Устройство и принцип работы цифрового фотоаппарата

Цифровые фотоаппараты относятся к числу технически сложных товаров и представляют собой электронные оптикомеханические устройства для формирования оптического (светового) изображения объекта на поверхности светочувствительного материала, его преобразования в электронную цифровую форму и сохранения информации на электронном носителе.

Основными конструктивными элементами цифрового фотоаппарата являются светонепроницаемый корпус, объектив, диафрагма, механизм фокусировки и изменения фокусного расстояния, оптико-электронный преобразователь (ОЭП), электронный затвор, процессор, блок органов управления, экспонометр, запоминающее устройство, видоискатель и (или) жидкокристаллический дисплей, электронная импульсная осветительная лампа и аккумулятор.

В цифровых фотоаппаратах для регистрации изображения используется оптико-электронный преобразователь (ОЭП), представляющий собой полупроводниковую матрицу, состоящую из большого количества микроскопических светочувствительных элементов, которые называют пикселями. Пиксель является наименьшим элементом цифрового изображения. Миллион пикселей соответствует одному мегапикселю. В качестве ОЭП в цифровых фотоаппаратах применяются ПЗС-матрицы или КМОП-матрицы.

ОЭП характеризуется разрешающей способностью (в мегапикселах) и геометрическим размером. Разрешающая способность определяется произведением количества пикселей по горизонтали и вертикали. Например, обозначение 4272 ? 2849 пикселей соответствует разрешению в 12 мегапикселей. Размер светочувствительной матрицы (ОЭП) указывается диагональю (в дюймах), например 1/2,5?; 2/3?; 1/1,8?, или указывается ширина и высота матрицы (в мм), например 22,3 ? 14,9 мм или 36 ? 24 мм.

Пиксели реагируют на свет и создают электрический заряд, величина которого пропорциональна количеству попавшего света. Для формирования сигналов о цветном изображении, пиксели светочувствительной матрицы покрыты микросветофильтрами красного, зеленого и синего цветов и объединены в группы, что позволяет получить электронную копию цветного изображения. Электрические сигналы считанные с пикселей, преобразуются процессором в двоичные цифровые данные, формируются в файл (формата RAW,TIFF, JPEG и др.) и передаются в запоминающее устройство фотоаппарата или на карту памяти.

Корпус является несущей частью фотоаппарата. На передней панели корпуса находится объектив. Объектив представляет собой систему оптических линз, заключенных в общую оправу и предназначенную для формирования уменьшенного светового изображения объекта съемки и проецирования его на поверхность светочувствительной матрицы. В оправу объектива введены диафрагма, механизмы фокусировки и изменения фокусного расстояния.

Объектив может крепиться к корпусу жестко или быть съемным.

Разные по характеристикам объективы (телеобъективы, широкоугольные объективы, макрообъективы) значительно расширяют возможности фотокамеры. На фотоаппарат, имеющий возможность использования сменной оптики, можно устанавливать только те объективы, которые специально предназначены для данной модели. Это связано с разными типами байонетного крепления, а также разными электронными контактами объективов. Как правило, каждый крупный производитель фотоаппаратов разрабатывает свой стандарт сменных объективов, который не совместим со стандартами других производителей. Диафрагма предназначена для изменения величины светового отверстия объектива. С помощью диафрагмы регулируют величину светового потока, попадающего на ОЭП и глубину резко изображаемого пространства. Отверстие диафрагмы образуется несколькими серповидными лепестками, расположенными симметрично вокруг оптической оси объектива, которые складываясь вместе, открывают или закрывают отверстие для света (рис. 3.2).

Количество света, попадающего на светочувствительную матрицу, определяет диафрагменное число, которое численно равно отношению фокусного расстояния к диаметру диафрагмы. Чем меньше диафрагменное число, тем больше света способен пропустить объектив, и тем более качественную фотографию можно будет получить при слабой освещенности. Минимальное значение диафрагменного числа определяет конструкция объектива. По этому числу можно судить о светосиле объектива, т. е. о его способности пропускать свет.

Ряд диафрагменных чисел нормирован следующими значениями: 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22. Переход от одного значения диафрагменного числа к соседнему изменяет количество проходящего через объектив света вдвое – пропорционально изменению площади светового отверстия.

Управление диафрагмой в цифровых фотоаппаратах осуществляется экспонометрическим устройством автоматически в соответствии с заранее выбранным фотографом числовым значением диафрагмы или режимом съемки. Цифровые фотоаппараты высокого класса позволяют промежуточные и максимальное значения диафрагменного числа выставить путем ручной регулировки диафрагмы.

Фокусировочное устройство объектива предназначено для совмещения создаваемого объективом оптического изображения с плоскостью светочувствительной матрицы при различных расстояниях до объекта съемки.

Фокусировка объектива (наводка на резкость) в большинстве цифровых фотоаппаратов осуществляется автоматически путем перемещения объектива или какой-либо его части вдоль его оптической оси на определенную процессором фотоаппарата величину. Фокусировка объектива возможна в пределах от фотографической бесконечности до некоторого минимального расстояния, называемого ближним пределом фокусировки. Ближний предел фокусировки зависит от величины максимального выдвижения объектива.

Механизм изменения фокусного расстояния объектива (Zoom) позволяет изменять угол поля зрения объектива и масштаб изображения на светочувствительной матрице. Механизмом изменения фокусного расстояния оснащаются объективы фотоаппаратов среднего и высокого классов.

Электронный затвор представляет собой электронный выключатель, который при нажатии на соответствующую кнопку обесточивает ОЭП на заданный промежуток времени (выдержку) с одновременным считыванием с пикселей зафиксированных электрических сигналов.

Ряд выдержек, автоматически отрабатываемых электронным затвором, нормирован числовыми значениями (в секундах): 1/8000; 1/4000; 1/2000; 1/1000; 1/500; 1/250; 1/125; 1/60; 1/30; 1/15; 1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3; 4.

Видоискатель служит для визуальной компоновки кадра. В качестве видоискателя в цифровых фотоаппаратах, как правило, используется жидкокристаллический дисплей. Он также служит для индикации режимов съемки, контроля за работой систем фотоаппарата, просмотра отснятых изображений.

Цифровые фотоаппараты могут дополнительно оснащаться телескопическим, электронно-оптическим или зеркальным (перископическим) видоискателем.

Компактные цифровые фотоаппараты могут дополнительно оснащаться телескопическим видоискателем, который располагается в корпусе фотоаппарата рядом с объективом. Идентификационным признаком цифровых фотоаппаратов с телескопическим видоискателем является наличие на передней панели корпуса фотоаппарата окна видоискателя.

Для правильного определения границ кадра необходимо, чтобы угловое поле зрения телескопического видоискателя соответствовало угловому полю зрения съемочного объектива, а оптическая ось видоискателя совпадала с оптической осью съемочного объектива. При несовпадении оптической оси телескопического видоискателя с оптической осью съемочного объектива границы изображения, наблюдаемого в видоискателе, не совпадают с границами кадра на светочувствительной матрице (явление параллакса). При фотографировании удаленных объектов параллакс незаметен, но возрастает по мере уменьшения дистанции съемки.

Электронно-оптический видоискатель (electronic viewfinder, EVF) представляет собой миниатюрный LCD-экран, установленный внутри камеры, изображение на котором формируется сигналами, поступающими с ОЭП и рассматривается через окуляр оптического видоискателя.

Для электронно-оптического видоискателя характерно отсутствие параллакса, хорошая яркость изображения независимо от внешних условий освещенности и незначительное потребление электроэнергии по сравнению с жидкокристаллическим дисплеем. Он позволяет визуально оценить точность фокусировки, баланс белого, правильность экспозиции. На экран электронно-оптического видоискателя можно вывести все основные параметры съемки.

В зеркальных видоискателях съемочный объектив является одновременно и объективом видоискателя (рис. 3.3). Такая схема видоискателя обеспечивает беспараллаксную компоновку кадра. Он позволяет визуально оценить точность фокусировки и глубину резко изображаемого пространства.

Фотоаппараты, имеющие зеркальный видоискатель, получили название зеркальных (DSLR – Digital Single Lens Reflex). Идентификационным признаком однообъективного зеркального фотоаппарата (видоискателя) является отсутствие на передней панели корпуса фотоаппарата окна видоискателя и призматическая форма верхней панели корпуса.

Экспонометр служит для автоматического определения и отработки экспозиционных параметров – числового значения выдержки и диафрагмы в зависимости от установленной светочувствительности ОЭП и освещенности (яркости) объекта съемки.

Электронная импульсная осветительная лампа предназначена для кратковременного освещения объекта съемки при фотографировании в условиях недостаточной естественной освещенности, съемке объекта против света, а также подсветки теневых участков объекта при ярком солнце.