Из чего состоит фотоаппарат: Устройство фотоаппарата: строение — из чего состоит фотокамера, оптическая схема и основные детали

Основные части цифрового фотоаппарата — Информатика, информационные технологии

В основном устройство цифровой камеры повторяет конструкцию пленочного фотоаппарата. Главное их различие – в светочувствительном элементе, на котором формируется изображение. В пленочных фотоаппаратах это пленка, в цифровых – матрица. Свет через объектив попадает на матрицу, где формируется картинка, которая затем записывается в память. Внешний вид цифрового фотоаппарата (корпус без объектива) приведен на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид корпуса цифрового фотоаппарата без объектива

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 встроенный, представляет собой группу линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе.

Матрица

Матрица состоит из множества светочувствительных ячеек – пикселей. 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 ухищрениям. Так, например, ячейки покрывают цветными фильтрами – в большинстве матриц каждый пиксель покрыт красным, синим или зеленым фильтром (только одним!) в соответствии с известной цветовой схемой RGB (red-green-blue). 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 лишь своего цвета. Полученная картинка (рис. 3) состоит только из пикселей красного, синего и зеленого цвета – именно в таком виде записываются файлы формата RAW (сырой формат). Для записи файлов в наиболее популярном для хранения фотографических изображений графическом растровом формате JPEG и универсальном формате TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселей. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.

Рис. 3. Принцип получения цветного изображения

Существует два основных типа матриц. Они различаются способом считывания информации с сенсора. В матрицах типа ПЗС (рис. 4) информация считывается с ячеек последовательно, поэтому обработка 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.

Рис. 4. Матрица типа ПЗС Рис. 5. КМОП-матрица

В матрицах типа КМОП (рис. 5) информация считывается индивидуально с каждой ячейки. Каждый пиксель обозначен координатами, что позволяет использовать матрицу для экспозамера (измерение уровня освещенности фотографируемого объекта) и автофокусировки (автоматическое наведение оптической системы объектива на резкость изображения в фокальной плоскости).

Описанные типы матриц – однослойные, но есть еще и трехслойные, где каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн (рис. 6).

Рис. 6. Трехслойная матрица

Лучшей альтернативой линейному ПЗС является трехлинейный (trilinear) ПЗС. Он имеет три ряда фильтров, фактически включенных в элементы ПЗС.

Каждый фильтр блокирует свой первичный цвет. Таким образом, ПЗС снимает информацию сразу о трех цветах, при этом время на съемку кадра значительно сокращается. Эти системы довольно медлительны и используются в студийных фотоаппаратах. Цифровые фотоаппараты “в режиме реального времени”, использующие матрицу элементов ПЗС, управляют цветом одним из двух способов. При первом способе цвет попадает на матрицу ПЗС, в которой смежные пиксели содержат различные цветовые фильтры.

В процессе записи изображения микропроцессор, расположенный внутри фотоаппарата, считывает сигнал от каждого пикселя и усредняет полученное значение. Этот способ позволяет мгновенно отснять кадр. Единственный недостаток состоит в том, что полученное изображение “размывается” из-за использования средств математической обработки. Если, например, сфотографировать белый лист с черным квадратом посередине, то мы не увидим абсолютно четкую грань квадрата. Цвет пикселей, которые окажутся на грани черного и белого цветов, будут определяться как средний между 100% черного и 100% белого, и поэтому примет значение 50% серого цвета. Цвет пикселей, смежных с 50% серого цвета, будет, в свою очередь, определяться как средний между ним и цветом пикселей с другой стороны, и так далее.

Затвор

Затвор отмеряет время, в течение которого свет воздействует на сенсор (выдержку). В подавляющем большинстве случаев это время измеряется долями секунды. В цифровых зеркальных камерах, как и в пленочных, затвор представляет собой две непрозрачных шторки, закрывающих сенсор. Из-за этих шторок в цифровых зеркальных фотоаппаратах невозможно визирование по дисплею, поскольку матрица закрыта и не может передавать изображение на дисплей.

Рис. 7. Компоновка кадра изображения непосредственно на дисплее

В компактных камерах матрица не закрыта затвором, и поэтому можно компоновать кадр по дисплею (рис. 7).

Когда кнопка спуска нажата, шторки приводятся в движение пружинами или электромагнитами. Благодаря этому 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.

Фокус

Как уже говорилось выше, часто для автофокусировки используется сама матрица. Вообще же, автофокусировка бывает двух 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.

Видоискатель

В пленочных камерах компоновать кадр можно, только пользуясь видоискателем. Цифровые же фотоаппараты позволяют вовсе забыть о нем, поскольку в большинстве моделей для этого удобнее использовать дисплей (рис. 6). В некоторых очень компактных камерах видоискатель вообще отсутствует. Самое важное в видоискателе – это то, 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.

На рис. 8 приведена схема попадания изображения через систему зеркал в видоискатель зеркального фотоаппарата.

Рис. 8. Схема попадания изображения в видоискатель

зеркального фотоаппарата

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 маленький дисплей, изображение на который передается непосредственно с матрицы – точно так же, как и на внешний дисплей.

2.5. Память

Второй основной структурной единицей цифрового фотоаппарата является память.

В начале 90-х годов цифровые фотоаппараты использовали только один вид памяти, получивший название встроенной. Эта память создавала много неудобств в работе фотографа. Ограниченная, как правило, небольшим объемом, обычно 2 Мб, она позволяла сохранять небольшое количество снимков, которые, в свою очередь, сразу необходимо было переписывать на компьютер.

В середине 90-х годов появился новый вид памяти, получивший название сменной памяти. Сменная память используется в цифровых фотоаппаратах для увеличения количества сохраняемых кадров. Она представляет собой небольшие карточки, которые вставляются в камеру. Она энергонезависима, то есть для хранения записанной на нее информации не нуждается в питании. Фактически она больше похожа на жесткий диск, используемый в компьютере, только очень маленьких размеров и с меньшим объемом.

Наличие в фотоаппарате возможности использовать сменную память можно считать существенным плюсом, так как можно самому регулировать (правда, путем дополнительных денежных вложений) емкость цифрового фотоаппарата. Примеры сменных карт памяти приведены на рис. 9.

Рис. 9. Примеры сменных карт памяти

Статьи к прочтению:

• Основные элементы интерфейса coreldraw x6
• Основные этапы проведения аудита

Устройство зеркального фотоаппарата

Похожие статьи:

• Общие сведения об устройстве цифрового фотоаппарата

  СЪЕМКА ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОГО ФОТОАППАРАТА Цель работы:изучение процесса фотосъемки объектов и монтажа учебных дидактических материалов с помощью…

• Как нужно выбирать цифровой фотоаппарат???

  Именно этот параметр измеряется в мегапикселях, количество которых зачастую ошибочно считается многими чуть ли не главным показателем в вопросе как…

Получение изображения в аналоговом фотоаппарате

Основные части аналогового фотоаппарата
	Фотоаппаратом называется прибор, для осуществления фотосъемки — первого из процессов получения изображения фотографическим способом.
		Фотоаппарат, как средство фиксации и сохранения видимого глазом облика окружающего мира, принципиально не изменился за более чем полторы сотни лет своего существования. Объектив для фокусировки изображения на «запоминающий элемент»; коробка, ограничивающая ненужные для формирования изображения потоки света; видоискатель для «построения изображения» в пределах чувствительного элемента и сам чувствительный и запоминающий элемент - все это и сейчас является основой пленочного или цифрового фотоаппарата. Основа конструкции фотоаппарата — корпус, внутренние перегородки которого образуют в средней его части светонепроницаемую камеру. По обе стороны камеры находятся гнезда для размещения кассет, или катушек с фотопленкой. Задняя стенка имеет вид рамки, которая называется кадровой. С внешней стороны к кадровой рамке прижимается пластина, выравнивающая фотопленку. Пластина крепится на плоских пружинах к задней крышке (стенке) корпуса.  На верхнем щитке корпуса находятся рычаг (курок) взвода затвора и покадрового перемещения фотопленки, головка, или ручка, обратной перемотки фотопленки, окно счетчика кадров, головка установки выдержек. Там же у некоторых фотоаппаратов размещены крышка пентапризмы, калькулятор экспонометрического устройства.
	Основные части фотоаппарата: 1) фотопленка; 2) корпус; 3) затвор; 4) объектив; 5) диафрагма.
	На передней стенке корпуса расположены объектив, окно видоискателя, рычаг автоспуска. В нижней части корпуса имеется гнездо с резьбой для установки фотоаппарата на штатив. Из-за различия типов фотоаппаратов дать обобщенное описание их конструкций довольно сложно.  Почти у всех фотоаппаратов покадровое перемещение фотопленки и отсчет кадров выполняются одновременно с взводом затвора при повороте взводного рычага (его называют также курком, или рукояткой). Чтобы исключить возможность повторной съемки на один и тот же кадр, механизм затвора после нажатия спусковой кнопки блокируется до тех пор, пока не будет переведен кадр. После того как вся фотопленка отснята, ее перематывают обратно в кассету и вынимают из фотоаппарата.
	Объектив, или съёмочный объектив, — основная и обязательная часть любого фотоаппарата. Объектив формирует световое изображение объекта съёмки и проецирует его на светочувствительный слой фотоматериала. Объектив фотоаппарата состоит из нескольких (до 10 и более) линз, обычно заключенных в металлическую или пластмассовую оправу, внутри которой размещается также механизм диафрагмы, а иногда и фотографический затвор. Получение оптического изображения в аналоговом фотоаппарате >>>
	Видоискатель (визир) представляет собой устройство для определения границ пространства, которое будет изображено объективом при съемке. Поэтому угловое поле зрения видоискателя должно быть таким же, как у съемочного объектива, а линия визирования совпадать с оптической осью объектива.  Если линия визирования и оптическая ось объектива не совпадают, то границы изображения, наблюдаемого в видоискателе, не совпадут с границами изображения на фотопленке (рис. 9). Такое несовпадение называется параллаксом, а соответствующие видоискатели – параллаксными. Параллакс не проявляется при съемке удаленных предметов и становится заметным при съемке с расстоянием ближе 5-7 м. Чем меньше расстояние, тем заметнее параллакс.  По устройству видоискатели разделяют на рамочные, телескопические и зеркальные (рис. 10).  Рамочные видоискатели применяют в простых фотоаппаратах и в боксах для подводных съемок. Они позволяют видеть определенный участок пространства, ограниченный рамкой, на фоне общей панорамы. Такие видоискатели удобны при различных оперативных съемках, поэтому их применяют на некоторых сложных фотоаппаратах как дополнительные.
		Телескопические видоискатели, в отличие от рамочных содержат две (объектив и окуляр) или три линзы; их оптическая схема аналогична схеме простого бинокля, но линзы расположены так, что они дают не увеличенное, а несколько уменьшенное изображение. Это позволяет при небольших размерах видоискателя видеть пространство в пределах углового поля зрения съемочного объектива. Такие видоискатели показывают границы фотографируемого пространства точнее рамочных и потому получили широкое распространение. Телескопический видоискатель обычно встроен в корпус фотоаппарата над съемочным объективом или сбоку от него и является параллаксным, т. е. позволяет видеть объект съемки несколько под другим углом, чем его «видит» объектив. При съемках с расстояния менее 2 м это становится заметным на снимках. В зеркальных видоискателях световые лучи, прошедшие объектив, отражаются зеркалом на матированную поверхность стеклянной пластины или коллективной линзы, которой при этом образуется оптическое изображение наблюдаемого объекта. Фотоаппараты с такими видоискателями называются зеркальными. В зависимости от схемы видоискателя различают зеркальные фотоаппарат однообъективные и двухобъективные. У однообъективных фотоаппаратов основной съемочный объектив служит одновременно и объективом видоискателя. В этом случае фотограф видит в видоискателе то же изображение, какое окажется на фотопленке. В однообъективных зеркальных фотоаппаратах параллакса нет; объект съемки наблюдают через съемочный объектив. На матированной поверхности стеклянной пластины или коллективной линзы изображение объекта съемки наблюдается в перевернутом виде («вверх ногами»). Чтобы изображение было прямым, между коллективной линзой и окуляром видоискателя помещают оборачивающую пентапризму. Такой видоискатель создает не зеркально-обращенное, а прямое изображение объекта съемки, рассматриваемое с уровня глаз.
	Фотографический затвор представляет собой устройство, обеспечивающее в фотоаппарате доступ света к фотопленке, при экспонировании. Он состоит из световых заслонок, механизма установки выдержки и привода, обеспечивающего перемещение заслонок. Различные типы затворов можно сгруппировать по некоторым общим признакам. Основной из них — способ пропускания света. По этому признаку затворы делят на центральные и щелевые. Световые заслонки центральных затворов выполняют в виде тонких лепестков сложной формы, которые расходятся от центра светового отверстия объектива к его краям, открывая доступ света к фотопленке, а затем возвращаются обратно, закрывая это отверстие. Заслонки щелевых затворов имеют вид шторок, ламелей (прямоугольных пластинок) или секторов. Имеется либо две шторки, либо две группы ламелей, из которых одна открывает кадровое окно, а другая закрывает его. Свет проходит к фотопленке через щель между шторками. Лепестки центральных затворов расположены между линзами объектива, либо возле объектива перед его первой или за последней линзой. Такие затворы называются апертурными и разделяются на межлинзовые, фронтальные и залинзовые. Заслонки щелевых затворов расположены возле фокальной плоскости, перед кадровым окном; такие затворы называют фокально-плоскостными. Большинство затворов имеет автоспуск и синхроконтакт. Автоспуск — устройство, обеспечивающее автоматическое срабатывание затвора с задержкой до 10—12 с после нажатия спусковой кнопки. Автоспуском обычно пользуются в тех случаях, когда непосредственное нажатие спусковой кнопки невозможно или нежелательно, например при съемке автопортрета. После взвода затвора обычным способом взводят автоспуск и нажимают его пусковую кнопку. В течение 10—12 с фотолюбитель может занять место перед фотоаппаратом и таким образом сфотографировать самого себя. Синхроконтакт представляет собой устройство для включения лампы-вспышки в определенный момент работы затвора. К фотоаппарату ее присоединяют с помощью коаксиального кабеля и штекерного гнезда на корпусе фотоаппарата или плоского контакта в держателе для фотопринадлежностей. В лампах-вспышках одноразового действия имеется фольга, сгорающая в кислородной среде при включении лампы в цепь электропитания. Интенсивность излучения света нарастает постепенно, и поэтому требуется включение лампы с некоторым упреждением. В последние годы все большее распространение получают так называемые электронные и электромеханические затворы, в которых заслонки имеют пружинный привод, а длительность выдержек регулируется электронной схемой. Уменьшение числа механических деталей, в частности подвижных, позволяют повысить стабильность и надежность таких затворов. Экспонометрическое устройство в фотоаппарате предназначено для определения выдержки и диафрагмы, необходимых для съемки с учетом яркости (или освещенности) объекта и светочувствительности фотопленки. Чем больше открыта диафрагма, тем выше освещенность фотопленки, а чем больше выдержка, тем дольше воздействие света на пленку. Поэтому экспозиция определяется как количество освещения Н=E * t, где E — освещенность, лк; t — выдержка, с.  Наиболее точные данные на основе измерения яркости объекта с учетом светочувствительности фотопленки обеспечивают фотоэлектрические экспонометры.   Они могут быть в виде ручных приборов, а также как устройства, входящие в конструкцию фотоаппарата.
	В зависимости от формата кадра фотоаппараты делятся на: Малоформатные (ширина пленки 35 мм, размер кадра 24х36 мм) Среднеформатные (ширина пленки 61,5 мм) Крупноформатные (размер кадра 9х12 см) Большинство современных фотоаппаратов относится к малоформатным с размером кадра 24х36 мм. При правильной обработке негатива 24х36 мм можно получать отпечатки с двадцатикратным увеличением. Это вполне устраивает как любителей, так и профессионалов. По сравнению с малоформатными камерами среднеформатные имеют большие размеры и вес и стоят намного дороже. Стоимость применяемых с ними фотоматериалов и их обработки тоже выше. В этих камерах меньше систем автоматического управления, вследствие чего требуется больше времени на подготовку к съемке. Однако профессионалы всего мира покупают именно их. Дело в том, что у этих камер есть одно преимущество, перевешивающее все недостатки: намного более высокое качество получаемой фотографии . Под термином средний формат подразумевается несколько различных форматов, причем камеры позволяют получать изображения двух, трех и более форматов. Стандартный ряд средних форматов выглядит следующим образом: 6х4,5, 6х6, 6х7, 6х8, 6х9 см. Помимо качества изображения, применение среднего формата дает и другие преимущества. Одно из них — используемая в большинстве камер система сменных кассет-магазинов для пленки, позволяющая фотографу менять пленку, не дожидаясь, пока она закончится, и, не теряя кадров, переходить с одного формата на другой.
На главную | Предпосылки изобретения фотографии | Камера-обскура | Первые снимки в мире | Дальнейшее развитие светописи    Аналоговые фотоаппараты | Получение изображения аналоговым фотоаппаратом  | Цифровые фотоаппараты Фиксация изображения цифровым фотоаппаратом |  История цифровой пленки | Информационные источники

Как создается изображение?

Введение

Камеры — это невероятные инструменты, которые позволяют нам захватывать и понимать видимый мир вокруг нас. Большинство современных мобильных телефонов оснащены камерой, а это означает, что больше людей, чем когда-либо, знакомятся с программным обеспечением камеры и делают снимки. Но одно из самых больших применений камер — это научная визуализация, чтобы делать изображения для научных исследований. Для этих приложений нам нужны тщательно изготовленные научные камеры.

Что такое свет?

Наиболее важным аспектом научной камеры является способность быть количественным , измеряя определенные количества чего-либо. В этом случае камера измеряет световых , и самая основная измеряемая единица света — фотонов .

Фотоны — это частицы, составляющие все типы электромагнитного излучения, включая видимый свет и радиоволны, как показано на рис. 1 . Одной из наиболее важных частей этого спектра для визуализации является видимый свет , который колеблется от 380-750 нанометров , как показано на вставке Рисунок 1 .

Рисунок 1: Электромагнитный спектр. Этот спектр показывает, какая форма излучения создается фотонами с разными длинами волн и частотами, при этом фотоны с более высокой частотой имеют более высокую энергию и более низкую длину волны, и наоборот. С увеличением длины волны/уменьшением частоты/уменьшением энергии спектр включает гамма-лучи (греческая буква гамма: γ), рентгеновские лучи, ультрафиолетовое (УФ), видимый свет (более подробный спектр показан на вставке), инфракрасное (ИК), микроволновое , стандартные радиоволны (включая коммерческие радиочастоты с частотной модуляцией FM и амплитудной модуляцией AM) и длинные радиоволны. Длина волны показана величиной 10 в метрах, частота — величиной 10 в Гц. Для видимого спектра разные длины волн дают разные цвета, в том числе фиолетовый (V, 380-450), синий (B, 450 495), зеленый (G, 495-570), желтый (Y, 570 590), оранжевый (O, 590-620), красный (R, 620-750), все длины волн в нанометрах (нм). Изображение с Викисклада.

Поскольку микроскопы обычно используют видимый, инфракрасный (ИК) или ультрафиолетовый (УФ) свет в виде лампы или лазера, научная камера, по сути, представляет собой устройство, которое должно обнаруживать и подсчитывать фотоны с помощью датчика .

Датчики

Датчик для научной камеры должен быть в состоянии обнаруживать и подсчитайте фотонов, а затем преобразуйте их в электрические сигналы. Это включает в себя несколько шагов, первый из которых включает обнаружение фотонов. В научных камерах используется фотодетекторов , где фотоны, попавшие на фотодетектор, преобразуются в эквивалентное количество электронов. Эти фотодетекторы обычно изготавливаются из очень тонкого слоя кремния . Когда фотоны от источника света попадают на этот слой, они превращаются в электроны. Компоновку такого датчика можно увидеть на Рисунок 2 .

Пиксели сенсора

Однако наличие всего одного блока кремния означало бы, что обнаружение возможно, но не локализация. Разделив кремниевый слой на сетку из множества крошечных квадратов, фотоны могут быть обнаружены и локализованы. Эти крошечные квадраты называются пикселей , и технология развилась до такой степени, что вы можете разместить на сенсоре миллионов из них. Когда камера рекламируется как имеющая 1 мегапиксель, это означает, что датчик представляет собой массив из одного миллиона пикселей, сетку 1000×1000.

Рис. 2: Сечение сенсора камеры. Сначала свет попадает на микролинзу (вверху изображения), которая фокусирует свет на кремниевом пикселе (внизу изображения). Область датчика за пределами этого светового пути заполнена встроенной электроникой и проводкой.

Чтобы разместить больше пикселей на сенсорах, пиксели стали очень маленькими , но, поскольку пикселей миллионы, сенсоры по-прежнему довольно велики по сравнению с ними. Камера Prime BSI имеет 6,5 мкм квадратных пикселей (42,25 мкм ² области) расположены в виде массива 2048 x 2048 пикселей (4,2 миллиона пикселей), в результате чего размер сенсора 13,3 x 13,3 мм и диагональ 18,8 мм . Между тем, Prime 95B имеет тот же сенсор с диагональю 18,8 мм, но с 11 мкм квадратных пикселей (площадь 121 мкм ² ) в массиве 1200 x 1200 (1,4 миллиона пикселей). Таким образом, у Prime 95B меньше пикселей сенсора (снижается максимальное разрешение изображения), но площадь каждого пикселя в 3 раза больше (повышается чувствительность).

Уменьшение пикселей сенсора позволяет разместить на сенсоре больше, но если пиксели станут слишком маленькими, они не смогут обнаружить столько фотонов, что вводит концепцию компромисса в конструкции камеры между разрешением и чувствительностью . Один из вариантов для рассмотрения — binning , о котором речь в отдельной статье. По этим причинам общий размер сенсора, размер пикселя и количество пикселей тщательно оптимизированы в конструкции камеры. При принятии решения о том, какую научную камеру приобрести, размер пикселя является важным показателем, который важно учитывать.

Генерация изображения

При воздействии света каждый пиксель сенсора определяет, сколько фотонов входит в контакт с ним. Это дает карту значений, где каждый пиксель обнаружил определенное количество фотонов. Этот массив измерений известен как растровое изображение и является основой всех научных изображений, сделанных камерами, в зависимости от уровня сигнала эксперимента и приложения. Растровое изображение сопровождается метаданными , которые содержат всю другую информацию об изображении, такую ​​как время его съемки, настройки камеры, настройки программного обеспечения для обработки изображений и информацию об оборудовании микроскопа.

Ниже приведены процессы, связанные с созданием изображения из света с помощью научной камеры:

1. Фотоны, попавшие на сенсор, преобразуются в электронов (называемых фотоэлектронами ).
   • Скорость этого преобразования известна как квантовая эффективность (QE) . При QE 50% только и половина фотонов будут преобразованы в электроны, и информация будет потеряна.
2. Сгенерированные электроны хранятся в лунка в каждом пикселе, что дает количественное количество электронов на пиксель
   • Максимальное количество электронов, которое может храниться в лунке, известно как полная емкость лунки , которая определяет динамический диапазон датчик.
3. Заряд электрона в лунке каждого пикселя усиливается в читаемое напряжение, это аналоговый сигнал .
4. Аналоговый сигнал преобразуется из напряжения в цифровой сигнал с аналого-цифровой преобразователь (АЦП) . Этот произвольный цифровой сигнал известен как уровень серого , поскольку большинство научных камер являются монохромными.
   • Скорость этого преобразования известна как усиление . При коэффициенте усиления 1,5 100 электронов преобразуются в 150 уровней серого.
5. битовая глубина камеры определяет, сколько уровней серого доступно для преобразования сигнала, 12-битная камера имеет 4096 (2 ¹² ) доступных уровней серого, 16-битная камера имеет 65 536 (2 ¹⁶ ).
   • Битовая глубина также определяет полную емкость скважины и, следовательно, динамический диапазон.
6. Карта уровней серого отображается на мониторе компьютера в программном обеспечении обработки изображений в виде изображения.
   • Сгенерированное изображение зависит от настроек программного обеспечения , таких как яркость, контрастность и т. д.

Эти шаги визуализируются в Рисунок 4 .

Рисунок 4: Процесс получения изображения научной камерой. Фотоны воздействуют на датчик, который производит фотоэлектроны, скорость производства известна как квантовая эффективность. Эти электроны попадают в яму каждого пикселя и подсчитываются, усиливаются и преобразуются в уровни серого аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Эти уровни серого затем отображаются на мониторе компьютера, при этом внешний вид изображения контролируется настройками дисплея в программном обеспечении (контрастность, яркость и т. д.).

Таким образом, фотоны преобразуются в электроны, которые преобразуются в цифровой сигнал и отображаются в виде изображения. Эти основные этапы получения изображений с помощью научной камеры одинаковы для всех современных технологий камер, но существует несколько различных типов архитектуры и дизайна датчиков.

Типы датчиков камеры

Датчики камеры являются сердцем камеры, и за эти годы они подверглись многочисленным изменениям. Исследователи постоянно ищут более совершенные датчики, которые могут улучшить их изображения, повышая качество разрешение , чувствительность , поле зрения и скорость . Три основные технологии датчиков камеры:

• Устройство с зарядовой связью (ПЗС)
• Устройство с зарядовой связью с электронным умножением (EMCCD)
• Комплементарный металл-оксид-полупроводник (КМОП)

Каждый из этих датчиков обсуждается подробно в нашей следующей статье Типы сенсоров камер

Резюме

Научная камера является жизненно важным компонентом любой системы обработки изображений. Эти камеры рассчитаны на количественно измерить, сколько фотонов попало в какую часть сенсора камеры. Фотоны генерируют электроны (фотоэлектроны), которые сохраняются в пикселях сенсора и преобразуются в цифровой сигнал, который отображается в виде изображения. Этот процесс оптимизируется на каждом этапе для получения наилучшего возможного изображения в зависимости от принимаемого сигнала.

Как делают камеры | Фотография

Давайте посмотрим на внутреннюю работу обычной зеркальной фотокамеры. Камера состоит из светонепроницаемой коробки, пропускающей немного света в нужный момент. Когда свет попадает в камеру, он создает изображение, вызывая химические реакции в фотопленке.

В 1974 году Гарет Ллойд, руководитель Kodak, спросил инженера-электрика Стивена Сассона, может ли он сделать камеру с датчиком изображения, используя высокоскоростные проводники. Устройство Сассона преобразовывало изображение в электронный сигнал, оцифровывало его и сохраняло в памяти. В этом процессе камера Polaroid разработала напечатанную фотографию за одну минуту, воспроизведя то, что было снято объективом камеры, и поместив ее в виде фотографии на светочувствительную поверхность (пленку).

Основываясь на изобретении инженера-электрика Стивена Сассонса, Kodak выпустила собственную цифровую однообъективную камеру с 13-мегапиксельным сенсором и внешним запоминающим устройством емкостью до 200 МБ в 1991. Стоивший 13 000 долларов, он не имел коммерческого успеха, но стал отличным стимулом для цифровой фотографии и с тех пор привел к появлению компактных камер для микроскопов, камер для мобильных телефонов и компактных цифровых камер.

Первая камера с датчиком изображения и пленкой была изобретена компанией Kodak и инженером по имени Стивен Сассон. В 1948 году Эдвин Лэнд представил свою камеру Polaroid, которая позволяла фотографам делать фотографии и распечатывать их за считанные минуты. В 1950-х годах многие другие японские бренды фотоаппаратов начали производить зеркальные фотоаппараты, такие как Canon и Nikon.

Изобретение рулонной пленки Джорджем Истманом в 1889 году и изготовленные им камеры сделали фотографирование популярным хобби. Кроме того, фотография стала более портативной, поскольку камерам и их операторам не нужно было носить с собой раздражающие пластины и химикаты. Самой ранней камерой была камера-обскура, адаптированная во Франции Жозефом-Нисефором Ньепсом и Луи-Жаком Манде-Дагером для постоянных изображений в 1820-х и 1830-х годах.

Проще говоря, камера представляет собой коробку, в которую может проникать свет и попадать на светочувствительную поверхность. Камеры могут быть модифицированы для включения системы транспортировки пленки, для которой требуется катушка, намотчик, рычаг для затягивания рольставни и рольставни.

Некоторые из них более сложны, чем другие, но обычно свет попадает в камеру одним и тем же путем. Камеры имеют различные механизмы для управления тем, как свет падает на светочувствительные поверхности фотопленок и цифровых датчиков. Изображение, просматриваемое камерой, является либо оптическим, либо электронным (через видоискатель или электронный экран), и это одна из особенностей, которая отличает различные типы камер.

Цифровые и пленочные камеры имеют общую оптическую систему, в которой используется объектив с переменной апертурой для фокусировки света и устройство записи изображения. В отличие от пленочных камер, цифровые пленочные камеры отображают изображения на экране и записывают, сохраняют и удаляют изображения из памяти. Цифровые камеры также могут кадрировать, сшивать изображения и выполнять другие элементарные действия по редактированию изображений.

Объектив камеры улавливает свет объекта и направляет его на сенсор. Конструкция и производство объектива имеют решающее значение для качества получаемых фотографий. Технологическая революция в дизайне фотоаппаратов в 19 веке произвела революцию в производстве оптического стекла и дизайне линз, но самым большим преимуществом современного производства линз является широкий спектр оптических инструментов, которые можно считывать через стеклянные микроскопы.

Диафрагмы, апертуры и апертуры регулируют количество света, попадающего в камеру через объектив, тем самым ограничивая экспозицию пленки. Апертура может варьироваться по сложности от фиксированной апертуры объектива до простой апертуры камеры, которую можно регулировать. Линза изготовлена ​​из стекла или пластика с группой стеклянных элементов, сфокусированных так, что свет может проходить через нее и через пленку для воспроизведения изображения.

Для любой камеры необходимы еще два элемента: пленочный слой и затвор. Без слоя пленки и затвора мы не смогли бы захватывать изображения и контролировать количество падающего на них света. В цифровых камерах пленочные слои стали цифровыми датчиками, но концепция и назначение остались прежними.

Корпус камеры представляет собой светонепроницаемую коробку, позволяющую фиксировать свет на пленке, бумаге и цифровом датчике. Камеры прошли долгий путь с момента своего скромного появления, но блок камеры контролирует количество света, попадающего на каждую пленку и датчик. Если разобрать камеру, основными элементами являются: корпус камеры — светочувствительная поверхность, пленка и цифровой датчик — поверхности.

Свет объекта или предмета проходит через одну или несколько линз камеры. Корпуса камер бывают разных стилей, форм и форматов, многие из которых подходят практически для любого применения.

Объектив камеры улавливает отражающиеся световые лучи и с помощью стекла перенаправляет их в одну точку, создавая четкое изображение.