух типов: ПЗС (прибор с зарядовой связью, по-английски CCD — Charge-Coupled Device) и КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник, по-английски CMOS — Complementary-symmetry/Metal-Oxide Semiconductor).

CMOS-матрицы относительно дешевы, так как производятся по стандартным  полупроводниковым технологиям, однако шумы таких матриц обычно гораздо выше, чем у CCD. Поэтому в настоящее время большинство моделей ЦФК (за исключением ряда профессиональных и полупрофессиональных «зеркалок» Canon, Nikon и Sony, имеющих специальные схемы подавления шумов), оснащаются ПЗС-матрицами. Название ПЗС — прибор с зарядовой связью, отражает способ считывания электрического заряда методом сдвига от одного элемента матрицы к другому, постепенно заполняя буферный регистр. Далее напряжение усиливается и подается на АЦП (аналого-цифровой преобразователь), после чего уже в цифровой форме поступает для последующей обработки в процессор фотокамеры.

2.2. Объектив

Объектив цифровой камеры не претерпел  кардинальных изменений по сравнению  с объективами обычных фотокамер. Из-за меньших размеров сенсора, объективы цифровых камер (за исключением зеркальных камер, использующих те же объективы) имеют меньшие геометрические размеры.

Благодаря уменьшению относительно 35-мм плёнки размера матрицы, в любительских камерах стало возможным использование оптических схем, ранее присущих только дорогим аппаратам.

2.3. Затвор

Цифровые камеры оснащены электронным  эквивалентом затвора, который встроен  в матрицу и выполняет работу, аналогичную механическому. В более  дорогих камерах вмонтированы два  затвора, и механический служит для предотвращения попадания на сенсор света после окончания времени выдержки, что позволяет избежать появления артефактов ореола, частично блюминга и смазывания.

В некоторых цифровых фотоаппаратах  при нажатии клавиши затвора  наполовину происходит срабатывание систем автоматики. Автофокус и система определения экспозиции фиксируют параметры съёмки и ждут полного нажатия. При полном нажатии клавиши спусковой кнопки:

в незеркальных цифровых аппаратах:

механический затвор (при наличии) закрывается;

происходит сброс заряда в ячейках  матрицы 

механический затвор открывается  на время экспонирования.

механический затвор закрывается.

происходит считывание кадра из матрицы 

механический затвор открывается 

матрица переходит в режим Live View.

в зеркальном цифровом аппарате (без  или при выключенном режиме Live View):

поднимается зеркало, срабатывает  «прыгающая» диафрагма.

включается ранее выключенная  матрица 

открывается на время экспонирования механический затвор

закрывается мех затвор

опускается зеркало, открывается  диафрагма 

происходит считывание и обработка  кадра из матрицы.

2.4. Видоискатель

Вид в экране видоискателя зеркальной камеры.Видоискатель — элемент фотоаппарата, показывающий границы будущего снимка и в некоторых случаях резкость и параметры съёмки. На бытовых цифровых фотоаппаратах в качестве видоискателя используются ЖК экраны (на зеркальных в режиме LiveView и на компактных камерах) и различные виды оптических видоискателей.

2.5. Процессор

Процессоры в цифровых фотоаппаратах выполняют следующие функции:

управление работой затвора;

управление объективом в автоматическом и ручном режимах съёмки;

выбор баланса белого, измерение  освещённости объекта, определение  экспопары, выбор цветовой температуры;

управление работой вспышки;

управление брекетингом — возможностью серийной съёмки (обычно сериями по 3 или 10 кадров);

управление специальными эффектами  из имеющегося набора (сепия, чёрно-белая  съёмка, устранение эффекта красных  глаз и др.);

формирование и выдачи на дисплей информации о выбранных режимах съёмки, настройках, самого изображения и т. д.

2.6. Карта памяти

Флэш карты.Карта памяти — носитель информации, который обеспечивает длительное хранение данных большого объёма, в  том числе изображений, получаемых цифровым фотоаппаратом.

В ранних моделях цифровых фотоаппаратов  использовались и иные носители информации, в том числе миниатюрные жесткие  диски, дискеты, записываемые оптические и магнитооптические диски и  т. п., вплоть до аудиокассет (в самом  первом образце электронной фотокамеры фирмы «Кодак», использовавшей аналоговые способы обработки и сохранения изображений).

2.7. Разъёмы и интерфейсы

Внешний интерфейс подключения  к компьютеру общего назначения имеется  практически во всех цифровых камерах. На сегодня (2008) самым распространённым из них является USB. Также применяются специальные виды разъёмов для подключения к телевизору или принтеру. Появились первые модели фотокамер с беспроводными интерфейсами.

3 Оптическая система цифровых фотоаппаратов

3.1.Объективы с постоянным и переменным фокусным расстоянием

Как уже было сказано, одной из основных составляющих фотоаппарата является его  объектив. Поэтому необходимо упомянуть  основные термины, касающиеся оптической подсистемы фотоаппарата.

Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол зрения - предметов попадает в кадр меньше, но их размер в кадре больше. И наоборот, при уменьшении фокусного расстояния объекты съемки становятся меньше, но в кадр их попадает больше. Разумеется, что это также сказывается и на перспективе кадра - степени удаленности объектов друг от друга. Углу зрения обычного человека в 35-мм камерах соответствует фокусное расстояние 50 мм (46°).

Часто фокусное расстояние для цифровой фотокамеры указывается двумя цифрами, например, 6-15 мм (28-72 мм). Это вызвано тем, что размер ЭОП меньше кадра обычной пленки, поэтому линейные размеры оптики тоже меньше.

Для удобства восприятия вводится вторая величина, которая обозначает фокусное расстояние в эквиваленте 35-мм камеры.

Для обозначения объективов с переменным фокусным расстоянием в англоязычной литературе применяется термин zoom, часто он калькируется в русских переводах словом «зум». Это неправильно, для объективов такого типа давно существует название вариообьектив. Под кратностью объектива подразумевают отношение максимального фокусного расстояния к минимальному, например,

105/35 = 3 – кратность объектива  равна 3. Объективы, фокусное расстояние  которых не изменяется, в англоязычной  литературе называются fixed focus. В  отечественной литературе такой тип оптики обозначается как объектив с постоянным фокусным расстоянием. Постоянное фокусное расстояние несколько ограничивает возможности фотографа, в то же время конструкция таких устройств предельно проста. Поэтому такие объективы чаще всего встречаются в недорогих компактных камерах.

3.2.Сменная оптика. Зеркальные и не зеркальные камеры

До определенного момента вариообъективы с кратностью больше двух были сложными в производстве и капризными в  эксплуатации. Поэтому для портретной, пейзажной и спортивной съемки использовались разные объективы, каждый с наиболее подходящим фокусным расстоянием. Фотограф закреплял их на камере, используя резьбовое либо байонетное соединение (о котором будет рассказано далее). Однако с появлением надежных и недорогих вариообъективов высокой кратности (от 3 и выше), а также повсеместным внедрением электроники, обеспечивающей правильный расчет параметров съемки, широкое распространение ранение получили компактные камеры под 35-мм пленку, оборудованные несменными объективами с переменным фокусным расстоянием. Тем не менее сменная оптика сохранилась в так называемых зеркальных камерах.

Зеркальной (SLR - single 1еns reflех) называется камера, в которой изображение, попадающее в объектив, с помощью специальной оптической системы проецируется на поверхность экрана фокусировки. Это изображение пользователь наблюдает в видоискателе и визуально контролирует кадрирование и фокусировку. Для точного определения дистанции съемки применяются разнообразные оптические устройства. Одним из них является микрорастр, система микроскопических пирамидок, нанесенных на поверхность экрана фокусировки.

Чтобы изображение попало на видоискатель, используется либо зеркальце, убирающееся в момент съемки, либо полупрозрачная призма.

Отдельного упоминания заслуживают  модели, использующие принцип видеокамер - вместо оптического видоискателя в них установлен миниатюрный, не более 1,5 см, цветной ЖК-дисплей с  хорошим разрешением - порядка 130 тысяч  элементов. При этом на дисплей выводится дополнительная информация - значения диафрагмы, выдержки, количество кадров и т. д. Такое решение обусловлено, во-первых, особенностями конструкции камеры (например, когда «зрачок» оптического видоискателя просто негде расположить), а во- вторых, тем, что при съемке в солнечную погоду блики на ЖК-дисплее делают практически невозможным использование его в качестве видоискателя.

3.3.Экспозиция. Диафрагма и выдержка. Светочувствительность.

Важнейшим оптическим определением является экспозиция.

Экспозиция – это физическая величина, служащая количественной мерой световой энергии, падающей на светочувствительный элемент.

В нашем случае светочувствительным  элементом является ПЗС-матрица. От экспозиции, сообщенной матрице, во многом зависит качество снимка - недостаточная экспозиция (называемая фотографами недодержкой) приводит к плохой проработке деталей в тенях, избыточная экспозиция (передержка) - к плохой проработке светлых участков. Для управления экспозицией используются диафрагма и выдержка, для расширения их диапазона применяют материалы с более высокой светочувствителъностъю.

Диафрагма – это устройство, посредством которого ограничивается поперечное сечение световых пучков, проходящих через объектив, для уменьшения освещенности ПЗС-матрицы. Представляет собой светонепроницаемую преграду с центральным отверстием изменяемого диаметра.

Наиболее распространена ирисовая диафрагма, у которой световое отверстие  образуется несколькими дугообразными  лепестками (ламелями), соединенными с  подвижным кольцом-коронкой. При повороте кольца лепестки сходятся (или расходятся), плавно уменьшая (или увеличивая) отверстие диафрагмы. Величина действующего отверстия диафрагмы изменяется в зависимости от условий съемки (освещенности фотографируемого объекта и чувствительности ПЗС-матрицы), а также выдержки (о ней будет рассказано далее). От величины отверстия диафрагмы зависит диапазон резко изображаемого пространства - чем меньше отверстие, тем больше глубина, резкости, и наоборот.

Количественно диафрагма может  быть описана относительным отверстием объектива, равным отношению диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию. Квадрат этого числа определяет светосилу объектива.

Для обозначения диафрагмы тем  не менее используется так называемое диафрагменное число - величина, обратная относительному отверстию. Ряд численных значений диафрагменного числа выбирается так, что он образует геометрическую прогрессию со знаменателем, равным корню квадратному из двух (например, 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6 и т. д.). При данной яркости объекта съемки освещенность его оптического изображения на П3С-матрице обратно пропорциональна квадрату диафрагменного числа, то есть чем меньше число, тем больше света попадает на матрицу. Если минимальное значение диафрагменного числа 2,8 и ниже, то объектив считается светосильным.

Выдержка – это промежуток времени, в течение которого световые лучи воздействуют на ЭОП для сообщения  ему требуемой экспозиции.

Светочувствительность - это способность  какого-либо материала определенным образом реагировать на оптическое излучение. Чем выше чувствительность, тем меньшее количество света требуется для реакции материала.

Количественная мера указанной  способности - светочувствительное  число.

Указывается в единицах ISO (International Standards Organization - Международная организация стандартов). При использовании пленки с высокой чувствительностью можно вести съемку с меньшей экспозицией. Но с увеличением чувствительности фотопленки растет зернистость изображения и неоднородность негатива. К сожалению, при увеличении чувствительности цифровой камеры изображение тоже ухудшается.

3.4.Экспозиционное число. Экспокоррекция

Экспозиционное число - понятие, используемое для однозначной характеристики условий фотосъемки и определения экспозиции, не обходимой для получения качественного кадра при заданной светочувствительности ПЗС-матрицы.

Ряд значений экспозиционных чисел  образует шкалу - изменение экспозиционного  числа на одну единицу соответствует  изменению экспозиции в два раза. Одну и ту же экспозицию можно обеспечить при различных сочетаниях значений диафрагменного числа и выдержки, называемых экспозиционными параметрами (экспопараметрами).

Аберрации - искажения (от лат. aberratio- уклонение) изображения, формируемого оптической системой. Проявляются в понижении резкости изображения, нарушении подобия между объектом и его изображением (геометрические аберрации) либо окрашивании контуров изображения (хроматические аберрации).

Среди большого количества геометрических аберраций наиболее заметны кривизна поля и дисторсия.

Кривизна поля характеризуется тем, что резкое изображение плоского предмета лежит на искривленной поверхности. Вызвано это тем, что после прохождения сквозь оптическую систему световые лучи, идущие из точек, расположенных вне оптической оси объектива, сходятся в фокус не в одной плоскости. На фотографии кривизна поля проявляется в понижении резкости изображения от центра к краям. Устраняется эта аберрация подбором линз с различной кривизной поверхностей.

Дисторсией называется аберрация, при которой нарушается геометрическое подобие между объектом и его изображением. Это явление возникает в результате того, что линейное увеличение, даваемое оптической системой, изменяется по полю изображения.

В вариообъективах дисторсия выражается в «подушкообразных» искажениях при длиннофокусном режиме и в «бочкообразных» - при широкоугольном. Для снижения дисторсии в конструкцию объективов включается асферическая оптика, то есть линзы с параболическими, эллиптическими и другими поверхностями.

Хроматические аберрации обусловлены зависимостью показателя преломления оптического стекла от длины волны проходящего через него света. В линзовых оптических системах это приводит к разложению луча белого света на несколько одноцветных лучей, которые после выхода из оптической системы пересекают оптическую ось в разных точках. Поэтому в тех случаях, когда освещенность объекта съемки и его фона сильно отличается, на стыке появляется цветовая окантовка, чаще синеватого или фиолетового оттенка, именуемая каймой (fringe). Хроматическую аберрацию уменьшают комбинированием положительных и отрицательных линз, сделанных из разных сортов стекла.

Разрешающая способность оптических систем - под этой характеристикой  подразумевается способность данных систем создавать раздельные изображения  двух близко расположенных точек объекта. Разрешающую способность оценивают по наименьшему расстоянию между двумя точками, при котором их изображения еще не сливаются. До недавнего момента вопрос о достаточности разрешающей способности объективов не возникал. Однако с увеличением разрешения матриц любительских камер периодически складывается ситуация, когда один и тот же сенсор, установленный на разных фотоаппаратах, «рисует» изображение с неодинаковым качеством. Особенно это характерно для сверхкомпактных моделей, к которым тяжело создать объектив с высокими оптическими характеристиками.

Электронно – оптические преобразователи

После прохождения оптики световой поток попадает на регистрирующий элемент

- электронно-оптический преобразователь  (ЭОП). Как уже упоминалось, в  основном в этих целях используются матрицы ПЗС - приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появляются даже на профессиональных моделях, подавляющее большинство любительских фотоаппаратов оснащены именно П3Сматрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобразовывается  в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точнее -р-n-переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рассматривать ее в рамках данной работы. Вкратце принцип устройства и функционирования П3С-матриц сводится к следующему.