Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Инженерная школа новых производственных технологий

Направление: 12.03.02 «Оптотехника»

Обеспечивающее подразделение: Отделение материаловедения

Лабораторная работа № 1

«Фотокамера –типичный оптико-электронный прибор»

по дисциплине:

Оптико-электронные системы

Исполнители:
студенты группы 4В01			Деньгуб А.Р.
Руководитель:
Профессор д ф.-м. н.			Петикарь П.В.

Томск – 2024

Цель: изучить конструкцию, параметры и характеристики фотокамеры SONY и

получить навыки работы в различных режимах фотосъемки, а также описать принцип работы камеры в целом и отдельных ее элементов (оптическая система, диафрагма, разрешающая способность, фокусное расстояние, F-число объектива, относительное отверстие, приемник излучения), режимы сьемки и др.

Ход работы:

Фотокамера – это светонепроницаемая коробка, которую раньше называли камерой-обскурой. В одной из стенок этой коробки проделано отверстие. На противоположной от отверстия стенке находится светочувствительный сенсор, который называется матрицей. Для того, чтобы создать фотографический снимок, современные фотоаппараты оснащены множеством дополнительных элементов. Основные компоненты конструкции фотокамеры – объектив, затвор и диафрагма.

Объектив – это оптическая конструкция, состоящая из стеклянных (или, в недорогих моделях пластиковых) линз. Световой поток преломляется, проходя сквозь эти линзы, попадает на матрицу или плёнку, что делает изображение качественным.

Затвор – это устройство, чаще механическое, которое установлено между объективом и матрицей. Затвор представляет собой непрозрачную плоскость. Эта плоскость открывается и закрывается с огромной скоростью, чем регулирует доступ света на матрицу. Отрезок времени, на который затвор остается открытым, называется выдержка.

Диафрагма – это круглое отверстие, которое может менять свой диаметр. Она позволяет дозировать количественное поступление света на матрицу фотокамеры. Диафрагма чаще всего установлена внутри объектива, между его линзами.

Рис.1 Объективы фотокамер

Главными характеристиками объективов являются:

Светосила – параметр, показывающий соотношение между яркостью объекта, который отображается, и освещенностью изображения, получаемого в фокальной плоскости (на матрице) с помощью оптической системы.

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.

Зум – способность оптической системы приближать удаленные объекты (увеличивать их изображение). Он определяется отношением фокусных расстояний (максимального к минимальному).

Разновидность байонета.

На маркировке объективов обычно первое число (или пара чисел) указывает фокусное расстояние, а второе (либо пара) – светосилу.

Более универсальным считается стандартный тип оптики.

Рис.2 Классификация объективов по фокусному расстоянию и углу обзора

Диафрагма – это устройство, которое регулирует количество света, попадаемого на матрицу или плёнку. Изменяя диаметр отверстия диафрагмы, мы меняем соотношение яркостей создаваемого объективом фотографического изображения. Влияет диафрагма и на яркость самого объекта.

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.

Затвор

Переходим к описанию следующего элемента фотоаппарата - затвору. Для чего они необходим?

Затвор - этот дико сложный механизм, гораздо сложнее, чем механизм диафрагмы. Его можно назвать сердцем любого фотоаппарата. Затвор отмеряет время, на протяжении которого свет действует на матрицу или на фотоплёнку, и происходит собственно процесс экспонирования. Это время, на которое затвор открыт, называется выдержкой. Затвор находится внутри фотокамеры, постороннему взгляду его не видно. Но зато его в зеркальных (как цифровых, так и плёночных) камерах хорошо слышно. Именно он издает тот самый характерный щелчок, ставший символом всей фотографии

Затвор представляет собой механическое устройство, включающее в себя одну или две непрозрачные шторки, которые могут быть расположены как горизонтально, так и вертикально. Именно эти шторки открываются и закрываются, дозируя световой поток. Выдержка измеряется во времени. Чаще всего, это доли секунды. То есть затвор, можно сказать, работает молниеносно.

Трудно даже представить себе отрезок времени, составляющий 1/250 или 1/500 долю секунды, не говоря уж о 1/1000 и менее. Но механический затвор имеет предел скорости срабатывания. Тогда каким же образом работают выдержки 15000 и 1/7000 секунды, на которые способна современная фотоаппаратура?

Для этих целей инженерами разработан так называемый цифровой затвор. Тут регулировка выдержки осуществляется непосредственно на матрице, электроникой. Происходит это в таком режиме: при нажатии кнопки спуска открываются шторки физического, механического затвора, причем на минимально возможное время, затем на матрицу аппарата от его «электронной начинки» поступает цифровой сигнал, который включает экспонирование матрицы, а спустя какое то время другой сигнал отключает это экспонирование, а затем закрываются шторки и физического затвора. Величина выдержки зависит от освещенности снимаемого объекта, об общей освещенности в помещении, в котором вы снимаете, от скорости движения объекта или объектов съемки.

Выдержку всегда нужно соотносить с диафрагмой.

Матрица закрыта этими шторками, и изображение на дисплей передаваться просто не имеет возможности. При нажатии кнопки спуска шторки открываются (за счет или пружин, или электромагнитов), и на матрице происходит формирование изображения. В цифровых аппаратах с несъемной оптикой чаще всего стоит электронный затвор. Проще говоря, матрица сама на время проведения экспонирования включается, и по окончании этого времени отключается. Во время экспонирования и происходит запись изображения. Все остальное время на дисплей выводится сигнал для визирования, или, говоря по-другому, наводки. Преимущества электронного затвора очевидно – он может работать на несравненно более высоких скоростях, чем механический. Но, тем не менее, комбинированный электронно-механический затвор намного лучше.

Свет, прошедший через отверстие диафрагмы, попадает на зеркало. Там поток делится на 2 части. Одна из них поступает на фазовые датчики (отражаясь от вспомогательного зеркала), которые предназначены для определения того, находится или нет изображение в фокусе. Затем система фокусировки выдает команду линзам на перемещение. При этом они становятся так, чтобы снимаемый объект оказался в фокусе. Такая самонастройка называется фазовым автофокусом. Он является одним из основных преимуществ зеркалок перед беззеркальными цифровыми фотокамерами. Чтобы увидеть зеркало внутри корпуса, нужно просто снять оптику.

Второй поток попадает на фокусировочный экран (матовое стекло). Благодаря этому фотограф может сразу оценить глубину резкости будущего снимка и точность фокусировки. Выпуклая линза, расположенная над экраном фокусировки, увеличивает размер получаемой картинки. Зеркало убирается после нажатия спуска, позволяя свету без препятствий поступать на матрицу.

Рис.3 Оптическая система зеркальной фотокамеры

Пентапризма и видоискатель

Световой поток, пройдя через фокусировочный экран, попадает в пентапризму. Она состоит из двух зеркал. Первоначально от поворотного зеркала изображение поступает в перевернутом виде. Зеркала пентапризмы переворачивают его, выдавая на видоискатель итоговую картинку в нормальном виде.

Видоискатель является устройством, позволяющим фотографу предварительно оценивать кадры. Основными его характеристиками являются:

• светлость (зависит от качества и светопропускных свойств стекол, из которых сделан);

• размер (площадь);

• покрытие (в современных моделях достигает 96-100%).

Зеркальные фотокамеры могут быть оснащены видоискателями следующих видов:

• оптическими;

• электронными;

• зеркальными.

Оптические видоискатели наиболее распространены. Такие устройства представляют собой расположенную возле объектива систему линз. Их преимуществом является отсутствие потребления энергии, а недостатком – некоторое искажение изображения, попадающего в кадр.

Электронные устройства – это миниатюрный жидкокристаллический (ЖК) экран. Изображение на него передается с матрицы камеры. Электронным видоискателем можно пользоваться даже при сильном солнечном свете, потому что он расположен внутри корпуса. Но во время работы он потребляет электроэнергию

Зеркальные видоискатели считаются лучшими, потому что способны обеспечить наиболее высокую контрастность, качество контуров объектов. Такие устройства перешли к цифровым фотографическим аппаратам от пленочных аналогов. Видимое фотографом изображение формируется поворотным зеркалом.

Основными характеристиками матриц являются:

• разрешение;

• размер;

• светочувствительность (ISO);

соотношение между сигналом и шумом (скоплением хаотично расположенных точек разных цветов, появление которых связано с недостатком освещенности объектов).

Разрешение – это количество светочувствительных элементов в детали, измеряемое в современных приборах мегапикселями (соответствует миллиону фотосенсоров). Чем больше их число, тем лучше будут переданы на фото мелкие детали.

От размера матрицы, измеряемого по диагонали, зависит количество фотонов, которое она может уловить, а также присутствие шумов на получаемом изображении. Чем этот параметр больше, тем лучше (шумов меньше). Диагональ детали в востребованных моделях фототехники составляет 1/1,8 -1/3,2 дюйма.

Светочувствительность матриц находится в пределах 50-3200. Большие значения чувствительности позволяют проводить съемку при плохой освещенности, например, в сумерках либо в ночное время. Но при этом возрастает уровень шума. Оптимальным уровнем ISO считается его значения от 50 до 400. Увеличение чувствительности сопровождается возрастанием шумов.

В зеркальной фототехнике распространение получили две разновидности матриц:

• полнокадровые (совпадают размером с кадром пленки 35 мм);

• усеченные (с уменьшенной диагональю).

Матрицы отличаются друг от друга форматами, которые бывают следующими:

• Full Frame – полнокадровые (35×24 мм);

• APS-H – матрицы профессиональных фотоаппаратов (29×19-24×16 мм);

• APS-C – применяются в моделях изделий потребительского класса (23×15-18×12 мм).

Полнокадровые матрицы больше размерами, чем усеченные. Ими оснащают профессиональные модели фотокамер.

Системы стабилизации изображения

Из-за перемещения фотокамеры при фотосъемке или из-за дрожания рук получаются смазанные кадры. С данным явлением борется стабилизатор изображения (имеется не во всех моделях). Он бывает трех видов:

• оптическим;

• с подвижной матрицей;

• электронным (цифровым).

Первый представляет собой вмонтированный в объектив блок линз, который управляется специальными сенсорами. Системы с подвижной матрицей (например, «Anti-shake») предполагают ее фиксацию на двигающейся платформе. Они считаются менее эффективными, чем оптическая стабилизация.

Электронный vr (подавитель вибраций) предполагает преобразование лишь картинки процессором. Цифровой стабилизатор функционирует с любыми объективами.

Вспышка

• Автоматический режим.

Вспышка срабатывает (или не срабатывает) автоматически. В этом режиме автоматически же регулируется длительность излучаемого ей светового импульса и его мощность в зависимости от условий освещения, в которых производится съемка. Такой режим удобен тем, что при нём экономится заряд электрической батареи. Но, тем не менее, он не всегда может быть использован. Например, при съемке в контровом свете. Так уж устроен фотоаппарат.

• Принудительный режим фотовспышки.

Вспышка будет срабатывать всегда, независимо от уровня освещенности. В этом режиме недоступно регулирование длительности и мощности светового импульса. Как говорят специалисты, вспышка тут полностью использует своё ведущее число. Такой режим работы со вспышкой применим практически во всех случаях съемки, однако и расход энергии батареи тут будет более высоким, чем в предыдущем режиме.

• Режим медленной синхронизации.

При таком режиме скорость срабатывания затвора (проще говоря, выдержка), устанавливается на более продолжительное время, чем длительность светового импульса. Это делается для дополнительной проработки фона и заднего плана снимаемой сцены. Ведь встроенная в фотоаппарат вспышка достаточно слаба и зачастую ее световой поток не достаёт («не добивает») до фона.

• Режим съемки без вспышки.

Тут вспышка вообще не срабатывает. Этот режим необходим в тех ситуациях, когда съемка со вспышкой запрещена или в ней нет никакой необходимости, так как условия освещенности вполне благоприятные. А при благоприятном естественном освещении изображение всегда получается намного лучше, естественно передаются цвета объектов, теневые и освещенные его участки.

Крепление оптики

Объективы крепятся к корпусу фотоаппарата с помощью байонета. Он представляет собой специальное высокоточное соединение (часто стандартного типа). Конструктивно этот крепежный узел может быть выполнен в виде накидной гайки, оснащенной прорезями, либо выступов на оправе с соответствующими им на корпусе пазами. Существуют модели изделий, где байонетное соединение представлено крупной резьбой, имеющей короткий ход.

К основным характеристикам байонета относятся:

• диаметр, который влияет на светосилу объектива;

• рабочий отрезок (схематически представлен на фото ниже), определяющий диапазон рабочих фокусных расстояний.

Матрица — это множество светочувствительных элементов – пикселей,каждый пиксель матрицы реагирует на попадание света на него – вырабатывает электрический сигнал, который зависит от интенсивности пришедшего света. Зная только интенсивности света в пикселях можно получить черно-белую картинку.

Чтобы получить цветное изображение каждый пиксель покрывают одним из трех фильтров: красным, зеленым или синим, в соответствии с цветовой схемой RGB. В этой схеме все остальные цвета получают путем смешивания трех основных. То есть, снимая в формате RAW мы получим файл, в котором каждый пиксель будет одного из трех цветов. При съемке в форматы JPEG и TIFF камера вычисляет цвет в заданном пикселе, используя соседние с ним ячейки. У матрицы есть два важных параметра, которые влияют на качество изображения.

Разрешение матрицы. Измеряется в мегапикселях. Например, если у матрицы фотоаппарата 4 Мегапикселя (Мп), то это значит, что матрица состоит из 4ех миллионов пикселей (ячеек). Чем больше разрешение, тем больше мелких деталей может отразить фотоаппарат на снимке. Однако гнаться за мегапикселями не стоит. Например, для печати фотографий размера 10х15 см вполне хватит и 1 мегапикселя. Оптимальным выбором будет камера с 3-5 мегапикселями, на ней можно будет печатать фотографии вплоть до формата A4 (20х30см).

Размер матрицы. В популярных моделях фотоаппаратов используются матрицы с линейными размерами от 1/1.8 до 1/3.2 дюйма. В первом случае матрица больше.

Большая матрица дает следующие преимущества:

• может зарегистрировать больше света (может передать больше оттенков)

• меньше "шумит"

Таким образом, если сравнить две матрицы размерами 1/1.8 и 1/3.2 с одинаковым количеством пикселей (например, 4Мп), лучшей будет первая, так как 4 миллиона пикселей расположены на большей площади, и, следовательно, такая матрица будет давать лучшую картинку (более качественную и менее шумную). В другом случае, когда сравниваются две матрицы c одинаковыми линейными размерами, но разным числом мегапикселей, например, 6 и 7, предпочтение также следует отдать первой, так как это не только позволит сэкономить деньги, но и получить более качественные снимки в дальнейшем. Примечание: данное верно при сравнении матриц одного производителя или одной линейки фотокамер, так как у разных производителей могут быть разные типы матриц с несравнимыми характеристиками.

Чувствительность матрицы (ISO). Изменяется в диапазоне от 50 до 3200. Высокие значения чувствительности позволяют сделать четкий снимок в сумерках или даже ночью, правда при высоких значениях чувствительности неизбежно появление цифрового шума.

Объектив

Именно благодаря объективу свет попадает в камеру и формируется изображение на матрице. От качества объектива во многом зависит качество получаемого изображения – четкость, резкость, отсутствие искажений и т.п. Важными элементами объектива являются линзы и диафрагма. Линзы отвечают за характер света, а диафрагма позволяет контролировать количество этого света. Закрывая диафрагму до минимальных значений, мы можем уменьшить количество света попадающего на матрицу.

Основные характеристики объектива

Светосила – это значение максимально открытой диафрагмы. Чем больше светосила объектива, тем лучше и дороже фотоаппарат. При одних и тех же условиях освещенности, объектив с большей светосилой позволяет снимать на более коротких выдержках.

Обычно маркировка объектива выглядит так: 5.8-34.8mm 1:2.8-4.8. Первая пара чисел это фокусное расстояние (расстояние от передней линзы объектива до матрицы). Вторая пара чисел — это соответствующие значения светосилы объектива. Например, здесь в положении 34.8мм (на максимальном зуме) объектив имеет светосилу 4.8. Чем меньше числа светосилы, тем лучше. Объектив с характеристиками 5.8-34.8мм 1:2-3.2 считался бы более светосильным.

Фокусное расстояние. От фокусного расстояния зависит угол обзора объектива и то, как далеко он «видит». Для цифровых фотоаппаратов фокусное расстояние приводят также в 35мм эквиваленте. Это связано с тем, что диагональ матрицы меньше диагонали кадра 35мм пленки, те есть матрица охватывает не все поле кадра, откуда и возникает понятие увеличения фокусного расстояния (Focal Length Multiplier). У разных камер этот фактор колеблется от 1.3 до 1.6. Угол обзора. Напрямую зависит от фокусного расстояния. Примерно соответствующим углу обзора глаза человека считается объектив с фокусным расстоянием 50мм. Объективы с меньшим фокусным расстоянием - широкоугольники, с большим – телеобъективы. На фото 1 приведен вариант фотографии Исакиевского собора снятого на объектив с фокусным расстоянием 20мм (ширик), а на фото 2 тот же собор, снятый на 80мм (телевик).

Зум (zoom). Зум объектива вычисляется очень просто: для этого нужно большее фокусное расстояние разделить на меньшее. Для фотоаппарата, указанного выше, зум равен 34.8/5.8=6. Что и указано производителем. Если фотоаппарат снабжен объективом без зума, то на нем указывается его фокусное расстояние и светосила: например, 20mm 1:2.8. Чем больше зум фотоаппарата, тем сложнее его конструкция, и производителю приходится находить компромисс между стоимостью и качеством. Поэтому ультразумы (6-12x) обычно дают худшую картинку по сравнению с умеренными зумами (до 3x).

Стабилизатор изображения. Стабилизатор изображения призван бороться с так называемым эффектом «шевеленки» — вызванным дрожанием рук при фотографировании на достаточно больших выдержках или при большом зуме.

Варианты стабилизации:

• Оптическая стабилизация.

Основана на том, что в объектив встроен подвижный стабилизирующий элемент, который искривляет путь света в нужном направлении. Также в объективе есть сенсоры, которые управляют движением этого элемента. В результате, при незначительных колебаниях фотоаппарата, проекция картинки на матрицу всегда остается неподвижной. Впрочем, у нее есть и свои минусы:

• Снижается светосила объектива

• Возрастает стоимость

• Anti-shake.

В данной технологии стабилизации, в отличие от оптической, подвижным элементом является сама матрица. Главный плюс этого подхода состоит в независимости стабилизации от объектива, соответственно такая стабилизация может работать с любой оптикой. Первой такую стабилизацию разработала Konica Minolta. Наиболее ярким примером наличия встроенного antishake является новинка от Sony — модель Alpha DSLR-A100.

Видоискатель позволяет увидеть будущую картинку перед нажатием на спуск. В цифровых компактных камерах он может вовсе отсутствовать, его роль выполняет дисплей, на котором в реальном времени формируется изображение. Видоискатель может быть:

1. Оптическим

2. Зеркальным

3. Электронным

Самым лучшим считается зеркальный видоискатель. Он позволяет увидеть реальную площадь кадра без искажений. То есть фотограф видит через него ровно то, что через мгновение окажется фотографией.

Оптический же видоискатель является просто сквозным отверстием в корпусе камеры и не соответствует тому что видит объектив, хотя бы потому, что смещен относительно него на некоторое расстояние, однако в этом случае на помощь фотографу приходит дисплей.

Дисплей фотоаппарата

На компактных цифровиках дисплей позволяет видеть картинку такой, какой она получится на фотографии и заранее увидеть недочеты в композиции, тенях, освещенности (некоторые фотоаппараты умеют показывать гистограмму будущего изображения в реальном времени). На зеркалках дисплей может служить для просмотра уже сделанных кадров. Также дисплей служит интерфейсом для управления фотоаппаратом, поэтому, чем он больше и ярче, тем лучше.

Возможность ручных настроек

Немаловажным условием получения качественных фото является наличие в фотоаппарате ручных настроек. А именно, возможность:

• Регулировать диафрагму

• Регулировать выдержку

• Устанавливать баланс белого

• Изменять чувствительность матрицы

• Другие настройки

Наличие этих регулировок позволяет в полной мере контролировать процесс съемки, ведь даже самый быстрый процессор камеры может не знать замысла фотографа.

Характеристики фотоаппаратов влияющие на качество фотографии

В этой части статьи будут перечислены технические свойства фотоаппаратов, которые влияют на качество фотографий.

1. Объектив с небольшим значением оптического зума – 2, 3 или 4. Чем больше ступеней изменения фокусного расстояния, тем больше оптических искажений и тем больше потеря светосилы – и то и другое приводит к ухудшению фотографии. А наилучшее качество изображения дают фикс-объективы. То есть объективы с одним фокусным расстоянием.

2. Значение числа диафрагмы для объектива – чем меньше значение, тем лучше - f/2 лучше чем f/2.8. Меньшее число означает что объектив пропускает больше света на матрицу, а это может быть полезно при съемке в условиях плохой освещенности. Кроме съемки при плохом освещении, большая светосила объектива позволяет получать короткое пространство резкости (ГРИП, DOF), что используют для получения эффекта "боке", когда центральный объект снимка изображен резко, а все что ближе и дальше него, размыто.

Для зум-объектива число диафрагмы указывается как диапазон – меньшая цифра для меньшего (короткого) фокуса, большая цифра для самого «длинного» фокуса. Объективы с небольшой цифрой, 2 или меньше двух, часто называют светосильными. Общее правило - для зумов светосила объектива падает с увеличением фокусного расстояния.

3. Чувствительность матрицы (ISO). Отсутствие шумов или минимальные шумы для больших значений - 400, 800 ISO и больше. Для дешевых матриц шумы начинаются уже на 200 ISO, а на 800 может быть уже невозможно снимать. Шумы матрицы приводят к появлению цветного снега на фотографии. Высокая чувствительность (без шумов, конечно) позволяет получать хорошие фотографии в условиях слабой освещенности, а также хорошие фотографии движущихся объектов.

4. Скорость срабатывания (лаг) затвора. Чем меньше промежуток времени от нажатия кнопки затвора, до получения фото, тем точнее получаемая фотография, в том случае если снимается динамический объект или процесс. Если лаг затвора большой, то на фотографии может оказаться не совсем то, что было в видоискателе в момент нажатия затвора.

5. Запись фотографии в RAW формате, то есть без сжатия и программной обработки. В компактах при записи фотографии в память, происходит ее сжатие в формат JPEG. Уменьшается ее размер, но при этом ухудшается качество. Есть модели, которые записывают фотографию без сжатия, в RAW формате. Такую фотографию можно обработать в специальной программе на компьютере и получить JPEG снимок более высокого качества чем jpeg сделанный в самом фотоаппарате. На некоторых моделях компактов, есть возможность задавать параметры сжатия JPEG, уменьшая ее степень – это может частично компенсировать отсутствие raw записи.

6. Размер матрицы фотоаппарата. Чем больше матрица, тем более высокое качество фотографии можно с нее получить. В описании фотоаппарата размер матрицы указывается в пропорции к полному размеру 36 х 24 мм. Эта пропорция называется кроп-фактор и представляет собой десятичную дробь. Правило простое - чем ближе число кроп-фактора к единице, тем больше размер матрицы.