Реферат: Цифровые фотоаппараты, как средство съема визуально - оптической информации

--PAGE_BREAK--          1.6Любительские камеры

Поскольку фотолюбителей, готовых купить камеру за 2000 дол­ларов и выше (это без учета стоимости оптики), не так уж и много, вскоре после профессиональных моделей появились  и любительские, которым и будет уделено основное внимание на страницах данной книги. В англоязычной литературе часто встречаются определения consumer
 
camera
(буквальный пере­вод — потребительские камеры), а такжеprosumer
 
camers

— этот термин появился сравнительно недавно и образован за счет сли­яния слов ргоfеввiопа1 и сопвитег. Им обозначаются недавно по­явившиеся модели с высоким разрешением, большим количе­ством ручных настроек и сервисных функций, с возможностью установки оптических насадок и подключения внешней вспыш­ки — в общем, со всем тем, что до недавнего времени встречалось только в профессиональных моделях.~Любительская цифровая камера в отличие от профессиональной разрабатывается, что на­зывается, «с нуля», без использования корпуса и оптики пленоч­ных камер. Есть, правда, модели, внешним видом напоминающие широко известные 35-мм любительские камеры.


                        <img width=«369» height=«107» src=«ref-1_699661222-1545.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">

 

Рис. 1.4
. Слева — пленочная камера   СаnоnIXUS 11, справа – цифровая       камера  Canon  Digital  IXUS

                       <img width=«349» height=«121» src=«ref-1_699662767-2000.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">

  Рис. 1.5.  Слева – пленочная  камера  Olympus  ZOOM  115,  справа –  цифровая  камера    Olympus  C— 990 ZOOM 

Как и следует ожидать, на внешнем виде сходство заканчивается даже такая, на первый взгляд, легко поддающаяся   копированию  часть пленочной камеры, как объектив, не годится для цифро­вой модели. Дело в том, что используемые в любительских циф­ровых фотоаппаратах ПЗС-матрицы значительно меньше тех, что применяются в профессиональных. Их размер не превышает 2/3 дюйма по диагонали, а наиболее часто встречаются матрицы с диагональю 1/2 дюйма. При этом оптика, перенесенная один в один с 35-мм камеры, дает изображение, значительно превосхо­дящее по размерам ПЗС-матрицу. Кроме того, ЭОП обладают

меньшей по сравнению с пленкой светочувствительностью, а с другой стороны, продолжительное воздействие яркого света гу­бительно для них, что накладывает дополнительные ограниче­ния на конструкцию затвора и светосильные характеристики оптики.? Как ни прискорбно, до сих пор встречаются конструк­ции камер, оптика которых вызывает нехорошие воспоминания о дешевых китайских «мыльницах» с пластмассовыми линзами. Естественно, что никакие «мегапикселы» не помогут сформиро­вать качественное изображение при эксплуатации таких моде­лей. В то же время появившиеся в 1998 году камеры с ЭОП на полтора миллиона элементов и хорошей светосильной оптикой до сих пор с успехом используются в достаточно сложных для съемки условиях, например при съемке в помещениях с плохой освещенностью.

                
         2 Оптическая  система
Как уже было сказано, одной из основных составляющих фото­аппарата является его объектив. Поэтому необходимо упомянуть основные термины, касающиеся оптической подсистемы фото­аппарата.

 2.1Объективы с постоянным
и  переменным      фокусным      
расстоянием

Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол зрения — предметов попадает в кадр меньше, но их размер в кадре больше. И наоборот, при уменьшении фокусного расстояния объекты съемки становятся меньше, но в кадр их попадает больше. Разумеется, что это также сказывается и на перспективе кадра — степени удаленности объектов друг от друга. Углу зрения обыч­ного человека в 35-мм камерах соответствует фокусное расстоя­ние50 мм (46°).

Часто фокусное расстояние для цифровой фотокамеры указы­вается двумя цифрами, например, 6-15 мм (28-72 мм). Это выз­вано тем, что размер ЭОП меньше кадра обычной пленки, поэтому линейные размеры оптики тоже меньше. Для удобства восприя­тия вводится вторая величина, которая обозначает фокусное рас­стояние в эквиваленте 35-мм камеры.

Для обозначения объективов с переменным фокусным расстоя­нием в англоязычной литературе применяется термин zoom
, часто он калькируется в русских переводах словом «зум». Это непра­вильно, для объективов такого типа давно существует название вариообьектив. Под кратностъяю объектива подразумевают от­ношение  максимального  фокусного  расстояния  к  минимальному,   например,

105/35 = 3 – кратность объектива равна 3. Объективы, фокусное расстояние которых не изменяется, в анг­лоязычной литературе называются fixed
 
focus
. В отечественной литературе такой тип оптики обозначается как объектив с по­стоянным фокусным расстоянием. Постоянное фокусное рассто­яние несколько ограничивает возможности фотографа, в то же время конструкция таких устройств предельно проста. Поэтому такие объективы чаще всего встречаются в недорогих компакт­ных камерах.
2.2Сменная оптика
. Зеркальные
и незеркальные   камеры
До определенного момента вариообъективы с кратностью боль­ше двух были сложными в производстве и капризными в эксп­луатации. Поэтому для портретной, пейзажнoй и спортивной съемки использовались разные объективы, каждый с наиболее подходящим фокусным расстоянием. Фотограф закреплял их на камере, используя резьбовое либо байонетное соединение (о ко­тором будет рассказано далее). Однако с появлением надежных и недорогих вариообъективов высокой кратности (от 3 и выше), а также повсеместным внедрением электроники, обеспечиваю­щей правильный расчет параметров съемки, широкое распространение ранение получили компактные камеры под 35-мм пленку, обо­рудованные несменными объективами с переменным фокусным расстоянием. Тем не менее сменная оптика сохранилась в так называемых зеркальных камерах.

Зеркальной (SLR — single 1еnsreflех) называется камера, в которойизображение, попадающее в объектив, с помощью специальной оптической системы проецируется на поверхность экрана фоку­сировки. Это изображение пользователь наблюдает в видоиска­теле и визуально контролирует кадрирование и фокусировку. Для точного определения дистанции съемки применяются раз­нообразные оптические устройства. Одним из них является мик­
рорастр,система микроскопических пирамидок, нанесенных на поверхность экрана фокусировки.

Чтобы изображение попало на видоискатель, используется либо зеркальце, убирающееся в момент съемки, либо полупрозрачная призма.

         видеоискатель     

                            <img width=«342» height=«204» src=«ref-1_699664767-1806.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">                                    


                                                              Зеркальце  в  нижнем  положении

    Рис 2.1. Зеркальная  камера  с  убирающимся  зеркалом

               Отдельного упоминания заслуживают модели, использую­щие принцип видеокамер — вместо оптического видоискателя в них установлен миниатюрный, не более 1,5 см, цветной ЖК­-дисплей с хорошим разрешением — порядка 130 тысяч элементов. При этом на дисплей выводится дополнительная информация — значения диафрагмы, выдержки, количество кадров и т. д. Такое решение обусловлено, во-первых, особенностями конструкции камеры (например, когда «зрачок» оптического видоискателя просто негде расположить), а во-вторых, тем, что при съемке в солнечную погоду блики на ЖК-дисплее делают практически невозможным использование его в качестве видоискателя.
2.3Экспозиция.   Диафрагма и выдержка.    Светочувствительность.

Важнейшим оптическим определением является экспозиция.

Экспозиция– это физическая величина, служащая количественной

мерой световой энергии, падающей на светочувствительный элемент.

<img width=«366» height=«2» src=«ref-1_699666573-119.coolpic» v:shapes="_x0000_s1027">В нашем случае светочувствительным элементом является ПЗС­-матрица. От экспозиции, сообщенной матрице, во многом зависит качество снимка — недостаточная экспозиция (называемая фото­графами недодержкой) приводит к плохой проработке деталей в тенях, избыточная экспозиция (передержка) — к плохой прора­ботке светлых участков. Для управления экспозицией исполь­зуются диафрагма и выдержка, для расширения их диапазона применяют материалы с более высокой светочувствитвлъностъю.

Диафрагма– это устройство, посредством которого ограничивает­ся поперечное сечение световых пучков, проходящих через объек­тив, для уменьшения

освещенности ПЗС-матрицы. Представляет

собой светонепроницаемую преграду с центральным отверстием изменяемого диаметра.

                               <img width=«136» height=«43» src=«ref-1_699666692-644.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028"> 

         а            б             в
     
Рис. 2.3. Диафрагма: а -f/22, б-f/8, в — f/2

 Наиболее распространена ирисовая диафрагма, у которой свето­вое отверстие образуется несколькими дугообразными лепест­ками (ламелями), соединенными с подвижным кольцом-корон­кой. При повороте кольца лепестки сходятся (или расходятся), плавно уменьшая (или увеличивая) отверстие диафрагмы. Ве­личина действующего отверстия диафрагмы изменяется в зави­симости от условий съемки (освещенности фотографируемого объекта и чувствительности ПЗС-матрицы), а также выдержки (о ней будет рассказано далее). От величины отверстия диаф­рагмы зависит диапазон резко изображаемого пространства — чем меньше отверстие, тем больше глубина, резкости, и наоборот:

Количественно диафрагма может быть описана относительным отверстием объектива, равным отношению диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию. Квадрат этого числа определяет светосилу объектива. Для обозначения диаф­рагмы тем не менее используется так называемое диафрагмен­ное число — величина, обратная относительному отверстию. Ряд численных значений диафрагменного числа выбирается так, что он образует геометрическую прогрессию со знаменателем, рав­ным корню квадратному из двух (например, 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6 и т. д.). При данной яркости объекта съемки освещенность его оптического изображения на П3С-матрице обратно пропорцио­нальна квадрату диафрагменного числа, то есть чем меньше чис­ло, тем больше света попадает на матрицу. Если минимальное значение диафрагменного числа 2,8 и ниже, то объектив счита­ется светосильным.


            Выдержка –  это  промежуток  времени,  в  течение  которого  световые

лучи  воздействуют  на  ЭОП  для  сообщения   ему  требуемой  экспозиции.
Светочувствительность — это способность какого-либо материала определенным

образом реагировать на оптическое излучение. Чем выше чувствительность, тем

меньшее количество света требуется для реакции материала.

Количественная мера указанной способности — светочувстви­тельное число. Указывается в единицах ISO (International  Standards  Organization— Международная организация стандартов). При использовании пленки с высокой чувствительностью можно вести съемку с меньшей экспозицией. Но с увеличением чувстви­тельности фотопленки растет зернистость изображения и не­однородность негатива. К сожалению, при увеличении чувстви­тельности цифровой камеры изображение тоже ухудшается.
2.4Экспозиционное число.
Экспокоррекция

ПРИМЕЧАНИЕ

Экспозиционное число _ понятие, используемое для  однозначной

Характеристики  условий  фотосъемки  и  определения  экспозиции, не­

обходимой для получения качественного кадра  при  заданной светочувствительности  ПЗС-матрицы.

Ряд значений экспозиционных чисел образует шкалу — изменение экспозиционного числа на одну единицу соответствует измене­нию экспозиции в два раза. Одну и ту же экспозицию можно обес­печить при различных сочетаниях значений диафрагменного числа и выдержки, называемых экспозиционными параметрами(экспопараметрами).

2.5Аберрации

Аберрации — искажения (от лат. aberratio— уклонение) изображе­ния, формируемого оптической системой. Проявляются в пониже­нии резкости изображения, нарушении подобия между объектом и его изображением (геометрические аберрации) либо окрашива­нии контуров изображения (хроматические аберрации).

Среди большого количества геометрических аберраций наибо­лее заметны кривизна поля и дисторсия.

Кривизна поля характеризуется тем, что резкое изображение плоского предмета лежит на искривленной поверхности. Вызвано это тем, что после прохождения сквозь оптическую систему све­товые лучи, идущие из точек, расположенных вне оптической оси объектива, сходятся в фокус не в одной плоскости. На фотогра­фии кривизна поля проявляется в понижении резкости изобра­жения от центра к краям. Устраняется эта аберрация подбором линз с различной кривизной поверхностей.

Дисторсией называется аберрация, при которой нарушается геомет­рическое подобие между объектом и его изображением. Это яв­ление возникает в результате того, что линейное увеличение, да­ваемое оптической системой, изменяется по полю изображения.
                    <img width=«391» height=«116» src=«ref-1_699667336-10898.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">
                                           Рис. 2.4.  Дисторсия
В вариообъективах дисторсия выражается в «подушкообразных» искажениях при длиннофокусном режиме и в «бочкообраз­ных» — при широкоугольном. Для снижения дисторсии в конст­рукцию объективов включается асферическая оптика, то есть линзы с параболическими, эллиптическими и другими поверх­ностями.

Хроматические аберрации обусловлены зависимостью показате­ля преломления оптического стекла от длины волны проходя­щего через него света. В линзовых оптических системах это при­водит к разложению луча белого света на несколько одноцветных лучей, которые после выхода из оптической системы пересека­ют оптическую ось в разных точках. Поэтому в тех случаях, ког­да освещенность объекта съемки и его фона сильно отличается, на стыке появляется цветовая окантовка, чаще синеватого или фиолетового оттенка, именуемая каймой (fringe). Хроматическую аберрацию уменьшают комбинированием положительных и от­рицательных линз, сделанных из разных сортов стекла.
                         2.6Разрешающая способность оптики

Разрешающая способность оптических систем — под этой харак­теристикой подразумевается способность данных систем созда­вать раздельные изображения двух близко расположенных точек объекта. Разрешающую способность оценивают по наименьшему расстоянию между двумя точками, при котором их изображения еще не сливаются.До недавнего момента вопрос о достаточности разрешающей спо­собности объективов не возникал. Однако с увеличением разре­шения матриц любительских камер периодически складывается  ситуация, когда один и тот же сенсор, установленный на разных фотоаппаратах, «рисует» изображение с неодинаковым каче­ством. Особенно это характерно для сверхкомпактных моделей, к которым тяжело создать объектив с высокими оптическими характеристиками.
            З Электронно­ – оптические

                   преобразователи


После прохождения оптики световой поток попадает на регист­рирующий элемент — электронно-оптический преобразователь(ЭОП). Как уже упоминалось, в основном в этих целях исполь­зуются матрицы ПЗС — приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появля­ются даже на профессиональных моделях, подавляющее боль­шинство любительских фотоаппаратов оснащены именно П3С­матрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.

Общие принципы

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобра­зовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точ­нее -р-n-переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рас­сматривать ее в рамках данной работы. Вкратце принцип устрой­ства и функционирования П3С-матриц сводится к следующему.

В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупро­водника n-типа. Сверку наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликрис­таллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала

последний генерирует электрон, который хранится в потенци­альной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем  выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может на­копить потенциальная яма, тем больший диапазон освещеннос­ти можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависим динамический диапазон (о нем более подробно будет рассказано ниже). Все, что требуется сделать, — считать значение этого за­ряда и усилить его.
                            <img width=«361» height=«205» src=«ref-1_699678234-21487.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030">

                        продолжение
--PAGE_BREAK--