В современном мире мы постоянно сталкиваемся со множеством сложных предметов бытовой техники, мобильными телефонами, компьютерами и прочими электронными устройствами. Мы уверенно нажимаем на кнопки или кликаем мышкой, совершенно не задумываясь о том, как устроены и как работают все эти гаджеты и девайсы. Конечно, современные цифровые камеры настолько понятны и просты в управлении, что ими могут пользоваться даже дети. Однако настоящим мастером своего дела может стать только тот, кто знает устройство фотокамеры, понимает физические принципы процесса фотографирования и фотопечати и умело использует эти знания на практике.
Немного истории
На протяжении истории развития фотографии можно отметить несколько самых важных этапов:
- 1826 год. Первая в истории фотография «Вид из окна», выполненная на пластине из олова с тонко нанесённым слоем сирийского асфальта французом Жозефом Ньепсом. Для съёмки он использовал «камеру Обскура» (с фр. «тёмная комната») – фотокамеру собственной конструкции. Время экспозиции на пластине изображения за окном заняло 9 часов при полном солнечном освещении;
- 1837 год. Луи Дагер, работавший совместно с Ж. Ньепсом, усовершенствовал камеру и научился закреплять изображение на пластине с помощью поваренной соли. Новации уменьшили время экспозиции до получаса. Камера получила название «Дагерротип»;
- 1839 год. Англичанин Уильям Тальбот разработал метод изготовления особой светочувствительной бумаги и первым научился получать негативы изображений. Его способ доминировал для портретных и архитектурных съёмок до 1850 года, когда француз Луи Эрвар изобрёл новый тип фотобумаги;
- 1869 год. Эдвардс Майбридж демонстрирует публике свое изобретение – затвор для фотокамеры;
- 1886-89 гг. Комплексные научные исследования в Англии процесса фотографии Ф. Хартера и В. Дриффильда. Выявлена зависимость количества образующегося в плёнке серебра от времени экспозиции (выдержки);
- 1880 год. Американский банкир Дж. Истмен, изучив английский опыт, основывает в США «Компанию сухих пластинок Истмена»;
- 1888 год. Д. Истмен переименовывает свою компанию в KODAK и приступает к серийному выпуску первой компактной фотокамеры под этой маркой. Этот год можно смело считать датой рождения массовой мировой любительской фотографии.
Пройдя такую длинную историческую дистанцию и претерпев множество метаморфоз, современная фотокамера по форме мало в чём изменилась по сравнению с «Камерой Обскура» и всё также состоит из двух основных частей:
Как подключить камеру к телевизору !
- объектива, через который поступает поток света, отражённый от объекта съёмки;
- и корпуса, где расположены светочувствительные элементы, фиксирующие изображение.
Другое дело, что эти элементы кардинально изменились (от пластин с асфальтовым покрытием до сенсорных матриц), да и современный объектив – настоящее технологическое чудо. Но, принципиально, цифровой фотоаппарат — это та же «Камера Обскура» с современной начинкой. Давайте попробуем разобраться, какие процессы происходят в цифровой камере при щелчке затвора и откуда теперь вылетает птичка.
10 причин, зачем фотографу снимать в ноутбук. Дарю кабель для камеры Canon!
Итак, Вы навели видоискатель на интересующий объект и нажали на спуск. Сработал затвор, открылись шторки, в камеру устремился отражённый от объекта световой поток. Чем длиннее установленная выдержка, тем дольше открыты шторки и больше величина поступившего в камеру светового потока.
Размещённый внутри корпуса светочувствительный материал или элемент воспринимает этот поток, реагирует на него и формирует изображение. В прежние времена такими элементами служили пластины со светочувствительным слоем, фотобумага, позднее — фотоплёнка. В современной цифровой аппаратуре – это сенсорная матрица.
Устройство цифровой камеры
- Вспышка. Источник света импульсного действия. Вспышка может быть двух типов: встроенная или внешняя, присоединяемая. Обеспечивает дополнительную подсветку объекта съёмки при недостаточном освещении. Современные цифровые камеры предусматривают несколько вариантов синхронизации вспышки: срабатывание одновременно с затвором, за доли секунды до него или после, с небольшим запозданием. Это даёт фотографу гораздо больше свободы выбора в сложных условиях. Использование внешней вспышки значительно эффективнее встроенной, свет от которой чрезмерно резкий и жёсткий. Помните об этом, особенно если планируете использовать снимки для дальнейшей фотопечати календарей , открыток и прочих фотосувениров и фотоподарков .
От души надеемся, что эта статья напомнила Вам некоторые забытые нюансы устройства фотоаппаратов, познакомила с чем-то новым. Постарайтесь с пользой применить новые знания на практике. Удачи Вам!
Источник: dzen.ru
Из чего состоит фотоаппарат?
Если раньше фотоаппараты были доступны только профессионалам, которые имеют определенные навыки и знания по использованию данной техники, то сейчас ими пользуются все желающие. Рынок цифровой электроники пестрит разнообразием моделей, отличающихся по функциям, характеристикам и, конечно же, стоимости. Несмотря на богатый ассортимент, все устройства имеют одинаковые основные части.
Устройство
Основная конструкция фотокамеры
Зеркальные цифровые модели, которые сейчас доступны каждому покупателю, считаются отдельным видом техники. Они обладают усовершенствованной конструкцией, за счет чего получили большой набор полезных функций. На основе стандартной модели можно продемонстрировать, из чего состоит фотоаппарат.
- Объектив. Элемент, который в большинстве случаев можно отсоединить от основной конструкции.
- Матрица. Это «сердце» техники. Она влияет на разрешение готового снимка и является аналогом пленки в цифровом оборудовании. Также матрицы используются при производстве других устройств ввода и вывода.
- Диафрагма. Механизм, контролирующий количество солнечного света.
- Отражающая призма. Такой элемент используется для ряда современных моделей. Он находится в рукояти.
- Видоискатель. Компактное окошко в верхней части фотокамеры, нужен для удобного кадрирования.
- Поворотное и вспомогательное зеркала. Система зеркальных поверхностей для получения изображения.
- Затвор. Деталь, которая поднимается во время съемки.
- Корпус. Плотный защитный корпус из износостойкого и обязательно светонепроницаемого материала.
Устройство цифрового фотоаппарата
Цифровой фотоаппарат– оптико-механический прибор, с электронным способом регистрации, обработки и хранения цифровых изображений, с помощью которого производится фотосъемка (рис. 23).
Цифровой фотоаппарат состоит из следующих основных частей:
— корпус со светонепроницаемой камерой;
— кнопка спуска – инициирует съёмку кадра;
— элементы питания камеры;
— оптический стабилизатор изображения;
— цифровой блок обработки и хранения данных;
Рис. 23. Устройство цифрового фотоаппарата
Конструкция современной цифровой камеры имеет много общего с пленочной камерой, поэтому в дальнейшем Мы будем рассматривать лишь те элементы, которые являются уникальными для цифровой фотокамеры или обладают определенной спецификой использования.
Фотографический затвор. Цифровые фотоаппараты могут обладать как механическим затвором так и электронным.
Электронные фотографические затворыпредставляют собой не отдельное устройство, а принцип дозирования экспозиции цифровой матрицей. Выдержка определяется временем между обнулением матрицы и моментом считывания с нее информации. Применение электронного затвора позволяет достичь более коротких выдержек без использования дорогостоящих высокоскоростных механических затворов. Есть модели фотоаппаратов, в которых используется комбинация механического и электронного затвора. В таких камерах механический затвор используется при длительных выдержках, а электронный – при коротких.
Видоискатель. В настоящее время многие цифровые камеры имеют оптический или электронный видоискатель (электронная система имитирующая видоискатель зеркальной фотокамеры) для быстрой компоновки кадра и жидкокристаллический дисплей, выполняющий несколько функций, для более точного построения композиции, и просмотра результата съемки. Недостатком жидкокристаллического дисплея является невозможность его использования при высокой освещенности, так как в таких условиях информация на дисплее становиться не различима, и как следствие невозможность осуществить кадрирование. На ЖК дисплей в зависимости от режима работы фотокамеры может выводиться также информация об экспозиционных параметрах и др. С помощью ЖК дисплея мы получаем доступ к меню управления настройками камеры.
Матрица (светочувствительная матрица) – специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов (фотосенсоров), выстроенных в ряды и строки (рис. 24).
Матрица предназначена для преобразования, спроецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы). При проецировании изображения на матрицу, в каждом ее фотосенсоре накапливается электрический заряд, пропорциональный яркости приходящегося на него элемента изображения. Матрица является основным элементом цифровых фотоаппаратов и видеокамер. Применяется в планшетных и проекционных сканерах.
Рис. 24. Матрица цифрового фотоаппарата
Фотосенсор– это устройство, преобразующее световую энергию (фотоны) в энергию электрического заряда (электроны): чем ярче свет, тем больше заряд (рис. 25).
Рис. 25. Схема фрагмента матрицы цифровой фотокамеры: 1 – инфракрасный фильтр; 2 – микролинза; 3 – красный светофильтр пикселя (фрагмент фильтра Байера); 4 – фотосенсор; 5 –кремниевая подложка
С матрицы в фотоаппарат поступает аналоговая информация, которая образуется в результате измерения электрического заряда на фотосенсорах. Далее с помощью аналого-цифрового преобразователя она преобразуется в цифровую форму – двоичный код. Двоичное число – это последовательность 0 и 1, где каждая цифра называется битом информации. Число бит называют глубиной цвета.
В цифровой фотографии, как правило двоичные цифры группируются в цепочки из восьми бит – байты. Байт несет информацию о 256 (десятичная система) возможных значений яркости фотосенсора, что соответствует 256 оттенкам серого.
Фотосенсоры фиксируют яркость элемента изображения, не неся ни какой информации о его цвете. Для получения информации о цвете – матрицу фотосенсоров сверху накрывают матрицей миниатюрных светофильтров, каждый из которых пропускает красный, зеленый или синий свет и задерживает остальные, упорядоченных в виде мозаичного узора Байера (рис. 26).
При этом преобладает зеленый цвет, что объясняется физиологией восприятия цвета глазом человека наиболее чувствительному к зеленой части спектра. Благодаря наличию светофильтров каждый пиксель (от англ. pixel – pixture element – элемент, из множества, которых строится цифровое изображение) в конкретном месте сенсора способен регистрировать интенсивность только одного из трех основных цветов (рис.
25). Вследствие этого большее количество света, достигающего фотосенсора, теряется. Захватывается только половина приходящего зеленого света, так как каждый ряд содержит только половину зеленых пикселей, а вторую половину составляют синие или красные. Регистрируется 25% красного и синего света.
Поскольку большая часть света не регистрируется, светочувствительность матрицы в целом снижается. Фотосенсоры обладают повышенной чувствительностью к инфракрасному диапазону спектра, поэтому кроме цветных фильтров, устанавливают и инфракрасный.
Рис. 26. Фрагмент типичный сенсор состоит из чувствительного массива и последовательности фильтров, упорядоченных в виде мозаичного узора Байера
Большинство матриц цифровых фотоаппаратов захватывают лишь часть изображения, а полное цветное изображение (восстановление цвета каждого пикселя) получается в результате математической обработки (интерполяции) микропроцессором фотокамеры.
Основные технологии матриц цифровых фотоаппаратов
ПЗС– прибор с зарядовой связью (от англ.CCD–charge-coupleddevice). Приборы с зарядовой связью первоначально создавались как устройства памяти, в которых можно было поместить заряд во входной регистр устройства. Однако способность элемента памяти устройства получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту сделала данное применение ПЗС устройств основным.
ПЗС-матрица– специализированная аналоговая интегральная микросхема, выполненная на основе поликремния, состоящая из светочувствительных элементов (фотодиодов). Фотодиод способен сохранять электрический заряд (эта способность называется емкостью), накапливаемый при ударении фотонов о поверхность сенсора.
Перед экспонированием производится сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов устройства в исходное состояние. В процессе экспонирования, в каждом пикселе матрицы, накапливается электрический заряд. Чем интенсивнее световой поток, тем больше накапливается электронов – выше итоговый заряд данного пикселя. После того как отработал фотографический затвор происходит процесс считывания этих зарядов. После аналогово-цифрового преобразования информация обрабатывается микропроцессором камеры.
КМОП– комплементарная структура металл-оксид-полупроводник (от англ.CMOS–ComplementaryMetal-OxideSemiconductor). Структуры КМОП обладают чувствительностью к свету.КМОП-матрица– светочувствительная матрица, выполненная на основе КМОП-технологии.
В КМОП матрице применяется технология APS (Active Pixel Sensors), которая добавляет к каждому пикселю транзисторный усилитель считывания, позволяя преобразовывать электрический заряд в напряжение и проводить ряд процедур обработки изображения непосредственно в фотосенсоре, реагируя на специфические условия освещенности в момент фотосъемки, что значительно увеличивает быстродействие фотоаппаратов построенных на их основе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам аналогично реализованному в микросхемах оперативной памяти. С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселей – кадрированное считывание. Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и значительно увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС матрицами. Основные преимущества КМОП технологии – низкое энергопотребление, единство технологии производства с остальными, цифровыми элементами аппаратуры, возможность объединения на одном кристалле аналоговой и цифровой части, что приводит к значительному снижению их себестоимости.
Геометрический размер матрицы и его влияние на изображение.
Геометрический размер матрицы определяет размер изображения – формат кадра. В отличие от фиксированного формата кадра в пленочной фотографии 24×36 мм, размеры матриц современных цифровых фотоаппаратов значительно отличаются друг от друга. Размер матрицы измеряется по диагонали, в долях дюйма (4/3″, 2/3″, 1/1,8″, 1/2,2″).
Данная традиция измерения происходит от диаметра передающих телевизионных трубок и часто называется «дюймы видикона». В большинстве цифровых фотоаппаратов размер фотосенсора меньше по размеру кадра 35-мм пленки.
Поэтому сравнивая матрицу с кадром фотопленки, мы видим, что при том же физическом фокусном расстоянии объектива, на датчик цифровой камеры попадает меньшая часть снимаемой сцены. Различие в размере изображения определяет фактическую область сцены, которая помещается на матрицу и следовательно отображается на фотографии. Данный параметр характеризуется эффективным углом зрения объектива фотокамеры. Для любого заданного фокусного расстояния, чем меньше размер изображения, тем меньше эффективный угол зрения объектива.
Так как большинство пользователей имеют опыт съемки на пленочные фотоаппараты, оказалось удобным сравнивать объективы пленочных и цифровых камер по углу поля зрения. Для этого было введено понятие эквивалентного фокусного расстояния.
Эквивалентное фокусное расстояние(ЭФР) – фокусное расстояние цифровой камеры, преобразованное в соответствующие значения для 35-миллиметровой пленочной камеры по углу поля зрения. Эквивалентные значения необходимы из-за того, что для цифровых камер размеры датчика и фокусные расстояния объектива не являются стандартизированными, и поэтому преобразование значений важно для сравнения их характеристик. Например, типичный объектив цифровой камеры с фокусным расстоянием 5,8–17,4 мм может дать такое же поле зрения, как и объектив с переменным фокусным расстоянием 38–114 мм для пленочной камеры.
Для сравнения объективов цифровых фотокамер с объективами камер формата 35 мм используется коэффициент преобразования фокусного расстояния – кропфактор.
Кропфактор (Kf)–отношение диагонали 35 мм кадра (43,2 мм) к диагонали матрицы. Для плёночных фотоаппаратов и полноформатных матриц цифровых фотоаппаратов равен 1. Рассмотрим соотношение между размерами наиболее распространённых типоразмеров матриц цифровых фотоаппаратов со стандартным плёночным кадром (рис. 27).
Рис. 27. Сравнение размеров матриц цифровых фотокамер с кадром 35-мм плёнки.
Геометрический размер матрицы определяет площадь поглощения света и оказывает значительное влияние на многие характеристики изображения шумы, цвета, светочувствительность, ГРИП и т.п.
Шум на цифровой фотографии– пиксели со случайными значениями цвета. Шум на цифровых фотографиях получается в результате недостаточной освещенности снимаемой сцены или выбора слишком большого значения светочувствительности ISO.
В отличие от фотоплёнки с заданным значением светочувствительности у матрицы цифрового фотоаппарата данный параметр выставляется в меню и фактически является коэффициентом усиления для сигнала, поступившего с матрицы. С ростом выставляемой чувствительности растут шумы. Следовательно, чем меньше геометрические размеры матрица, тем выше её шумы, при заданной чувствительности, и ниже реальная светочувствительность, ограниченная допустимым уровнем шума. Ориентировочное сравнение светочувствительности цифровых фотокамер и размеров матриц, при сопоставимом уровне шумов, приведена в таблице 2.
Размер матрицы
Светочувствительность при сопоставимом уровне шумов
Источник: studfile.net