Цифрові фотоапарати

Цифровий фотоапарат - це фотоапарат, в якому для отримання зображення замість фотоплівки (фотопластинки) використовується масив напівпровідникових світлочутливих елементів на твердотільної підкладці, званий фотоматрицею, на яку зображення фокусується за допомогою системи лінз об'єктива. Отримане зображення, в електронному вигляді зберігається у вигляді файлів у пам'яті фотоапарата або додатковому носії, що вставляється в фотоапарат.

Класифікація

• Фотоапарати з незмінними об'єктивами

-          Компактні цифрові фотоапарати

Зневажливо іменується «цифромильниця», однак характеристиками відрізняється від плівкової «мильниці». Характеризується малими розмірами і вагою; такий фотоапарат легко носити з собою постійно. Візування по РК-екрану, це дозволяє точно зібрати кадр - зручно для «протокольних» знімків, часто доробка в графічному редакторі не потрібна взагалі. Іноді є оптичний видошукач, синхронізований із зміною фокусної відстані об'єктива (зручно для зйомки людей, рухомих сцен). Малий фізичний розмір матриці означає низьку чутливість або високий рівень шумів. Також цей тип камер зазвичай відрізняє відсутність або недостатня гнучкість ручних налаштувань експозиції.

За винятком найдешевших моделей, характеризуються чималими можливостями в макрозйомці. У багатьох моделей розмір об'єкта зйомки 30 мм і навіть менше.

 

-           Псевдозеркальні цифрові фотоапарати з незмінним об'єктивом

 

Рис. 1 - Псевдозеркальний цифровий фотоапарат «Panasonic FZ-30» з незмінним об'єктивом

 

Псевдозеркальние цифрові фотоапарати зовнішнім виглядом нагадують однооб'єктивну дзеркальну камеру, а також, крім цифрового дисплея, оснащені електронним видошукачем. Зображення у видошукачі такого апарату формується на окремому цифровому екрані, або на поворачивающемся основному екрані. Як правило, мають різьблення на об'єктиві для приєднання насадок і світлофільтрів (приклад - Konica Minolta серія моделей Z).

Кратність трансфокатора 6 × і вище. Досить високу якість зйомки, завдяки непоганій діафрагмі на «далекому» кінці (наприклад, f / 3,5 у Canon PowerShot S3 IS) і стабілізованому об'єктиву. Розміри матриці варіюються від 1/2, 5 Відікон дюймів до Мікро 4:3. Портретними можливостями псевдозеркальние цифровий фотоапарат, навіть з маленькою матрицею, не поступається компактним, в першу чергу через якісного об'єктива. Завдяки величезній кількості кнопок по всьому корпусу, фотограф може швидко перемкнути фотоапарат в потрібний режим.

Недоліками більшості ультразумов є скромні можливості в макрозйомці та високу фокусна відстань на «ближньому» кінці (наприклад, 36 мм в перерахунку на плівку у того ж «Canon S3 IS»). Сучасні (початок 2012) ультразуми в ширококутній зйомці мають сильну дисторсію, яка коригується програмно. На «далекому» наприкінці світлосила, як правило, невисока. Та й будь-фотоапарат зі змінним об'єктивом перевершить ультразум за якістю зображення, в першу чергу за рахунок великої матриці.

 

 

-                Однооб'єктивні дзеркальні фотоапарати з напівпрозорим дзеркалом

 

Рис.2 - Цифровий однооб'ективний дзеркальний фотоапарат з напівпрозорим дзеркалом «Olympus E-10»

 

Однооб'єктивні дзеркальні фотоапарати з напівпрозорим дзеркалом («напівзеркалка» - жаргонний термін) - клас апаратів, в яких наведення на різкість проводиться по фокусировочная екрану через знімальний об'єктив, проте немає підйомного дзеркала. У таких апаратах оптична схема містить напівпрозоре дзеркало або світлоділильної призму, яка направляє від 10 до 50% світлового потоку на екран фокусування, а решта передається на матрицю. Як правило, немає можливості міняти об'єктив.

Приклади: «Olympus E-10», «Olympus E-20».

 

•       Компактні цифрові фотоапарати з незмінним об'єктивом з постійною фокусною відстанню

В основному виконані в стилі  «ретро», мають матрицю великих розмірів, багато забезпечені оптичним видошукачем, володіють високими технічними характеристиками бездзеркальних фотоапаратів. Відрізняються високою ціною.

Приклади: «Fujifilm FinePix X100», «Sigma DP1», «Digital Classic Camera Leica M3»

 

•      Надкомпактні цифрові фотоапарати

За компактність доводиться платити  крихітної матрицею (зазвичай 1/2, 5 Відікон дюймів). Щоб отримати прийнятну якість знімків, ставлять агресивна шумозаглушення. Також урізують кратність трансфокатора (зазвичай 3 × або 4 ×), фокусна відстань на «короткому кінці», штативне гніздо, ємність акумулятора. Страждають і можливості макрозйомки. Як правило, немає оптичного видошукача. Самим же маленьким серійним фотоапаратом є Nikon S01, розміри якого всього 77 × 52 × 17 мм, а вага 96 р. без елемента живлення.

Приклади: «Canon Digital IXUS», «Olympus μ»

 

• Фотоапарати зі змінними об'єктивами

 

•   Цифровий однооб'ективний дзеркальний фотоапарат

Рис. 3 - «Canon EOS 450D» з штатним об'єктивом

Основний інструмент професійного фотографа - і багатьох фотолюбителів. Матриця, як правило, «напівкадрова» (приблизно в 1,5 рази менше плівкового кадру, за площею - в 2-3 рази). Втім, існують моделі з повнокадровою (24 × 36 мм) і навіть середньоформатною матрицею.

На фокусировочная екрані розташовується так званий «фазовий автофокус», швидкий і точний. Оптичний видошукач дозволяє вловити емоції об'єкта зйомки і натиснути на кнопку в потрібний момент. До того ж цей видошукач працює через об'єктив, так що легко контролювати глибину різкості, застосовувати поляризаційні і градієнтні фільтри. Змінна оптика дозволяє пристосувати такий фотоапарат до будь-якого жанру зйомки. З недоліків - висока ціна, гучний спуск і великі габарити. Утруднена зйомка з нестандартних ракурсів (тому фотохудожників часто бачать в самих екзотичних позах). Видошукач покриває не весь кадр (близько 85% в камерах нижнього рівня), тому після зйомки практично обов'язкова доробка фотографій в графічному редакторі. При натисканні на спуск зображення пропадає, тому до фотографування з проводкою треба пристосуватися.

Приклади: «Canon EOS-1Ds Mark III», «Nikon D200».

•   Цифрові дальномірні фотоапарати

Нечисленна група цифрових фотоапаратів, що мають, крім РК-дисплея, оптичний видошукач, поєднаний з далекоміром. На 2012 рік цифрові дальномірні фотоапарати представлені трьома моделями: «Epson R-D1», «Leica M8» і «Leica M9». Кріплення об'єктивів - байонет Leica M. Відрізняються високою ціною, поєднують високу якість зображення з неперевершеною оперативністю зйомки (важливо для вуличного і репортажної фотографії).

• Цифрові бездзеркальні фотоапарати

Відсутність дзеркального видошукача з пентапризмою дозволило значно зменшити робочий відрізок камери і її розміри. Функції TTL-Експонометра і датчика автофокусу передані світлочутливої ​​матриці. Бездзеркальні фотоапарати набули поширення наприкінці 2000-х років, з розповсюдженням зменшених байонетів  кшталт «Мікро 4:3».

У свою чергу, бездзеркальні цифрові фотоапарати зі змінними об'єктивами діляться на камери тільки з РК-дисплеєм і на псевдозеркальні (з електронним видошукачем). Конструкція деяких камер дозволяє використовувати зовнішній знімний електронний видошукач («Olympus PEN E-P2»).

Автофокус повільний контрастний, властивий «мильницям». Утруднена ручне фокусування. Об'єктив не забирається в корпус, так що габаритів «мильниці» вдається домогтися лише з фікс-об'єктивами. Але в цілому більша матриця дає пристойну якість зображення. Іноді в гонитві за компактністю основного блоку виробники зменшують ємність акумулятора до неприйнятних величин.

Приклади: Fujifilm X-Pro1, Sony Alpha NEX-5, Pentax Q, Pentax K-01.

У 2011 році з'явилися перші бездзеркальні фотоапарати, оснащені матрицею, у якої частина пікселів виділено для автофокусування методом вимірювання різниці фаз, що істотно збільшило швидкість автофокусування. До таких моделей належать Nikon 1 V1, Nikon 1 J1, Canon EOS M.

 

Пристрій цифрового  фотоапарата

Історія розвитку фототехніки призвела до того, що були вироблені певні  стандарти на інтерфейс між фотографом і використовуваної ним фототехнікою. В результаті цифрові фотоапарати (цифрова фотокамера, ЦФК) у більшості  своїх зовнішніх рис та органах  управління повторюють моделі плівкової  фототехніки. Принципова відмінність  виявляється в «начинці» апарата, в технологіях фіксації і подальшої  обробки зображення.

• Основні елементи цифрового фотоапарата
• Матриця

Основний елемент будь-якої цифрової фото-або відеокамери - матриця, від  якої найбільшою мірою залежить якість одержуваного зображення.

Матриця (іноді її називають сенсором) являє собою напівпровідникову  пластину, що містить велику кількість  світлочутливих елементів, в переважній більшості випадків згрупованих  у рядки та стовпці.

У сучасних ЦФК найбільшого поширення  набули матриці двох типів: ПЗС (прилад із зарядним зв'язком, по-англійськи CCD - Charge-Coupled Device) і КМОП (комплементарний метал-оксид-напівпровідник, по-англійськи CMOS - Complementary-symmetry/Metal-Oxide Semiconductor ).

CMOS-матриці для споживчих фотоапаратів  відносно дешеві, оскільки випускаються  за стандартними напівпровідниковими  технологіями, проте шуми таких  матриць зазвичай набагато вище, ніж у CCD. Тому в даний час  більшість моделей ЦФК (за винятком  ряду професійних і напівпрофесійних «дзеркалок» Canon, Nikon і Sony і інших, що мають спеціальні схеми придушення шумів), оснащуються ПЗЗ-матрицями. Назва ПЗС - прилад із зарядним зв'язком, відображає спосіб зчитування електричного заряду методом зсуву від одного елемента матриці до іншого, поступово заповнюючи буферний регістр. Далі напруга посилюється і подається на АЦП (аналого-цифровий перетворювач), після чого вже в цифровій формі надходить для подальшої обробки в процесор фотокамери.

Матриця або світлочутлива матриця - спеціалізована аналогова або цифро-аналогова  інтегральна мікросхема, що складається  з світлочутливих елементів - фотодіодів.

Призначена для перетворення проектувалося  на неї оптичного зображення в  аналоговий електричний сигнал або  в потік цифрових даних (за наявності  АЦП безпосередньо у складі матриці).

Є основним елементом цифрових фотоапаратів, сучасних відео-та телевізійних камер, фотокамер, вбудованих в мобільний  телефон, камер систем відеоспостереження та багатьох інших пристроїв.

Застосовується в оптичних детекторах переміщення комп'ютерних мишей, сканерах штрих-кодів, планшетних і  проекційних сканерах, системах астро-і сонячної навігації.

Рис. 4 - Матриця на друкованій платі  цифрового фотоапарата

Приклад субпікселя ПЗС-матриці з кишенею n-типу

 

Рис. 5 - Схема субпікселів ПЗС-матриці з кишенею n-типу (на прикладі червоного фотодетектора)

Позначення на схемі субпікселя ПЗС-матриці - матриці з кишенею n-типу:  
1 - фотони світла, що пройшли через об'єктив фотоапарата;  
2 - мікролінз субпікселя ;  
3 - R - червоний світлофільтр субпікселя, фрагмент фільтра Байера ;  
4 - прозорий електрод з полікристалічного кремнію або сплаву індію та оксиду олова;  
5 - оксид кремнію;  
6 - кремнієвий канал n-типу: зона генерації носіїв - зона внутрішнього фотоефекту ;  
7 - зона потенційної ями (кишеню n-типу), де збираються електрони із зони генерації носіїв заряду ;  
8 - кремнієва підкладка p-типу .

мікролінз субпікселя

Буферні регістри зсуву на ПЗЗ-матриці, так само як і обрамлення КМОП-піксела на КМОП-матриці «з'їдають» значну частину площі матриці, в результаті, кожного пікселя дістається лише 30% світлочутливої ​​області від його загальної поверхні. У матриці з Повнокадровий перенесенням ця область становить 70%. Саме тому в більшості сучасних ПЗЗ матриць над пікселем встановлюється мікролінз. Таке найпростіше оптичний пристрій покриває більшу частину площі ПЗС-елемента і збирає всю падаючу на цю частину частку фотонів в концентрований світловий потік, який, у свою чергу, спрямований на досить компактну світлочутливу область  пікселя.

Характеристики  матриць

Світлочутливість (більш коротко чутливість), відношення сигнал-шум і фізичний розмір пікселя однозначно взаємопов'язані (для матриць, створених за однією і тією ж технологією). Чим більше фізичний розмір пікселя, тим більше що отримується співвідношення сигнал-шум при заданій чутливості, або тим вище чутливість при заданому співвідношенні сигнал-шум.Фізичний розмір матриці та її дозвіл однозначно визначають розмір пікселя. Розмір пікселя безпосередньо визначає таку важливу характеристику, як фотографічна широта .

Відношення сигнал / шум

Всяка фізична величина здійснює деякі  коливання від свого середнього стану, в науці це називається  флуктуаціями. Тому і кожне властивість всякого тіла теж змінюється, коливаючись в деяких межах. Це справедливо і для такої властивості, як світлочутливість фотоприймача, незалежно від того, що собою являє цей фотоприймач. Наслідком цього є те, що деяка величина не може мати якогось конкретного значення, а змінюється в залежності від обставин. Якщо, наприклад, розглянути такий параметр фотоприймача, як «рівень чорного», тобто те значення сигналу, яке буде показувати фотодатчик за відсутності світла, то і цей параметр буде деяким чином флуктуювати, в тому числі ця величина буде змінюватися від одного фотодатчика до іншого , якщо вони утворюють деякий масив (матрицю).

В якості прикладу можна розглянути звичайну фотоплівку, де фотодатчики - зерна бромистого срібла, і їх розмір і «якість» неконтрольовано змінюються від точки до точки (виготовлювач фотоматеріалу може забезпечити  тільки середнє значення параметра  і величину його відхилення від середнього значення, але не самі конкретні  значення цієї величини в конкретних позиціях). У силу цієї обставини плівка, проявлена ​​без експозиції, покаже деякий, дуже маленьке, але відмінне від нуля почорніння, яке називається «вуаль». І у фотоматриці цифрового фотоапарата спостерігається те ж саме явище. В науці таке явище називається шумом, так як воно заважає правильному сприйняттю і відображенню інформації, і для того, щоб зображення добре передавало структуру вихідного сигналу, необхідно, щоб рівень сигналу в деякій мірі перевершував рівень шумів, характерних для даного пристрою. Це називається відношенням сигнал / шум.