Устройство фотоаппарата. Пленочные и цифровые фотокамеры. Как устроен и работает зеркальный фотоаппарат

Впервые ощутив в своих руках фотоаппарат и попробовав сделать несколько кадров, у любого новичка возникает вполне логичный вопрос: «Как это работает?», «Из чего состоит современный фотоаппарат?». В этой статье мы постараемся как можно детальней описать устройство камеры и сделать это легко и интересно. Поехали!

Так из чего состоит цифровой фотоаппарат?

Тушка или как многие профессионалы говорят body (англ. «тело») – корпус, состоящий из пластика или сплава магния, не пропускает свет.
Байонет – к нему прикрепляют объективы.
Объектив – состоит из системы линз (1). С помощью него изображение объектов съемки проецируется на матрицу.
Диафрагма – это перегородка (2), которая находится внутри объектива, а также имеет вид лепестков. Они образуют отверстие, диаметр которого можно регулировать.
Зеркало (3) – важнейшая вещь. Оно направляет изображение, которое создает объектив, к фокусировочному экрану (6), а затем через пентапризму (7) в видоискатель (8).
Экран фокусировки – матовая пластина, с помощью которой фотограф видит изображение через видоискатель.
Пентапризма – элемент, который переворачивает изображение.
Видоискатель – своего рода «глазок», через который фотограф видит будущий снимок.
Сенсор – электронная матрица (5), которая, чувствуя свет, заменяет в устройстве зеркального фотоаппарата пленку.
Процессор – считывает и обрабатывает изображения, возникающие на матрице.
Карта памяти – бережно хранит наши фотографии.
Затвор – это механические шторки (4), которые находятся между сенсором и зеркалом фотокамеры. В момент съемки они временно открываются таким образом, чтобы свет, попал на матрицу.
Аккумулятор – питание камеры и всех ее элементов.
Штативное гнездо (11) – разъем для штатива.
«Горячий башмак» (10) – к нему подключается внешняя вспышка.
Дисплей (9) – для просмотра фотографий, а также для настройки необходимых параметров съемки.
Управление – различные кнопочки, колесики и диски для управления и настройки фотокамеры.

Мы перечислили далеко не все части, но лучше ограничится этим набором, дабы при разборе принципов действия в дальнейшем не запутаться.

Устройство цифрового фотоаппарата: принцип действия

Всем начинающим фотографам (особенно мальчикам) наверняка интересно, что происходит внутри фотоаппарата в тот момент, когда вы решаете сделать кадр и нажимаете на кнопку. А происходит следующее:

При съемке в автоматическом режиме объектив самостоятельно фокусируется на предмете.
Затем механический или оптический стабилизатор изображение делает свое дело, а именно – стабилизирует изображение.
Опять же при съемке в авто-режиме, камера сама подбирает параметры: выдержку, диафрагму, ISO, а также баланс белого.
После чего зеркало(3) поднимается.
А затвор(4) открывается.
Свет, который проходит через объектив, формирует изображение на матрице, которое потом считывается процессором и сохраняется в карту.
Затвор закрыт.
Зеркало опущено.

Из чего состоит объектив фотоаппарата

Сейчас существует столько различных видов и марок объективов, что разобраться в составе каждого в рамках небольшой информативной статьи просто не реально. Устройство объектива зеркального фотоаппарата может насчитывать разное количество оптических элементов или линз. Они могут соединяться друг с другом или же, напротив, разделяться небольшим пространством. В простых объективах обычно используют систему, которая может состоять от одной - до трех линз. Что касается дорогих качественных объективов, то количество линз в системе может быть около десятка и больше.

Устройство вспышки фотоаппарата

Самый главный элемент любой электронной вспышки – это импульсная ксеноновая лампочка. Это запаянная стеклянная трубка (дугообразная, спиральная, прямая или кольцевая), которая наполнена ксеноном. На концах трубки имеются впаянные электроды, снаружи располагается зажигательный электрод, который представляет собой полосочку мастики или отрезок проволоки, проводящей ток.

Вспышки бывают:

Встроенные – не особо мощные, дают плоское изображение, создают резкие контрастные тени. Не способны выделить структуры объекта съемки. Отлично подходят для использования при ярком естественном освещении, подсвечивают резкие тени. Но стоит отметить, что профессиональные фотографы не советуют использовать встроенную вспышку при съемке.
Закрепленные – мощнее, чем встроенные, также их можно настраивать как в ручном режиме, так и в автоматическом.
Не прикрепленные к фотоаппарату – обычно такие устанавливают на штатив. С помощью них можно изменять условия освещения, играть со светом.
Макровспышки – применяются для макросъемки. Выглядят как небольшое кольцо, которое устанавливается на объективе камеры.

Устройство затвора фотоаппарата

Как мы уже писали выше, затвор в фотоаппарате используется для того, чтобы перекрыть поток света, который проецирует объектив на матрицу или пленку. Открывая затвора на заданное время выдержки, количество света дозируется – так регулируют экспозицию.

Типы затворов:

дисковой секторный затвор;
затовры-жалюзи;
центральный затвор;
диафрагменный затвор;
фокальный затвор.

Устройство матрицы фотоаппарата

Современная матрица представляет собой небольшую микросхему. Поверхность этой микросхемы составляет множество светочувствительных элементов, каждый из которых представляет собой самостоятельный светоприемник. Он преобразует свет в некий сигнал, который после обработки сохраняется на карте памяти. Снимок, который получает фотограф, состоит из комплекса записанных электронных сигналов с каждого светочувствительного элемента. Интересно, правда?

Устройство фотоаппарата зенит

Из чего состоит зеркальный фотоаппарат, мы уже выяснили, теперь пришел черед пленочной камеры «Зенит». Он состоит из:

объектива;
зеркала;
затвора;
фотопленки;
матового стекла;
конденсор (линза);
пентапризма или пентазеркало;
окуляр.

Конечно, мы перечислили далеко не все. Для того чтобы подробней узнать из чего состоит фотоаппарат (как цифровой, так и пленочный) вам необходимо записать в нашу , где опытный преподаватель расскажет вам о каждой гаечке и продемонстрирует все на наглядном примере.

Сегодня мы не представляем свою жизнь без фотографий. Они окружают нас сплошь и рядом. Сделать фото - элементарная задача для современного человека. Но когда-то об этом могли только мечтать. Давайте узнаем, какой была история фотоаппарата начиная от первых задумок инженеров и заканчивая современными технологиями.

Человека всегда привлекало прекрасное. Однажды он захотел описать его, придать ему форму. В поэзии прекрасное обрело форму слова, в музыке - звука, а в живописи - изображения. Единственное что не смог запечатлеть человек - мгновение. К примеру, поймать раскаты грозы, рассекающие небо, или разбивающуюся каплю. С появлением фотоаппарата это и много другое стало возможным. История развития фотоаппарата включает в себя множество попыток изобретений устройств, регистрирующих изображение. Она начинается давным-давно, когда изучая оптику математики заметили, что изображение можно перевернуть, пропустив его через небольшое отверстие, в темную комнату. Рассмотрим наиболее значимые события, повлиявшие на историю фотоаппарата.

Законы Кеплера

А вы знаете, когда началась история фотоаппарата? Первые технологии, которые позже стали применяться для создания фотографий, появились в 1604 году, когда Йоганн Кеплер - немецкий астроном - установил света в зеркале. Впоследствии на них была основана теория линз, по которым Галилео Галилей - итальянский физик - создал первый в мире телескоп для наблюдения небесных тел. Принцип преломления лучей был установлен и изучен. Осталось научиться регистрировать полученное изображение на бумаге.

Открытие Ньепса

Практически через два столетия, в 20-х годах 19 века, французский изобретатель Жозеф Нисефор Ньепс открыл способ регистрации изображения. Многие считают, что именно с этого момента началась история возникновения фотоаппарата. Суть способа состояла в обработке попадающего света асфальтовым лаком и сохранении его на стеклянной поверхности. Этот лак представлял нечто похожее на современный битум, а стекло называлось камерой-обскурой. С помощью этого метода, изображение приобретало форму и становилось видимым. Это был первый случай в истории, когда картина рисовалась не художником, а преломленными лучами света.

Новое качество снимка от Тальбота

Изучая камеру-обскуру Ньепса, английский физик Уильям Тальбот добился улучшения качества изображения с помощью негатива - изобретенного им отпечатка фотографии. Произошло это в 1835 году. Данное открытие позволило не только делать фото нового качества, но и копировать их. На своем первом фото Тальбот запечатлел окно своего дома. Изображение четко передает очертание окна и рамы. В своем докладе, написанном немного позже, Тальбот назвал фотографию миром прекрасного. Именно он заложил основу принципа, который использовался для печати фотографий еще долгие годы.

Изобретение Сэттона

В 1861 году английский фотограф Т. Сэттон разработал фотоаппарат, у которого был единый зеркальный объектив. Фотоаппарат состоял из штатива и крупного ящика, на верхней стороне которого была специальная крышка. Уникальность крышки заключалась в том, что она не пропускала свет, но через нее можно было смотреть. Объектив регистрировал фокус на стекле, которое с помощью зеркал формировало изображение. По большому счету, это был первый фотоаппарат. История дальнейшего развития фотографии развивалась более динамично.

«Кодак»

Популярный нынче бренд «Кодак» впервые заявил о себе в 1889 году, когда Джордж Истман запатентовал первую рулонную фотопленку, а затем и фотокамеру, сконструированную специально под эту пленку. В результате появилась крупная корпорация «Кодак». Интересно отметить, что название «Кодак» не несет какой-либо смысловой нагрузки. Истман просто хотел придумать слово, которое начиналось бы и заканчивалось на одну и ту же букву.

Пластины для фото

В 1904 году торговая марка Lumiere наладила выпуск пластин для цветных фотографий. Они стали прообразом современного снимка.

Фотоаппараты Leica

В 1923 году появился фотоаппарат, который работал с 35-миллиметровой пленкой. Появилась возможность просматривать негативы и выбирать для печати лучшие из них. Спустя два года в массовое производство запустились фотоаппараты Leica. В 1935 году появилась модель Leica 2, которая оснащалась видоискателем, мощной фокусировкой, и могла совмещать две картинки в одну. А версия Leica 3 также позволяла регулировать длительность выдержки. Долгое время модели Leica были неотъемлемым атрибутом в фотографическом искусстве.

Цветные пленки

В 1935 году компания Kodak начала выпускать цветную пленку «Кодакхром». После печати такую пленку нужно было отдавать на доработку, во время которой и накладывались цветные компоненты. Через семь лет проблема была решена. В результате пленка «Кодакколор» на ближайшие полвека стала одной из наиболее часто применяемых в профессиональной и любительской фотосъемке.

Фотокамера «Полароид»

В 1963 году история фотоаппарата получила новый вектор. Фотокамера «Полароид» перевернула представление о быстрой печати фото. Камера позволяла печатать фото сразу после того, как оно было сделано. Нужно было лишь нажать на кнопку и подождать пару минут. За это время фотоаппарат прорисовывал на чистом отпечатке контуры картинки, а затем полную гамму цветов. На ближайшие 30 лет, фотоаппараты «Полароид» обеспечили себе первенство на рынке. Спад популярности этих моделей начался лишь в годы, когда зарождалась эпоха цифрового фото.

В 70-х фотоаппараты начали снабжать экспонометром, автоматической фокусировкой, встроенной вспышкой и автоматическими режимами съемки. В 80-х некоторые модели уже оборудовались жидкокристаллическими дисплеями, на которые выводились настройки и режимы аппарата. История цифрового фотоаппарата начиналась примерно тогда же.

Эпоха цифрового фото

В 1974 году, благодаря электронному астрономическому телескопу, удалось сделать первое цифровое фото звездного неба. А в 1980-м компания Sony запустила выпуск цифровой фотокамеры Mavica. Видео, снятое на нее, записывалось на гибкий флоппи-диск. Его можно было бесконечно очищать для новой записи. В 1988 году вышла первая модель цифрового аппарата от компании Fujifilm. Аппарат получил название Fuji DS1P. Фотографии, сделанные на него, сохранялись в цифровом виде на электронный носитель.

В 1991 году фирма Kodak создала цифровую зеркальную камеру, которая имела 1,3 мегапикселя разрешения и ряд функций, позволяющий делать с нее профессиональные цифровые снимки. А фирма Canon в 1994 году снабдила свои фотоаппараты системой оптической стабилизации изображения. Вслед за Canon от пленочных моделей отказалась и фирма Kodak. Произошло это в 1995 году. Дальнейшая история фотоаппарата развивалась еще динамичнее, хотя принципиально важных разработок больше не было. А вот что было, так это уменьшение габаритов и стоимости при увеличении функциональности. Именно от удачного сочетания этих характеристик и зависит сегодня успешность компании на рынке.

2000-е

Корпорации Samsung и Sony, которые развиваются на базе цифровых технологий, поглотили львиную долю рынка цифровых фотоаппаратов. Любительские модели преодолели границу в 3 мегапикселя разрешения и стали соперничать с профессиональной техникой по Несмотря на стремительное развитие цифровых технологий - распознавание лица и улыбки в кадре, устранение эффекта «красных» глаз, многократное зумирование и прочие функции, - цена на фототехнику стремительно падает. Телефоны, снабженные камерой и цифровым зумом, начали противостоять фотоаппаратам. Пленочные аппараты уже мало кого интересуют, а аналоговые фотографии начали цениться как раритет.

Как устроен фотоаппарат?

Теперь мы с вами знаем, из каких этапов состояла история фотоаппарата. Кратко рассмотрев ее, познакомимся с устройством фотоаппарата поближе.

Пленочный фотоаппарат работает следующим образом: проходя через диафрагму объектива, свет вступает в реакцию с пленкой, покрытой химическими элементами, и сохраняется на ней. Корпус не пропускает свет, равно как и крышка пленкодержателя. В фильмовом канале, пленка перематывается после каждого снимка. Объектив состоит из нескольких линз, которые позволяют менять фокусировку. В профессиональном объективе, кроме линз, устанавливаются также зеркала. Яркость оптического изображения регулируется с помощью диафрагмы. С помощью затвора приоткрывается шторка, закрывающая пленку. От того, насколько долго затвор находится в открытом положении, зависит экспозиция фотографии. В случае если объект недостаточно освещен, применяется вспышка. Она состоит из газоразрядной лампы, при мгновенном разряжении которой можно получить свет, превышающий по яркости свет тысячи свечей.

Цифровой фотоаппарат на стадии прохождения света через объектив работает также как и пленочный. Но после того как изображение преломляется через оптическую систему, оно преобразуется в цифровую информацию на матрице. От разрешения матрицы зависит качество снимка. После нее перекодированная картинка сохраняется в цифровом виде на носителе информации. Корпус такого фотоаппарата аналогичен пленочному, но в нем отсутствует фильмовой канал и место под катушку с пленкой. В этой связи габариты цифрового фотоаппарата гораздо меньше. Привычным атрибутом для современных цифровых моделей является ЖК-дисплей. Он, с одной стороны, служит видоискателем, а с другой - позволяет осуществлять удобную навигацию по меню и видеть результат фокусировки.

Объектив цифрового аппарата также состоит из линз или зеркал. В любительских камерах он может быть небольшим, но функциональным. Главным элементом цифрового фотоаппарата является матрица-сенсор. Она представляет собой небольшую пластинку с проводниками, которая формирует качество картинки. За все функции цифровой камеры отвечает микропроцессор.

Заключение

Сегодня мы узнали, из каких этапов состояла увлекательная история фотоаппарата. Фотографии сегодня никого не удивляют, но были времена, когда они считались настоящим чудом инженерной мысли. Сейчас фото делается за считанные секунды, а раньше на это уходил дни.

История создания фотоаппарата с появлением цифровых камер получила новую веху развития. Если раньше фотограф вынужден был идти на всякие ухищрения чтобы получился красивый снимок, то теперь за это отвечает богатое на функции программное обеспечение фотоаппарата. Кроме того, любое цифровое фото можно дополнительно отредактировать на компьютере. Создатели первых фотоаппаратов о таком даже не мечтали.

Современные цифровые камеры во многом напоминают старые пленочные фотоаппараты. И в этом нет ничего удивительного, ведь цифровая фотография, по сути, выросла из пленочной, позаимствовав различные узлы и компоненты. Особенное сходство прослеживается между зеркальным цифровым фотоаппаратом и пленочной камерой: ведь и там и там применяется объектив, с помощью которого аппарат фокусируется на снимаемом объекте. Схожий процесс: фотограф просто нажимает на кнопку затвора и, в конечном счете, получается фотоизображение.

Тем не менее, несмотря на схожесть процесса съемки, устройство цифрового фотоаппарата является гораздо более сложным по сравнению с пленочным. И эта сложность конструкции обеспечивает «цифровикам» существенные преимущества — мгновенный результат съемки, удобство, широкие функциональные возможности по управлению фотосъемкой и обработке изображений. Для того, чтобы разобраться в устройстве цифрового фотоаппарата, нужно, прежде всего, ответить на следующие вопросы: Как создается фотоизображение? Какие узлы цифровой фотоаппарат позаимствовал у пленочного? И что нового появилось в фотокамере с развитием цифровых технологий?

Принцип работы пленочного и цифрового фотоаппарата

Принцип работы обычной пленочной камеры состоит в следующем. Свет, отражаясь от снимаемого объекта или сцены, проходит через диафрагму объектива и фокусируется особым образом на гибкой, полимерной пленке. Фотопленка покрыта светочувствительным эмульсионным слоем на основе галоидного серебра. Мельчайшие гранулы химических веществ на пленке под действием света изменяют свою прозрачность и цвет. В результате, фотопленка благодаря химическим реакциям «запоминает» изображение.

Как известно, для формирования любого существующего в природе оттенка достаточно использовать комбинацию трех основных цветов — красного, зеленого и синего. Все остальные цвета и оттенки получаются путем их смешивания и изменения насыщенности. Каждая микрогранула на поверхности фотопленки отвечает, соответственно, за свой цвет в изображении и изменяет свои свойства именно в той степени, в которой на нее попали лучи света.

Поскольку свет различается по цветовой температуре и интенсивности, то в результате химической реакции на фотопленке получается практически полное дублирование снимаемой сцены. В зависимости от характеристик оптики, освещенности, времени выдержки/экспозиции сцены на пленке и времени раскрытия диафрагмы, а также других факторов формируется тот или иной стиль фотографии.

Что же касается цифрового фотоаппарата, то тут также используется система оптики. Лучи света проходят через линзу объектива, преломляясь особым образом. Далее они достигают диафрагмы, то есть отверстия с изменяемым размером, посредством которого регулируется количество света. Далее при фотографировании лучи света попадают уже не на эмульсионный слой фотопленки, а на светочувствительные ячейки полупроводникового сенсора или матрицы. Чувствительный сенсор реагирует на фотоны света, захватывает фотоизображение и передает его на аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Последний анализирует простые, аналоговые электрические импульсы, и преобразует их с помощью специальных алгоритмов в цифровой вид. Это перекодированное изображение в цифровом виде сохраняется на встроенном или внешнем электронном носителе. Готовое изображение уже можно посмотреть на ЖК-экране цифровой камеры, либо вывести его на монитор компьютера.

В течение всего этого многоступенчатого процесса получения фотоизображения электроника камеры непрерывно опрашивает систему на предмет немедленной реакции на действия фотографа. Сам фотограф через многочисленные кнопки, регуляторы и настройки может влиять на качество и стиль получаемого цифрового снимка. И весь этот сложный процесс внутри цифровой камеры происходит за считанные доли секунды.

Основные элементы цифрового фотоаппарата

Даже визуально корпус цифровой камеры схож с пленочным аппаратом, за исключением того, что в «цифровике» не предусмотрено катушки фотопленки и фильмового канала. На катушку в пленочных фотоаппаратах закреплялась пленка. И по окончании кадров на пленке фотографу приходилось перематывать кадры в обратном направлении вручную. В фильмовом канале фотопленка перематывалась до нужного для съемки кадра.

В цифровых фотоаппаратах все это кануло в лету, причем за счет избавления от фильмового канала и места для катушки с пленкой удалось сделать корпус камеры существенно тоньше. Впрочем, некоторые узды пленочных фотоаппаратов плавно перешли в цифровую фототехнику. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим основные элементы современной цифровой камеры:

— Объектив

И в пленочной, и в цифровой фотокамере световые лучи проходят через объектив для получения изображения. Объектив представляет собой оптическое устройство, состоящее из набора линз и служащее для проецирования изображения на плоскости. В зеркальных цифровых фотоаппаратах практически ничем не отличаются от тех, что использовались в пленочных камерах. Более того, многие современные «зеркалки» обладают совместимостью с объективами, разработанными для пленочных моделей. К примеру, старые объективы с байонетом F могут применяться со всеми цифровыми зеркальными фотоаппаратами Nikon.

— Диафрагма и затвор

– это круглое отверстие, посредством которого можно регулировать величину светового потока, попадающего на светочувствительную матрицу или фотопленку. Это изменяемое отверстие, обычно размещающееся внутри объектива, образуется несколькими серповидными лепестками, которые при съемке сходятся или расходятся. Естественно, что диафрагма имеется как в пленочных, так и в цифровых аппаратах.

Тоже самое можно сказать и о затворе, который устанавливается между матрицей (фотопленкой) и объективом. Правда, в пленочных камерах используется механический затвор, представляющий собой своеобразные шторки, которые ограничивают воздействие света на пленку. Современные же цифровые аппараты оснащены электронным эквивалентом затвора, способным включать/выключать сенсор для приема приходящего светового потока. Электронный обеспечивает точную регуляцию времени приема света матрицей фотоаппарата.

В некоторых цифровых камерах, впрочем, имеется и традиционный механический затвор, который служит для предотвращения попадания на матрицу световых лучей после окончания времени выдержки. Тем самым, предотвращается смазывание картинки или появления эффекта ореола. Стоит отметить, что поскольку цифровому фотоаппарату может потребоваться некоторое время, чтобы обработать изображение и сохранить его, то возникает задержка по времени между тем моментом, когда фотограф нажал на кнопку спуска, и моментом, когда камера зафиксировала изображение. Эта задержка по времени называется задержкой срабатывания затвора.

— Видоискатель

Как в пленочном, так и в цифровом фотоаппарате имеется устройство для визирования, то есть устройство для предварительной оценки кадра. Оптический видоискатель, состоящий из зеркал и пентапризмы, показывает фотографу изображение именно в том виде, в котором оно существует в натуре. Однако многие современные цифровые камеры оборудованы электронным видоискателем. Он снимает изображение со светочувствительной матрицы и показывает фотографу таким, каким камера его видит с учетом предустановленных настроек и используемых эффектов.

В недорогих компактных цифровых фотоаппаратах видоискатель как таковой может просто отсутствовать. Его функции выполняет встроенный ЖК-экран с функцией LiveView. ЖК-экраны сегодня встраиваются и в зеркальные цифровые аппараты, поскольку благодаря такому экрану фотограф имеет возможность сразу же просмотреть результаты съемки. Таким образом, если снимок не удался, его можно тут же удалить и отснять новый кадр уже с другими настройками или в другом ракурсе.

— Матрица и аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

После того, как мы рассмотрели принцип работы пленочного и цифрового фотоаппарата, стало понятно, в чем собственно состоит основная разница между ними. В цифровой камере вместо фотопленки появилась светочувствительная матрица или сенсор. Матрица представляет собой полупроводниковую пластину, на которой размещается огромное множество фотоэлементов.

Не превышают размеров кадра фотопленки. Каждый из чувствительных элементов матрицы при попадании на него светового потока создает минимальный элемент изображения – пиксел, то есть одноцветный квадрат или прямоугольник. Элементы сенсора реагируют на свет и создают электрический заряд. Таким образом, матрица цифрового фотоаппарата фиксирует световые потоки.

Матрица цифровой камеры характеризуется такими параметрами, как физические размеры, разрешение и чувствительность, то есть способность матрицы точно уловить поток попадающего на нее света. Все эти параметры оказывают свое влияние на качество фотоизображения.

Полученная информация от сенсора в виде электрических импульсов далее поступает на обработку в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Функция последнего состоит в том, чтобы превратить эти аналоговые импульсы в цифровой поток данных, то есть перевести изображение в цифровой вид.

— Микропроцессор

Микропроцессор присутствовал и в некоторых последних моделях пленочных камер, однако в цифровом фотоаппарате он стал одним из ключевых элементов. Микропроцессор отвечает в «цифровике» за работу затвора, видоискателя, матрицы, автофокуса, системы стабилизации изображения, оптики, а также за запись отснятого фото- и видеоматериала на носитель, выбор настроек и программных режимов съемки. Это своеобразный мозговой центр камеры, управляющий всей электроникой и отдельными узлами.

От производительности микропроцессора во многом зависит то, насколько быстро цифровая камера сможет осуществлять непрерывную съемку. В этой связи в некоторых продвинутых моделях цифровых камер используется сразу два микропроцессора, которые могут производить отдельные операции параллельно. Тем самым, обеспечивается максимальная скорость серийной съемки.

— Носитель информации

Если аналоговый (пленочный) фотоаппарат сразу же фиксирует изображение на пленке, то в цифровом, электроника записывает изображение в цифровом формате на внешний или внутренний носитель информации. Для этой цели в большинстве случаев используются . Но в некоторых камерах имеется и встроенная память небольшого объема, которой хватает для размещения нескольких отснятых кадров.

Также цифровые камеры обязательно оснащаются соответствующими разъемами для возможности их подключения к персональному или планшетному компьютеру, телевизору и другим устройствам. Благодаря этому фотограф получает возможность всего через несколько минут после съемки поместить готовое изображение в Интернете, передать по электронной почте или распечатать.

— Батарея

Во многих пленочных фотоаппаратах используется аккумуляторная батарея для приведения в действие электроники, которая, в частности, управляет фокусировкой и автоматической экспозицией сцены. Но эта работа не требует значительного энергопотребления, поэтому на одном заряде батареи пленочная камера способна проработать несколько недель.

Другое дело цифровая фототехника. Здесь жизнь аккумуляторной батареи камеры измеряется часами. А потому для поддержания работы камеры в условиях отсутствия источника электричества фотографу порой приходится запасаться дополнительными батареями.

Несмотря на то, что цифровая фототехника заимствовала многие узлы и компоненты из пленочной фотографии, она обладает рядом существенных преимуществ. Прежде всего, это возможность оперативно контролировать результаты съемки и вносить необходимые коррективы. Цифровой фотоаппарат в силу особенностей своего устройства предоставляет любому фотографу больше гибкости в процессе съемки за счет широких возможностей управления качеством изображений. Цифровые технологии обеспечивают мгновенный доступ к любому кадру и высокоскоростную фотосъемку. Сочетание гибкости, широких функциональных возможностей и оперативности ведения съемки гарантируют обладателю цифровой камеры получение фотографий превосходного качества практически в любых условиях.

Возможности цифровой фототехники сегодня далеко не исчерпаны. По мере развития устройство цифровых камер будет все более усложняться, в них будут реализованы новые технологии, увеличивающие функциональность аппаратов и обеспечивающие еще более высокое качество изображений.

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;

Объектив;

Диафрагма;

Фотографический затвор;

Кнопка спуска – инициирует съёмку кадра;

Видоискатель;

Фокусировочное устройство;

Фотоэкспонометр;

Встроенная фотовспышка;

Элементы питания камеры;

Матрица;

Дисплей;

Органы управления;

Оптический стабилизатор изображения;

Цифровой блок обработки и хранения данных;

Карта памяти.

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 затворы представляют 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-coupled device). 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 – Complementary Metal-Oxide Semiconductor). 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").

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 (K f) – 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.

Отношение сторон кадра

В аналоговой (пленочной) фотографии используется формат кадра 3:2 (36×24 мм).

В цифровой фотографии существуют несколько форматов кадра:

– формат кадра 4:3 (телевизионный формат кадра: PAL, SECAM, NTSC);

– формат кадра 16:9 (телевизионный формат кадра телевидения высокой четкости);

– формат кадра 3:2.

В ряде фотоаппаратов имеется настройка, позволяющая программно изменять формат кадра, что приводит к изменению разрешения снимка (мегапиксели), так как формат кадра определяется геометрическим размером матрицы и соотношением ее сторон.

Формат кадра необходимо учитывать при фотосъемке, в зависимости от предполагаемого дальнейшего использования фотографии.

Современные фотоаппараты все делают сами - чтобы получить снимок, пользователю достаточно лишь нажать на кнопку. Но ведь все равно интересно: по какому же волшебству картинка попадает в камеру? Мы постараемся объяснить основные принципы работы цифровых фотоаппаратов.

Ликбез: как работает цифровая камера

Основные части Борьба с искажениями

Основные части

В основном устройство цифровой камеры повторяет конструкцию аналоговой. Главное их различие - в светочувствительном элементе, на котором формируется изображение: в аналоговых фотоаппаратах это пленка, в цифровых – матрица. Свет через объектив попадает на матрицу, где формируется картинка, которая затем записывается в память. Теперь разберем эти процессы подробнее.

Состоит камера из двух основных частей – корпуса и объектива. В корпусе находятся матрица, затвор (механический или электронный, а иногда и тот и другой сразу), процессор и органы управления. Объектив, съемный или встроенный, представляет собой группу линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе.

Где получается картинка

Матрица состоит из множества светочувствительных ячеек – пикселов. Каждая ячейка при попадании на нее света вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока. Поскольку используется информация только о яркости света, картинка получается черно-белой, а чтобы она была цветной, приходится прибегать к разным хитростям. Ячейки покрывают цветными фильтрами – в большинстве матриц каждый пиксел покрыт красным, синим или зеленым фильтром (только одним!) в соответствии с известной цветовой схемой RGB (red-green-blue). Почему именно эти цвета? Потому что они – основные, а все остальные получаются путем их смешения и уменьшения или увеличения их насыщенности.

На матрице фильтры располагаются группами по четыре, так что на два зеленых приходится по одному синему и красному. Так делается потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Световые лучи разного спектра имеют разную длину волн, поэтому фильтр пропускает в ячейку лучи лишь своего цвета. Полученная картинка состоит только из пикселов красного, синего и зеленого цвета – именно в таком виде записываются файлы формата RAW (сырой формат). Для записи файлов JPEG и TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселов. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.

Такое расположение фильтров на ячейках матрицы называется шаблоном Байера

Основных типов матриц два, и они различаются способом считывания информации с сенсора. В матрицах типа CCD (ПЗС) информация считывается с ячеек последовательно, поэтому обработка файла может занять довольно много времени. Хотя такие сенсоры «задумчивы», они относительно дешевы, и к тому же, уровень шума на полученных с их помощью снимках меньше.

Матрица типа ПЗС

В матрицах типа CMOS (КМОП) информация считывается индивидуально с каждой ячейки. Каждый пиксел обозначен координатами, что позволяет использовать матрицу для экспозамера и автофокусировки.

КМОП-матрица

Описанные типы матриц – однослойные, но есть еще и трехслойные, где каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн.

Трехслойная матрица

Выше уже был упомянут процессор камеры – он отвечает за все процессы, в результате которых получается картинка. Процессор определяет параметры экспозиции, решает, какие из них нужно применить в данной ситуации. От процессора и программного обеспечения зависят качество фотографий и скорость работы камеры.

По щелчку затвора

Затвор отмеряет время, в течение которого свет воздействует на сенсор (выдержку). В подавляющем большинстве случаев это время измеряется долями секунды – что называется, и моргнуть не успеешь. В цифровых зеркальных камерах, как и в пленочных, затвор представляет собой две непрозрачные шторки, закрывающих сенсор. Из-за этих шторок в цифровых зеркалках невозможно визирование по дисплею – ведь матрица закрыта и не может передавать изображение на дисплей.

В компактных камерах матрица не закрыта затвором, и поэтому можно компоновать кадр по дисплею

Когда кнопка спуска нажата, шторки приводятся в движение пружинам или электромагнитами, открывается доступ свету, и на сенсоре формируется изображение – так работает механический затвор. Но в цифровых камерах бывают еще и электронные затворы – они используются в компактных фотоаппаратах. Электронный затвор, в отличие от механического, нельзя пощупать руками, он, в общем-то, виртуален. Матрица компактных камер всегда открыта (именно потому и можно компоновать кадр, глядя на дисплей, а не в видоискатель), когда же нажимается кнопка спуска, кадр экспонируется в течение указанного времени выдержки, а затем записывается в память. Благодаря тому что у электронных затворов нет шторок, выдержки у них могут быть ультракороткими.

Наведем фокус

Как уже говорилось выше, часто для автофокусировки используется сама матрица. Вообще же, автофокусировка бывает двух типов – активная и пассивная.

Для активной автофокусировки камере нужны передатчик и приемник, работающие в инфракрасной области или с ультразвуком. Ультразвуковая система измеряет расстояние до объекта по методу эхолокации отраженного сигнала. Пассивная фокусировка осуществляется по методу оценки контраста. В некоторых профессиональных камерах сочетаются оба типа фокусировки.

В принципе, для фокусировки может использоваться вся площадь матрицы, и это позволяет производителям размещать на ней десятки фокусировочных зон, а также использовать «плавающую» точку фокуса, которую пользователь сам может разместить где ему угодно.

Борьба с искажениями

Именно объектив формирует на матрице изображение. Объектив состоит из нескольких линз – из трех и более. Одна линза не может создать совершенное изображение – по краям оно будет искажаться (это называется аберрациями). Грубо говоря, пучок света должен идти прямо на сенсор, не рассеиваясь по пути. В какой-то мере этому способствует диафрагма – круглая пластинка с дыркой посередине, состоящая из нескольких лепестков. Но сильно закрывать диафрагму нельзя – из-за этого уменьшается количество света, попадающее на сенсор (что и используется при определении нужной экспозиции). Если же собрать последовательно несколько линз с различными характеристиками, искажения, даваемые ими вместе, будут гораздо меньше, чем аберрации каждой из них по отдельности. Чем больше линз – тем меньше аберрации и тем меньше света попадает на сенсор. Ведь стекло, каким бы прозрачным оно нам ни казалось, не пропускает весь свет – какая-то часть рассеивается, что-то отражается. Чтобы линзы пропускали как можно больше света, на них наносят специальное просветляющее напыление. Если посмотреть на объектив камеры, будет видно, что поверхность линзы переливается радугой – это и есть просветляющее напыление.

Линзы располагаются внутри объектива примерно таким образом

Одна из характеристик объектива – светосила, значение максимально открытой диафрагмы. Она указывается на объективе, например, так: 28/2, где 28 – фокусное расстояние, а 2 – светосила. Для зум-объектива маркировка выглядит так: 14-45/3,5-5,8. Два значения светосилы указываются для зумов, поскольку в широкоугольном и в телеположении у них разные минимальные значения диафрагмы. То есть на разных фокусных расстояниях светосила будет разной.

Фокусное расстояние, которое указывают на всех объективах – это расстояние от передней линзы до светоприемника (в данном случае, матрицы). От фокусного расстояния зависит угол обзора объектива и его, так сказать, дальнобойность, то есть как далеко он «видит». Широкоугольные объективы отдаляют изображение относительно нашего обычного видения, а телеобъективы – приближают, и у них маленький угол обзора.

Угол обзора объектива зависит не только от его фокусного расстояния, но и от диагонали светоприемника. Для 35 мм пленочных камер нормальным (то есть примерно соответствующим углу обзора человеческого глаза) считается объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Объективы с меньшим фокусным расстоянием – «широкоугольники», с большим – «телевики».

Левая часть нижней надписи на объективе – фокусное расстояние зума, правая часть - светосила

Здесь и кроется проблема, из-за которой рядом с фокусным расстоянием объектива цифровика часто указывают его эквивалент для 35 мм. Диагональ матрицы меньше диагонали 35 мм кадра, и поэтому приходится «переводить» цифры в более привычный эквивалент. Из-за этого же увеличения фокусного расстояния в зеркальных камерах с «пленочными» объективами становится почти невозможна широкоугольная съемка. Объектив с фокусным расстоянием 18 мм для пленочной камеры – суперширокоугольный, но для цифрового фотоаппарата его эквивалентное фокусное расстояние будет около 30 мм, а то и больше. Что касается телеобъективов, то увеличение их «дальнобойности» только на руку фотографам, ведь обычный объектив с фокусным расстоянием, скажем, 400 мм, стоит довольно дорого.

Видоискатель

В пленочных камерах компоновать кадр можно только пользуясь видоискателем. Цифровые же позволяют вовсе забыть о нем, поскольку в большинстве моделей для этого удобнее использовать дисплей. В некоторых очень компактных камерах видоискателя вовсе нет – просто из-за того, что нет для него места.

Самое важное в видоискателе – что через него можно увидеть. Например, зеркальные камеры так называются как раз из-за особенностей конструкции видоискателя. Изображение через объектив посредством системы зеркал передается в видоискатель, и таким образом фотограф видит реальную площадь кадра. Во время съемки, когда открывается затвор, загораживающее его зеркало поднимается и пропускает свет на чувствительный сенсор. Такие конструкции, конечно, отлично справляются со своими задачами, но занимают довольно много места и потому совершенно неприменимы в компактных камерах.

Вот так изображение через систему зеркал попадает в видоискатель зеркальной камеры

В компактных камерах применяют оптические видоискатели реального видения. Это, грубо говоря, сквозное отверстие в корпусе камеры. Такой видоискатель не занимает много места, но обзор его не соответствует тому, что «видит» объектив.

Еще есть псевдозеркальные камеры с электронными видоискателями. В таких видоискателях установлен маленьких дисплей, изображение на который передается непосредственно с матрицы – точно так же, как и на внешний дисплей.

Вспышка

Вспышка, импульсный источник света, используется, как известно, для подсветки там, где основного освещения недостаточно. Встроенные вспышки обычно не очень мощные, но их импульса хватает, чтобы осветить передний план. На полупрофессиональных и профессиональных камерах есть еще контакт для подключения гораздо более мощной внешней вспышки, он называется «горячий башмак».

Это, в общем, основные элементы и принципы работы цифровой камеры. Согласитесь, когда знаешь, как устройство работает, легче добиться качественного результата.