Как работает фотоаппарат?

Матрица зеркальной цифровой фотокамеры

Одной из важных деталей, обеспечивающих работу зеркального фотоаппарата, является матрица. Матрица – это часть фотоаппарата, благодаря которой световой поток превращается в биты, дальше из них формируется само изображение.

KONICA MINOLTA DIGITAL CAMERA

Матрица состоит из мельчайших фотодиодов. Один диод – один пиксель будущей фотографии.

Матрица является неким аналогом плёнки, она так же формирует изображение. Конечно, иным и более качественным путем.

Нужно знать, что такое экспонирование матрицы, этот термин часто используют фотографы. Это процесс выявления снимка с момента, когда Вы нажали на кнопку до закрытия затвора. Часто слово матрица опускается – экспонирование.

Матрица имеет характеристики, которые определяют её возможности:

  • Физический размер – одна из важнейших характеристик. Чем больше расстояние между пикселями и их количество, тем лучше качество получаемого изображения. Также от размера матрицы зависят следующие характеристики: шумы, динамика изображения, цвета снимка, размер фотоаппарата.
  • Разрешение – название размеров матрицы. Может измеряться в дюймах, миллиметрах.
  • Соотношение шум. Чем больше размер матрицы, тем лучше получается изображение, на нем будет меньше шумов. Как правило, они заметны при увеличении.
  • Чувствительность ISO. Данный параметр регулирует яркость снимка. Насколько качественно повысится или понизится яркость также определяется матрицей.
  • Динамический диапазон – наибольшая яркость фотографии. Она определяет качество самых тёмных и самых светлых участков.

Матрицу следует выбирать по данным критериям. Матрица является залогом отличной картинки.

Диафрагма и ее функции

Диафрагма – особая деталь в устройстве объектива в виде кольца из лепестков, которые регулируют пропуск света на матрицу. Чем меньше значение, тем шире диафрагма, также наоборот.

Диафрагма влияет на экспозицию. Чем больше открыта диафрагма, тем светлее будет полученное фото. Работа фотоаппарата со светом одинаково важна при съемке различных сюжетов. Также благодаря ей можно добиться таких эффектов, как размытие заднего фона, при этом отверстие должно быть максимально открытым.

Диафрагма влияет на глубину резкости. Настраивая диафрагму, можно корректировать резкость изображений, а соответственно – в какой-то степени и качество снимка. Чем уже кольцо диафрагмы, тем больше резкость. При широкой диафрагме предмет окажется в фокусе, а задний фон будет размыт.

Важно уметь настраивать диафрагму для съемки различных объектов – так Вы получите лучший результат. f/4 – портретная съемка; f/5.6 – полный рост; f/8 – людей; f/16 и f/22 – пейзажная съемка

Это приблизительные размеры диафрагмы, которые, конечно, лучше корректировать для себя, искать свой вид

f/4 – портретная съемка; f/5.6 – полный рост; f/8 – людей; f/16 и f/22 – пейзажная съемка. Это приблизительные размеры диафрагмы, которые, конечно, лучше корректировать для себя, искать свой вид.

Работа зеркал

Благодаря работе зеркал происходит первичная обработка потока света и его вывод на экран. Разберем, чем отличается устройство зеркального типа фотоаппарата от беззеркальных устройств.

Световой поток проходит через линзы, попадает на зеркало, которое в исходящем положении заслоняет матрицу и затвор. Потом свет проходит через матовое стекло, попадает в пентапризму. Там картинка поворачивается на 90 градусов. Это происходит для того, чтобы в итоге не получить перевернутого изображения.После нажатия кнопки спуска зеркало и затвор поднимаются, а свет попадает на матрицу. На последнем этапе информация считывается, проходит обработку и выводится на экран.

Функции и разновидности затворов

После нажатия спуска также срабатывает затвор, который установлен между зеркалом и матрицей. Назначением его является регулирование доступа на матрицу света. Время, в течение которого затвор открыт, называется выдержкой. За этот временной отрезок происходит процесс экспонирования.

Затворы на зеркалках бывают двух типов:

  • механическим (наиболее распространены);
  • электронными (цифровыми).

Конструктивно механические затворы представляет собой вертикально или горизонтально расположенные 1 либо 2 непрозрачные для светового потока шторки. Основными характеристиками таких затворов являются скорость и лаг. Под последним понимают быстроту открытия шторок после того, как нажат спуск.

Открытие и закрытие шторок происходит очень быстро (за доли секунды) за счет электромагнитов или пружинок. Скорость затвора – это промежуток времени, который требуется, чтобы получить снимок после нажатия спуска. Механические затворы имеют предел срабатывания. Выдержки примерно с 1/8000 секунды получают, используя уже цифровые затворы.

Электронный затвор – это не какое-либо отдельное устройство, а принцип регулирования экспозиции (количества поступающего света) матрицей. Выдержка в данном случае представляет собой временной промежуток между ее обнулением и моментом считывания информации с нее. Использование электронных затворов характеризуется возможностью достижения более коротких выдержек без применения механических дорогостоящих аналогов.

Количество поступающего внутрь камеры света, регулируемое диафрагмой, и выдержка, устанавливаемая затвором, лежат в основе процесса фотографирования. Благодаря сочетанию этих показателей в различных вариантах фотографами достигаются разные эффекты.

Объектив фотокамеры

Объектив представляет собой оптическую систему, которая состоит из расположенных внутри оправы линз. Они бывают стеклянными или пластиковыми (в дешевых моделях техники). Световой поток, проходящий сквозь линзы, преломляется и формирует изображение на матрице. Хорошие объективы позволяют получать резкие, четкие фотоснимки без искажений.

Новые модели объективов могут быть оснащены электронными схемами, управляющими, например, оптическим стабилизатором, диафрагмой. Но на старых фотокамерах электроника может не функционировать.

Главными характеристиками объективов являются:

  1. Светосила – параметр, показывающий соотношение между яркостью объекта, который отображается, и освещенностью изображения, получаемого в фокальной плоскости (на матрице) с помощью оптической системы.
  2. Фокусное расстояние – это расстояние в миллиметрах от оптического центра объектива до метки фокальной плоскости (фокуса), в которой расположена матрица. От него зависит угол обзора (поле зрения) оптики и размеры получаемого изображения.
  3. Зум – способность оптической системы приближать удаленные объекты (увеличивать их изображение). Он определяется отношением фокусных расстояний (максимального к минимальному).
  4. Разновидность байонета.

На маркировке объективов обычно первое число (или пара чисел) указывает фокусное расстояние, а второе (либо пара)  – светосилу. Классификация объективов по фокусному расстоянию и углу обзора показана на нижеследующей фотографии. Более универсальным считается стандартный тип оптики.

Формирование сигнала

Сенсоры имеют дополнительные фрагменты, которых нет в датчиках цифровых камер. Для создания видеосигнала они должны ежесекундно делать множество снимков, которые затем объединяются, создавая впечатление перемещения.

Для этого видеокамера захватывает кадр и чересстрочно записывает его. За датчиком изображения находится другой сенсорный слой. Для каждого поля видеозаряды переходят на него, а затем последовательно передаются. В аналоговой видеокамере этот сигнал поступает на видеомагнитофон, который его записывает (вместе с информацией о цвете) на видеопленке в виде магнитных импульсов. Пока второй слой передает данные, первый захватывает очередное изображение.

Принцип работы видеокамеры цифрового типа в основном такой же, за исключением того, что на последнем этапе аналого-цифровой преобразователь превращает сигнал в байты данных.

Камера записывает их на носитель, который может быть магнитной лентой, жестким диском, DVD или флеш-памятью.

Цифровые модели с чересстрочной разверткой сохраняют каждый кадр в виде двух полей так же, как и аналоговые.

Камеры с прогрессивной разверткой записывают видео покадрово.

Пентапризма и видоискатель

Пентаризма – пятиугольный механизм в устройстве фотоаппарата, который поворачивает изображение на 90 градусов, увеличивает путь лучей света благодаря дальнейшему прохождению через зеркала.

Уже на матовом стекле изображение прямое. В профессиональных устройствах пентапризма съемная. Иногда в неё встраивают различные индикаторы, открывающие больше возможностей.

Чаще всего она изготавливается из стекла. В более дешевых моделях – из пластика. Возможна альтернатива, при которой изображение поворачивают зеркало и несколько линз.

Это используется при совсем небольшой матрице.

Видоискатель – часть фотоаппарата, позволяющая видеть, какое изображение получится.

Он не влияет на качество, бывает трёх видов:

  • Зеркальный (система зеркал);
  • Электронный (жидкокристаллический экран);
  • Оптический (набор линз).

Полностью автоматические компактные фотокамеры

Такой тип цифрового фотоаппарата самостоятельно подбирает все настройки. Именно поэтому он очень прост в обращении: все что требуется от фотографа, просто навести на нужный кадр и нажать клавишу спуска затвора. При необходимости автоматически сработает вспышка, увеличится экспозиция или изменится баланс белого. Такой тип имеет быстрые настройки, связанные с типом проходящей съемки. Вы можете выбрать необходимый режим, к примеру, «портрет», «пейзаж», «макро». Зайдя в меню, можно собственноручно выставить значения ISO, баланса белого, включать или выключать вспышку, а на некоторых моделях и управлять ее силой.

Цифровые фотоаппараты такого типа обычно обладают не слишком хорошим качеством снимков. Получить резкую и детализированную фотографию можно только при хорошем освещении. Также обычно такие камеры обладают небольшим цифровым зумом, а оптика не очень качественная. Эти критерии имеют большое значение даже для начинающих фотографов, но использование компактных цифровых фотоаппаратов отлично пригодится для запечатления памятных моментов только для себя, семьи и социальных сетей. Стоимость таких фотокамер стартует примерно от 2 тысяч рублей.

Плюсы таких моделей:

  • Небольшие размеры, «компакт» с легкостью уместится в карман;
  • Автоматическая настройка, не нужно иметь никакого опыта в съемке для использования такой техники;
  • Немалая часть моделей работает от обычных пальчиковых батареек, которые можно приобрести практически в любой части земного шара;
  • Небольшая стоимость.

Минусы:

  • Маловероятно получение действительно качественных снимков;
  • Некачественная оптика;
  • Отсутствие ручного регулирования параметров также является и минусом, поскольку каждый, хоть немного ознакомленный с процессом съемки, стремиться улучшить результат;
  • Небольшой объем батареи;
  • Отсутствие видоискателя.

Диафрагма

Диафрагма это многолепестковая перегородка находящаяся внутри объектива. Она может быть полностью открыта или закрыта настолько, что остается всего лишь маленькое отверстие для света.

Диафрагма так же служит для ограничения количества света попадающего в итоге на матрицу объектива. То есть выдержка и диафрагма выполняют одну задачу — регулирование потока света попадающего на матрицу. Зачем же использовать именно два элемента?

Строго говоря, диафрагма не является обязательным элементом. Например в дешевых мыльницах и камерах мобильных устройств она отсутствует как класс. Но диафрагма крайне важна для достижения определенных эффектов связанных с глубиной резкости, о которой речь пойдет далее.

Диафрагма обозначается буквой f за которой через дробь стоит число диафрагмы, например, f/2.8. Чем меньше число, тем больше раскрыты лепестки и шире отверстие.

Диафрагма в объективе

Динамический диапазон

Понятие динамического диапазона так же очень важно, хотя вслух звучит не очень часто. Динамический диапазон — это способность матрицы, передать без потерь одновременно яркие и темные участки изображения

Вы наверняка замечали, что если попытаться снять окно находясь в центре комнаты, то на снимке получится два варианта:

  • Хорошо получится стена, на которой расположено окно, а само окно будет просто белым пятном
  • Хорошо будет виден вид из окна, но стена вокруг окна превратится в черное пятно

Это происходит из за очень большого динамического диапазона подобной сцены. Разница в яркости внутри комнаты и за окном, слишком большая, чтобы цифровой фотоаппарат смог ее воспринять целиком.

Другой пример большого динамического диапазона — пейзаж. Если небо яркое, а низ достаточно темный, то или небо на снимке будет белым или низ черным.

Типичный пример сцены с большим динамическим диапазоном

Мы видим все нормально, потому что динамический диапазон воспринимаемый человеческим глазом намного шире чем тот, что воспринимают матрицы фотоаппаратов.

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.

Основа любой фотографии – свет. Он проникает в камеру через объектив, линзы которого формируют изображение предмета на светочувствительной матрице. При нажатии на кнопку спуска затвор камеры открывается (как правило, на доли секунды) и происходит экспонирование кадра, т.е. освещение матрицы потоком света заданной интенсивности. В зависимости от желания получить светлый или тёмный снимок, может потребоваться различное количество света, т.е. различная экспозиция.

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.

Разрядность определяет количество оттенков, т.е. градаций яркости для каждого пикселя. Чем выше разрядность, тем более плавные тональные переходы способна запечатлеть камера. Большинство цифровых зеркальных камер способно сохранять 12 или 14 бит информации для каждого пикселя. 12 бит означает 212=4096 оттенков, а 14 бит – 214=16384 оттенка.

Диафрагма и ее функции

Диафрагма – особая деталь в устройстве объектива в виде кольца из лепестков, которые регулируют пропуск света на матрицу. Чем меньше значение, тем шире диафрагма, также наоборот.

Диафрагма влияет на экспозицию. Чем больше открыта диафрагма, тем светлее будет полученное фото. Работа фотоаппарата со светом одинаково важна при съемке различных сюжетов. Также благодаря ей можно добиться таких эффектов, как размытие заднего фона, при этом отверстие должно быть максимально открытым.

Диафрагма влияет на глубину резкости. Настраивая диафрагму, можно корректировать резкость изображений, а соответственно – в какой-то степени и качество снимка. Чем уже кольцо диафрагмы, тем больше резкость. При широкой диафрагме предмет окажется в фокусе, а задний фон будет размыт.

Важно уметь настраивать диафрагму для съемки различных объектов – так Вы получите лучший результат. f/4 – портретная съемка; f/5.6 – полный рост; f/8 – людей; f/16 и f/22 – пейзажная съемка

Это приблизительные размеры диафрагмы, которые, конечно, лучше корректировать для себя, искать свой вид

f/4 – портретная съемка; f/5.6 – полный рост; f/8 – людей; f/16 и f/22 – пейзажная съемка. Это приблизительные размеры диафрагмы, которые, конечно, лучше корректировать для себя, искать свой вид.

Создание экспозиции

Что такое «экспозиция»? Это слово может быть одним из наиболее непонятных, с которыми вы сталкиваетесь. Оно используется во многих различных контекстах и имеет немного разный смысл в каждом. В широком смысле, экспозиция – это картинка, которую вы снимаете (или уже сняли).

Когда вы нажимаете на кнопку спуска на камере – вы буквально «экспонируете» её светом. Вся фотография – это запись света. Без света не будет картинки. Ещё раз, говоря простым языком, мы не видим вещи – мы видим отражение света от них.

Подумайте об этом. Возьмем что-нибудь простое – например камень. Выйдите с камнем в руке на улицу и посмотрите на него на ярком свету. Вы увидите камень. Занесите его в комнату с искусственным светом и вы всё ещё будете видеть камень. Зайдите с ним в темную комнату, в которой совсем нет никакого света. Вы можете чувствовать камень у себя в руке и вы знаете, что он ещё там, но вы не сможете видеть его потому что нет света. Ещё раз, то что вы видели было не камнем, а отражением света от камня.

Когда мы делаем снимок, в действительности мы записываем свет, который отражается отовсюду, куда мы направляем камеру. Это и есть экспозиция.

Работа цифрового фотоаппарата

До нажатия клавиши затвора в зеркальных фотоаппаратах между объективом и матрицей расположено зеркало, отражаясь от которого, свет попадает в видоискатель. В незеркальных фотоаппаратах и зеркальных фотоаппаратах в режиме Live View свет из объектива падает на матрицу, при этом на ЖК экран выводится изображение, сформированное на матрице. В некоторых фотоаппаратах при этом может происходить автоматическая фокусировка.

При неполном нажатии клавиши затвора (если такой режим предусмотрен) происходит выбор всех автоматически выбираемых параметров съёмки (фокусировка, определение экспопары, чувствительности фотоматериала (ISO) и т. д.).

При полном нажатии происходит съёмка кадра, и считывание информации с матрицы во встроенную память фотоаппарата (буфер). Далее производится обработка полученных данных процессором с учётом установленных параметров коррекции экспозиции, ISO, баланса белого и др., после чего данные сжимаются в формат JPEG и сохраняются на флэш-карту. При съёмке в формат Raw данные сохраняются на флэш-карту без обработки процессором (возможна коррекция битых пикселей и сжатие алгоритмом без потерь). Так как запись на флэш-карту изображения занимает достаточно большое количество времени, многие фотоаппараты позволяют снимать следующий кадр до окончания записи предыдущего на флэш-карту, если в буфере есть свободное место.

Диафрагма и ее функции

Диафрагма – это механизм, предназначенный для регулирования светового потока, попадающего на матрицу цифрового фотоаппарата. Она находится между линзами внутри объектива.

Конструктивно деталь состоит из набора накладывающихся один на одного лепестков (обычное их количество составляет от 2 до 20 штук), которые бывают разной формы.  Величина их взаимного сдвига относительно базового положения определяет размер образующегося круглого (при полном открытии) или многоугольного (при частичном) отверстия. Благодаря тому, что механизм открывается и закрывается, изменяется количество поступающего света. Дорогая и качественная оптика оснащается многолепестковыми диафрагмами.

Кроме рассмотренных показателей, размер отверстия диафрагмы оказывает влияние на такие параметры получаемого изображения:

  • аберрацию (погрешность либо ошибку в передаче картинки), значение которой наименьшее, когда максимально закрыта диафрагма;
  • дифракцию (огибание световыми волнами препятствий), выражающуюся в снижении способности оптики воспроизводить изображение объектов, которые расположены вблизи (показатель называется разрешением объектива), при уменьшении размера пропускающего свет отверстия;
  • виньетирование (уменьшение освещенности, происходящее от центра снимка к его краям), наиболее ярко проявляющееся при максимально открытой диафрагме.

Диафрагму принято обозначать буквой «f». Число, расположенное с ней рядом, указывает диаметр отверстия. При этом, чем число меньше, тем больше размер отверстия, обозначаемый им. Диаметр 2,8 на данное время является максимальным на большинстве объективов. Дифракция с аберрацией уравновешены в диафрагмах от f/8 до f/11. При этом объектив имеет максимальное разрешение.

У зеркальных фотокамер современного производства объективы оснащены ирисовыми диафрагмами прыгающего типа. Они закрываются до установленного значения лишь в непосредственный момент съемки. Чтобы иметь возможность оценивать глубину резкости изображения при определенном диаметре отверстия, многие зеркалки оснащают репетиром. Он представляет собой механизм принудительного закрытия диафрагмы до рабочего значения.

Устройство и принцип работы видеокамеры

Цифровая видеокамера – это сложное устройство, которое состоит из нескольких важных элементов. К ним относятся:

  • объектив;
  • микрофон;
  • процессор;
  • светочувствительный сенсор;
  • видоискатель или дисплей для его замены;
  • аккумулятор;
  • запоминающее устройство.

Принцип работы видеокамеры

В целом устройство видеокамеры не сильно отличается от строения цифрового фотоаппарата, и принцип работы здесь в некоторой степени аналогичный. Изображение, которое пользователь видит на экране или в видоискателе, проходит через объектив и диафрагму в виде света и улавливается специальным светочувствительным сенсором. Сигнал передается от матрицы (сенсора) в процессор, который преобразует его в изображение и выводит на экран, а также сразу записывает на носитель.

Все камеры можно разделить на несколько видов:

  • любительские;
  • полупрофессиональные;
  • профессиональные.

В зависимости от  типа видеокамеры, ее конструкция может незначительно меняться.

Любительские модели

Любительские – недорогие камеры с небольшими размерами. Они имеют небольшое количество настроек, слабый микрофон, а в качестве носителя информации чаще всего выступает SD карта. Такие камеры обычно не имеют оптической стабилизации и обладают плохой способностью снимать в темноте. Долгое время основным размером изображения, которое могли снимать такие устройства, являлся формат 720*576 точек на дюйм. В настоящее время даже любительские видеокамеры работают в FullHD или HD формате.

Полупрофессиональные камеры

Подобные модели имеют более внушительный вес и размеры. Здесь стоит минимум три матрицы с большим размером 1/4″, что дает лучшую цветопередачу и детализацию. В полупрофессиональных моделях стоят более мощные микрофоны, и есть оптическая стабилизация. Кроме того, меню настроек значительно шире. Запись видео также осуществляется на карту памяти.

Профессиональная техника

Профессиональные – серьезные модели с большим количеством настроек. Такие камеры весят от 4 до 15 кг, и их невозможно держать одной рукой. В устройстве подобной камеры три матрицы размером не менее 1/2”. Оптика всегда сменная, микрофон выносной и часто направленный. Запись осуществляется на жесткий диск, реже на карту памяти. Есть оптическая стабилизация. В подобных устройствах нет дисплеев, но всегда присутствует видоискатель.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий