Как устроен цифровой фотоаппарат. Фотокамера

Для полного контроля над процессом получения цифрового изображения необходимо хотя бы в общих чертах представлять себе устройство и принцип работы цифрового фотоаппарата.

Единственное принципиальное отличие цифровой камеры от плёночной заключается в природе используемого в них светочувствительного материала. Если в плёночной камере это плёнка, то в цифровой – светочувствительная матрица. И как традиционный фотографический процесс неотделим от свойств плёнки, так и цифровой фотопроцесс во многом зависит от того, как матрица преобразует свет, сфокусированный на неё объективом, в цифровой код.

Принцип работы фотоматрицы

Светочувствительная матрица или фотосенсор представляет собой интегральную микросхему (проще говоря, кремниевую пластину), состоящую из мельчайших светочувствительных элементов – фотодиодов.

Существует два основных типа сенсоров: ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью, он же CCD – Charge-Coupled Device) и КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, он же CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Матрицы обоих типов преобразовывают энергию фотонов в электрический сигнал, который затем подлежит оцифровке, однако если в случае с ПЗС матрицей сигнал, сгенерированный фотодиодами, поступает в процессор камеры в аналоговой форме и лишь затем централизованно оцифровывается, то у КМОП матрицы каждый фотодиод снабжён индивидуальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и данные поступают в процессор уже в дискретном виде. В целом, различия между КМОП и ПЗС матрицами хоть и принципиальны для инженера, но абсолютно несущественны для фотографа. Для производителей же фотооборудования имеет значение ещё и тот факт, что КМОП матрицы, будучи сложнее и дороже ПЗС матриц в разработке, оказываются при этом выгоднее последних при массовом производстве. Так что будущее, скорее всего, за технологией КМОП в силу чисто экономических причин.

Фотодиоды, из которых состоит любая матрица, обладают способностью преобразовывать энергию светового потока в электрический заряд. Чем больше фотонов улавливает фотодиод, тем больше электронов получается на выходе. Очевидно, что чем больше совокупная площадь всех фотодиодов, тем больше света они могут воспринять и тем выше светочувствительность матрицы.

К сожалению, фотодиоды не могут быть расположены вплотную друг к другу, поскольку тогда на матрице не осталось бы места для сопутствующей фотодиодам электроники (что особенно актуально для КМОП матриц). Восприимчивая к свету поверхность сенсора составляет в среднем 25-50 % от его общей площади. Для уменьшения потерь света каждый фотодиод накрыт микролинзой, превосходящей его по площади и фактически соприкасающейся с микролинзами соседних фотодиодов. Микролинзы собирают падающий на них свет и направляют его внутрь фотодиодов, повышая таким образом светочувствительность сенсора.

По завершении экспонирования электрический заряд, сгенерированный каждым фотодиодом, считывается, усиливается и с помощью аналого-цифрового преобразователя превращается в двоичный код заданной разрядности, который затем поступает в процессор фотоаппарата для последующей обработки . Каждому фотодиоду матрицы соответствует (хоть и не всегда) один пиксель будущего изображения.

Спасибо за внимание!

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект , внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

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.

96732 Фотография с нуля 0

В этом уроке вы узнаете: Принцип действия фотоаппарата. Из каких основных элементов состоит фотокамера.

Принцип действия цифровой фотокамеры

Фотография прежде всего связана со светом. Рассмотрим рисунок.

Свет от солнца или искусственного источника (1) сначала отражается от сцены, находящейся перед объективом фотокамеры, а затем проходит через объектив (2) и, если он есть, затвор (7) (о затворе вы узнаете чуть позже в этом уроке) к задней стенке корпуса камеры - на матрицу (сенсор) (8). В зеркальной фотокамере (DSLR) до нажатия на кнопку спуска затвора свет, отраженный зеркалом (3), пройдя через призму (4) - попадает в видоискатель (5). При съемке зеркало поднимается, и свет попадает на матрицу, как в компактной камере. В некоторых зеркальных камерах Sony зеркало неподвижное, полупрозрачное (SLT камеры).

Этот процесс аналогичен прохождению света через хрусталик человеческого глаза к колбочкам и палочкам, расположенным на задней стенке глаза, а также к зрительным нервам. Когда же свет достигает задней стенки корпуса, он попадает на чувствительный элемент (датчик изображения), который преобразует свет в электрическое напряжение. Затем полученная таким образом информация обрабатывается процессором для исключения помех, расчета значений цвета, формирования файла данных изображения и записи этого файла на носитель информации (карту для хранения цифровых изображений). После этого фотокамера подготавливается к экспонированию следующего изображения.

Весь этот процесс, в течение которого огромное количество информации обрабатывается и записывается на носитель, происходит довольно быстро.

Ниже представлены рисунки, дающие представление об основных элементах, из которых состоит компактная (беззеркальная) и зеркальная фотокамера.

Компактная фотокамера

Зеркальная фотокамера

Рассмотрим подробнее эти основные элементы, из которых состоит цифровая фотокамера и которые позволяют свету, отраженному от объекта съемки, стать фотографией.

Объектив

Объектив фотокамеры представляет собой весьма сложную конструкцию. Как правило, он состоит из целого ряда стеклянных линз, преломляющих и фокусирующих свет, поступающий в объектив. Благодаря этому увеличивается изображение снимаемой сцены и осуществляется фокусировка на конкретной точке. Подробнее об объективах вы узнаете из последующих уроков.

Видоискатель и экран ЖКИ

Видоискатель позволяет видеть изображение в момент его съемки и некоторые из параметров съемки, и представляет собой небольшое окно, в которое наблюдается снимаемая сцена. С его помощью уточняется композиция непосредственно перед съемкой.

Экран ЖКИ обеспечивает предварительный просмотр снимков перед их получением, а также последующий просмотр и анализ только что сделанных снимков относительно правильности установленной экспозиции и композиции либо для показа их окружающим. Кроме того, на экране ЖКИ могут быть просмотрены любые сделанные ранее снимки.

В цифровых фотокамерах экран ЖКИ также может выполнять функцию видоискателя. Вместо того, чтобы подносить фотокамеру к глазу для составления композиции снимаемой сцены, подготовить ее к съемке можно в любом положении, наблюдая на экране ЖКИ изображение еще до того, как оно будет зафиксировано. Один из недостатков экранов ЖКИ заключается в высоком потреблении энергии от батареи питания фотокамеры. Кроме того, просматривать изображения на экране ЖКИ в солнечный день на улице практически невозможно.

Несмотря на все перечисленные выше преимущества экрана ЖКИ, в цифровой фотокамере иногда полезным оказывается и видоискатель. В частности, когда заряд батареи питания на исходе и поэтому нецелесообразно расходовать драгоценную энергию на питание экрана ЖКИ. Как бы там ни было, но видоискатель по-прежнему служит удобной альтернативой экрану ЖКИ при составлении композиции фотографии.
Что же касается зеркальных цифровых фотокамер, то видоискатель и экран ЖКИ показывают одно и то же изображение, поскольку в этом случае для проецирования изображения из объектива в видоискатель используются зеркала. В компактных цифровых фотокамерах видоискатель служит в качестве простого окна, в которое видно снимаемую сцену, а не изображение, проецируемое через объектив для предварительного просмотра. Но поскольку видоискатель находится не в том месте, где и объектив, наблюдаемая в него перспектива оказывается несколько иной.

Затвор

Затвор представляет собой сложный механизм, точно управляющий продолжительностью прохождения света через объектив к пленке или цифровому чувствительному элементу, расположенному на задней стенке корпуса фотокамеры.

В цифровой фотокамере затвор в традиционном смысле может и не понадобиться, что зависит от типа используемого датчика изображения. Так как датчик изображения цифровой фотокамеры является электронным прибором, а не светочувствительным химическим веществом, он может включаться или выключаться электронным путем. Следовательно, необходимость в наличии механического затвора, управляющего поступлением света в фотокамеру, отпадает. Тем не менее для некоторых типов фотокамер затвор все же требуется, хотя во многих моделях цифровых фотокамер механический затвор не применяется.

Независимо от наличия или отсутствия механического затвора в цифровой фотокамере по-прежнему необходим механизм для управления экспонированием изображения, а также кнопка спуска затвора. При нажатии кнопки спуска затвора активизируется целый ряд действий, приводящих в итоге к получению окончательного изображения. Прежде всего необходимо зарядить датчик изображения, чтобы подготовить его к восприятию света из объектива.

Кнопки для настройки фотокамеры

На корпусе камеры имеется множество кнопок, рычажков, дисков, назначение которых лучше всего описано в инструкции к вашей фотокамере. Большинство из них служат для подготовки фотокамеры к съемке, ее настройки и непосредственно съемки.

К ним относятся: установка режима автоматической фокусировки, выбор подходящего баланса белого для обеспечения правильной передачи цветов снимаемой сцены в зависимости от вида используемого освещения, выбор режима экспозиции и т.д. Подробнее об этих и других параметрах вы узнаете из последующих уроков.

Датчик изображения

Датчик изображения состоит из миллионов отдельных светочувствительных пикселей. В этих пикселях, по сути, выполняется преобразование света в электрическое напряжение.

Несмотря на то что цифровые фотокамеры позволяют делать многоцветные снимки, их датчики изображения не воспринимают цвет. Они способны реагировать только на относительную яркость сцены. Для ограничения спектра света, на который реагирует каждый пиксель датчика изображения, применяются специальные цветные светофильтры. Таким образом, в каждом пикселе может быть зарегистрирован только один из трех основных цветов (красный, зеленый или синий), которые необходимы для определения окончательного цвета пикселя. А для определения значений двух остальных основных цветов каждого пикселя применяется интерполяция цвета.

Подробнее о датчиках изображения вы узнаете из нашего следующего урока.

Встроенная вспышка

Встроенная вспышка есть в большинстве моделей цифровых фотокамер. Безусловно, это очень удобно, поскольку света в окружающих условиях зачастую не хватает. С другой стороны, вспышки, встроенные во многие фотокамеры, далеко не всегда оказываются практичными. Отчасти это связано с отсутствием контроля встроенной вспышки. Ведь в большинстве моделей цифровых фотокамер нельзя регулировать мощность встроенной вспышки, и поэтому при оценке уровня освещения приходится полностью полагаться на фотокамеру.

Невозможность регулировать мощность и положение встроенной вспышки превращается в серьезное препятствие при съемке объектов, расположенных близко к фотокамере. В этом случае вспышка слишком сильно освещает сцену, а изображение получается чрезмерно контрастным. Из-за того, что встроенная вспышка находится очень близко к объективу, на снимках зачастую возникает эффект «красных глаз».

Для установки на фотокамеру внешней вспышки и другого необходимого оборудования (видоискателя при его отсутствии в камере, микрофона и т.д.) служит разъем "горячий башмак".

Носители цифровой информации

В цифровой фотокамере каждое зафиксированное изображение записывается на карту-носитель цифровой информации. В какой-то степени эта карта заменяет пленку (и поэтому иногда называется цифровой пленкой), однако у нее есть свои особенности.

Носители цифровой информации бывают самых разных форм и размеров: от формата книги до величины пластинки жевательной резинки и даже меньше. А в некоторых даже имеется возможность использования нескольких типов носителей, что дает дополнительные удобства.

Питание цифрового фотоаппарата

В качестве источника питания в цифровых фотоаппаратах наиболее часто применяются перезаряжаемые элементы - аккумуляторы. По размерам корпуса элементы подразделяются на несколько типов. В цифровой съемочной технике применяются элементы формата ААА и АА (говоря проще "самые тонкие" и "тонкие батарейки") или имеется фирменный, не совместимый с камерами других производителей, конструктив. Размещаются элементы питания в специальном отсеке камеры, где иногда некоторые ищут кнопку "шедевр" :))).

В зеркальных и некоторых беззеркальных фотокамерах со сменной оптикой применяются батарейные блоки, где размещены несколько аккумуляторов, что значительно увеличивает время автономной работы фотоаппарата.

Итоги занятия:

Итак, мы рассмотрели основные элементы конструкции цифровой фотокамеры. Очень важным предметом, который часто забывают изучить, а иногда просто теряют, является руководство по фотокамере.

Анализируя поисковые запросы, которые приводят посетителей на наш сайт, констатирую, что вопросов "как включить" какую либо функцию камеры очень много. Для того чтобы максимально использовать возможности вашей фотокамеры, необходимо внимательно прочитать прилагаемое к ней руководство, что пользователи довольно часто ленятся делать, полагаясь на свои способности разбираться в новой аппаратуре по ходу дела. Как показывает практика - не разберетесь или станете разбираться в самый неподходящий момент.

Это и есть ваше первое практическое задание - внимательно изучить руководство (или инструкцию) по эксплуатации вашей фотокамеры.

На вопросы по теме первого урока, по изложенному материалу и по практическому заданию вы можете задать на сайта.

И в завершении - небольшой видеоролик "Как работает зеркальный цифровой фотоаппарат".

В следующем уроке №2: Типы фотокамер. Основные характеристики современных фотоаппаратов. Узнаем подробнее о сенсорах. Поговорим о мегапикселях. Расскажем, как выбрать фотокамеру.

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

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 жестковстроенный, состоит из группы 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 эти цвета – 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 только 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 время обработки 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 параметры нужно применить в данной ситуации. От процессора и программного обеспечения камеры зависят качество фотографий и скорость работы камеры.

У smart-microcam.ru принцип работы несколько иной, но не будем отходить от нашей статьи.

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 дву 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 него 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 в 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 достаточно, чтобы осветить передний план. На полупрофессиональных и профессиональных камерах есть еще контакт для подключения гораздо более мощной внешней вспышки. Контакт этот называется «горячий башмак».

Как работает фотоаппарат можно изучить еще в школе. Но знать конструктивные особенности интересно каждому владельцу фотокамеры. Основной принцип работы цифрового фотоаппарата можно выразить в нескольких словах: свет преображается в электричество. Все здесь служит для привлечения света, от кнопки пуск до линз.

Что же революционного с точки зрения света в цифровом фотоаппарате. Он преобразует свет в электрические заряды, которые становятся образом, запечатленным на экране. Как же это работает? Задача каждой детали фотоаппарата поймать отличное изображение. Но главное это свет.

Устройство и работа фотоаппарата

Первое что нужно для получения фото это источник света. Частицы света фотоны покидают источник света, отталкиваются от предмета и входят в камеру через несколько линз. Затем фотоны следуют по установленному пути. Целый ряд линз позволяет сделать максимально четкое изображение.

Створки контролируют количество света, которое должно проникнуть внутрь через отверстие фотоаппарата.
Пройдя сквозь диафрагму, линзы и войдя в отверстие, свет отталкивается от зеркала и направляется в .
До этого свет преломляется, проходя сквозь призму, поэтому то мы и видим изображение в видоискателе не вверх ногами и если нас устраивает композиция, то мы нажимаем на кнопку.
При этом зеркало подымается, и свет направляется внутрь, какую-то долю секунды свет направлен не на видоискатель, а в самое сердце фотоаппарата – .

Длительность этого действия зависит от скорости срабатывания створок. Они открываются на мгновение, когда свет должен воздействовать на сенсор света. Время может быть 1/4000 секунды. То есть в мгновение ока створки могут открыться и закрыться 1400 раз. Для этого существует две створки, когда первая открывается, то вторая закрывается. Таким образом, внутрь попадает чрезвычайно малое количество света. Это важный момент в понимании принципа работы цифрового фотоаппарата.

Теория обработки света

Так в чем же революционность цифровой камеры? Элемент, фиксирующий изображение, сенсор изображения (матрица) это решетка с плотной структурой, состоящей из крошечных сенсоров света. Ширина каждого всего 6 микрон – это 6 миллионных метра. 5 тысяч таких сенсоров могут поместиться на кончике остро заточенного карандаша.

Но сначала свет должен пройти через фильтр, который разделяет его на цвета: зеленый, красный и синий. Каждый сенсор света обрабатывает только один цвет. Когда в него ударяют фотоны, они поглощаются полупроводниковым материалом, из которого он сделан. На каждый поглощенный фотон сенсор света испускает электрическую частицу, она называется электрон. Энергия фотона передается электрону – это электрический заряд. И чем ярче изображение, тем сильнее электрический заряд. Таким образом, каждый электрический заряд обладает различной интенсивностью.

Затем печатная плата переводит эту информацию на язык компьютера, язык цифр и битов или последовательность единиц и нулей. Они представляют собой миллионы крошечных цветных точек, из которых и состоит фото – это пиксели. Чем больше пикселей в изображении, тем лучше разрешение. Другими словами это несколько миллионов микроскопических световых ловушек, которые вместе со всеми элементами фотоаппарата нацелены на одну задачу – преобразовать свет в электричество, что бы сделать прекрасные фотографии.

Дальше вся эта информация в цифровом виде подается в процессор, где она обрабатывается по определенным алгоритмам. Затем уже готовая фотография передается в память фотокамеры, где она и хранится и доступна для просмотра пользователю.

Так вкратце можно изобразить принцип работы цифрового зеркального фотоаппарата .