Устройство и принципы работы фотоаппаратов

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.