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.