НОУ ИНТУИТ | Лекция | Устройство цифрового фотоаппарата
< Лекция 12 || Лекция 5: 1234
Аннотация: Современный цифровой фотоаппарат — сложное электронное устройство, объединяющее в одном конструктиве множество технологий. Разобраться в них — значит, понять принцип работы самой камеры. Что в конечном результате позволит в полной мере освоить съемочную технику.
Ключевые слова: ПО, место, поток, стоимость, надежность, дисплей, кадрирование, Телескопический видоискатель, кадр, площадь, поле, прямой, цифровой фотоаппарат, отрезок, расстояние, диапазон, активный, Оптический дальномер, объект, энергопотребление, пассивный, множества, сенсор, значение, меню
Цель лекции — рассказать об устройстве и принципе действия основных узлов цифрового фотоаппарата.
Конструкция цифрового фотоаппарата во многом повторяет конструкцию пленочной камеры. Фотоаппараты для узкой 35-мм пленки в зависимости от устройства видоискателя подразделяются на шкальные камеры с установкой резкости по шкале, нанесенной на фокусировочное кольцо объектива, на дальномерные камеры, в которых объектив наводится на фокус при помощи оптического дальномера, и на зеркальные фотоаппараты, в которых фокусировка объектива производится по изображению на матовом стекле, встроенном в оборачивающую пентапризму.
По типу основного объектива пленочные фотоаппараты подразделяются на камеры со сменным объективом и на фотоаппараты с жестковстроенным объективом.
Рис. 5.1. Пленочный шкальный фотоаппарат Voigtlander Bessa-L
Цифровые фотоаппараты в целом соответствуют устоявшейся классификации пленочных камер.
Правда, есть и отличия — наряду с «настоящими» зеркальными фотоаппаратами встречаются и камеры «псевдозеркальные», не имеющие аналогов среди пленочной аппаратуры. В «псевдозеркальных» цифровых фотоаппаратах функцию подъемного зеркала выполняет расщепляющая световой поток призма, расположенная между объективом и светочувствительным сенсором. Призма обладает свойством полупрозрачности. Часть светового потока используется в подобных камерах для построения изображения на матовой поверхности оборачивающей пентапризмы, часть — для экспонирования сенсора. В результате страдает светочувствительность сенсоров «псевдозеркальных» фотоаппаратов (оптические потери приходится компенсировать электронным способом), но упрощается конструкция камеры, уменьшается стоимость и одновременно повышается надежность, поскольку нет механического узла подъема зеркала. Пример подобной «псевдозеркальной» камеры выпускавшийся несколько лет назад фотоаппарат Hewlett-Packard PhotoSmart C912, сконструированный совместно с компанией Asahi Optical, выпускающей фототехнику марки Pentax.
Рис. 5.2. Цифровой фотоаппарат Hewlett-Packard PhotoSmart C912
С другой стороны, среди цифровых фотоаппаратов есть камеры, напрочь лишенные оптического видоискателя. Вместо телескопического или зеркального видоискателя в них используется встроенный контрольный дисплей, выполняющий функции матового стекла, по которому можно судить о компоновке кадра и наводке на резкость. Еще необычней устроены видоискатели дорогих фотоаппаратов просьюмерского класса (то есть предназначенных для требовательных фотолюбителей), вроде той же камеры Sony DSC-R1. В эти фотоаппараты помимо большого контрольного дисплея встроен цветной дисплей очень небольшого размера, который выполняет функции окуляра телескопического видоискателя. То есть кадрирование и проверка наводки объектива на фокус осуществляется по небольшому, размером с почтовую марку, дисплею, который рассматривают через увеличительную линзу, приближая окуляр видоискателя к глазу.
Дальше >>
< Лекция 12 || Лекция 5: 1234
Фокусировочное устройство. Практическая фотография
Фокусировочное устройство
Для осуществления наводки на резкость объективы в фотоаппаратах обычно устанавливают в винтовых или червячных оправах, позволяющих передвигать объективы в известных пределах вперед и назад, в зависимости от расстояния, с которого производится съемка.
Существует и другой способ наводки: перемещение не всего объектива, а только передней его линзы так, что расстояние между объективом и поверхностью пленки не изменяется, но изменяется расстояние между линзами объектива.
Такой способ наводки на резкость основан на принципе работы нашего глаза. Объектив часто называют глазом фотоаппарата. Однако правильнее было бы сравнить с глазом весь фотоаппарат. Тогда объектив можно было бы сравнить с хрусталиком глаза, и это сравнение было бы действительно верным. Взгляните на рис. 31 и вы увидите, как велико сходство фотоаппарата с глазом.
Рис. 31. Фотоаппарат подобен глазу
Подобно тому, как объектив «рисует» изображение на пленке, хрусталик нашего глаза, представляющий собой маленькую собирательную линзу, «рисует» изображение предметов на сетчатой оболочке глаза.
Глазное яблоко не обладает способностью ни удлиняться ни сокращаться, однако это не мешает нам видеть одинаково резко как очень близкие, так и очень далекие предметы. Объясняется это способностью хрусталика менять выпуклость своих поверхностей и тем самым изменять свое фокусное расстояние.
По мере выдвижения передней линзы фокусное расстояние объектива уменьшается, что дает возможность приблизить фотоаппарат к объекту съемки и получить его резкое изображение на пленке в более крупном плане. Так, в частности, устроен фотоаппарат «Любитель-2».
Но для осуществления наводки на резкость наличия этих устройств еще недостаточно. Необходимо фокусировочное устройство, позволяющее в каждом отдельном случае найти точное положение объектива.
Существует несколько таких устройств, принципиально различных. Каждое из них имеет свои особенности, свои преимущества и недостатки. Зная эти особенности, вы гораздо легче решите, какой из фотоаппаратов для вас более удобен.
Простейшее из этих устройств — шкала расстояний. Вы уже знаете, что каждому расстоянию от фотоаппарата до объекта съемки соответствует строго определенное расстояние между объективом и фотопленкой, при котором изображение предмета получается резким. Это дает возможность заранее рассчитать и нанести на оправу объектива шкалу, с помощью которой можно производить наводку на резкость. На разных объективах шкала расстояний имеет различный ряд цифр. На нормальных объективах малоформатных камер она может иметь такой вид:
Цифры шкалы показывают расстояние от фотоаппарата до объекта съемки в метрах. Чтобы произвести наводку на резкость, следует определить расстояние до фотографируемого предмета и совместить указатель с цифрой шкалы, соответствующей этому расстоянию.
Если же предмет находится достаточно далеко (например, для приведенной здесь шкалы дальше 20 м), то объектив устанавливают на знак оо. Это принятый в математике знак бесконечности, и такая установка объектива называется установкой на бесконечность.
Точность фокусирования объектива с помощью шкалы расстояний зависит от того, насколько точно вы умеете определять расстояние на глаз. Но опыт показывает, что благодаря глубине резкости объектива небольшие ошибки при определении расстояния существенного значения не имеют.
Шкала расстояний есть на объективах всех фотоаппаратов, независимо от того, имеется в них какое-либо иное устройство для наводки на резкость или нет. Таким образом, наводку на резкость с помощью шкалы расстояний можно производить любым фотоаппаратом, и этим успешно пользуются опытные фотолюбители и фоторепортеры, особенно при съемке событий. При такой съемке дорога каждая секунда, а наводка на резкость с помощью шкалы расстояний осуществляется гораздо быстрее, чем с помощью других устройств.
Рис. 32. Шкала и значение символов для наводки на резкость
Глубина резкости, связанная с величиной отверстия диафрагмы и расстоянием до снимаемого объекта, позволила еще более упростить способ наводки на резкость и вместо шкалы расстояний, содержащей целый ряд цифр, применить символическую шкалу, состоящую всего из трех или четырех, например, таких символов: «Крупный план», «Портрет», «Группа» и «Пейзаж» (рис. 32).
Чтобы произвести наводку на резкость с помощью такой шкалы, достаточно установить объектив на тот или иной символ.
Наличие такой шкалы, конечно, не означает, что фотоаппарат пригоден для съемки только указанных на ней объектов, и понимать эти символы в буквальном смысле, безусловно, не следует. Они выбраны как наиболее часто встречающиеся в практике фотолюбителей и наиболее характерные в том смысле, что портреты обычно снимаются с относительно небольшого расстояния — 1-1,5 м, группы — с несколько большего, примерно от 3 до 4 м, а пейзажи — с расстояния не ближе 8 м.
Таким образом, фотографируя любые объекты, расположенные на указанных расстояниях, надо руководствоваться этими расстояниями и относить объекты к тому или иному символу. Так, снимая объект, размеры которого требуют съемки с расстояния 3-4 м, следует пользоваться символом «Группа», а снимая здание или другое крупное сооружение, — символом «Пейзаж».
На чем же основан такой способ наводки? Прежде всего на глубине резкости объектива, которая даже и при сравнительно больших отверстиях диафрагмы обеспечивает получение достаточно резких негативов при съемке с указанных расстояний. В расчет принято и то, что при наибольшем отверстии диафрагмы снимают очень редко. Объектив почти всегда диафрагмируют.
Конечно, при таком упрощенном способе наводки на резкость возможны ошибки, избежать которые можно, только умело пользуясь шкалой символов и диафрагмой. Во всяком случае, способ прост и, как показывает опыт, вполне применим.
В разных фотоаппаратах символы могут несколько отличаться по своим изображениям и по расстояниям, которым они соответствуют.
Гораздо более точен способ наводки на резкость с помощью оптического дальномера. Аппараты с таким способом наводки называются дальномерными.
Дальномерами вообще называются приборы, предназначенные для определения расстояния от наблюдателя до наблюдаемого объекта. Это оптические приборы, действие которых основано на том, что если смотреть на какой-нибудь предмет с двух точек: А и В, отстоящих одна от другой на некотором расстоянии (рис. 33) и так, чтобы угол а всегда был прямым, то, в зависимости от расстояния, от точки А до наблюдаемого предмета угол b будет изменяться. Чем дальше будет расположен предмет, тем угол b будет больше. Следовательно, по величине угла b можно определить расстояние до предмета.
Рис. 33. Принцип действия дальномера
Расстояние между точками наблюдения А и В называется базой дальномера. Чем больше эта база, тем точнее может работать прибор.
Рассмотрим одну из схем устройства и действия оптического дальномера. Прибор состоит из двух зеркал: 1 и 2, расположенных, как показано на рис. 34. Зеркало 1 — обычное. С помощью держателя оно укреплено на оси 3 и может поворачиваться вокруг нее на некоторый угол. Зеркало 2 — полупрозрачное и представляет собой светоделительную пластинку, покрытую тончайшим слоем зеркальной амальгамы. Это зеркало не только отражает свет, но и частично пропускает его.
Рис. 34. Схема устройства оптического дальномера
При работе с таким дальномером смотрят одним глазом на предмет через полупрозрачное зеркало 2. При этом изображение предмета в глазу получается сдвоенным за счет двух пучков лучей, из коих один попадает в глаз, 1 пройдя через зеркало 2, а второй — на зеркало 7, отражается от него, падает на зеркало 2 и, отразившись от него, также попадает в глаз.
Однако зеркало 2 можно повернуть так, что второй пучок лучей совпадет с первым, как показано на рисунке.
Тогда изображение предмета в глазу не будет двойным, так как контуры двух изображений сольются.
Глядя на рисунок, нетрудно понять, что если приблизить дальномер к наблюдаемому объекту, не изменяя положения зеркала 7, то, согласно закону отражения света, лучи, падающие на это зеркало, отразившись от него, уже не совпадут с лучами, проходящими через зеркало 2, как показано пунктиром. Изображение предмета раздвоен, и, чтобы вновь совместить контуры двух изображений, придется немного повернуть зеркало 1 вокруг оси 3 против часовой стрелки. Если же удалиться от наблюдаемого предмета, то для совмещения контуров изображения зеркало 1 придется повернуть в обратном направлении.
Таким образом, каждому расстоянию от наблюдателя до предмета будет соответствовать какое-то одно положение зеркала 1. Если к держателю этого зеркала прикрепить указательную стрелку 4, поместить у ее конца шкалу и сградуировать эту шкалу соответственно различным расстояниям, то, пользуясь указательной стрелкой, можно будет с достаточной точностью определить расстояние до предмета.
Конструктивно дальномеры, применяемые для фотографических целей, различны, но все они действуют по описанному принципу. При этом возможны два способа использования дальномера. Пользуясь дальномером как отдельным вспомогательным прибором, можно определять расстояние до фотографируемого предмета, а затем соответственно устанавливать объектив фотоаппарата по шкале расстояний. Но технически вполне возможно соединить механизм дальномера с оправой объектива. В этом случае не потребуется совершать две отдельные операции (определение расстояния и установку объектива) — они совместятся в одну и тогда наводку на резкость можно будет производить с помощью самого фотоаппарата. Так устроены фотоаппараты «Зоркий», ФЭД и др.
Связь дальномера с фокусировочным устройством основана на том, что при наводке на резкость объектив совершает поступательное движение. Это движение и используется для приведения в действие подвижных деталей механизма дальномера.
В зависимости от конструкции дальномера несколько изменяется наблюдаемая в нем картина.
Например, в фотоаппаратах «Зоркий», ФЭД и некоторых других поле зрения дальномера имеет круглую форму. В центре этого поля виден кружок, обычно слегка окрашенный, в пределах которого происходит раздвоение и слияние контуров изображения (рис. 35). В некоторых фотоаппаратах, например марки «Киев», поле зрения и его центральная часть имеют прямоугольную форму. Встречаются фотоаппараты, в которых происходит не раздвоение контуров, а некоторый сдвиг изображения в центральной части по отношению к окружающему полю.
Рис. 35. Что видит глаз в дальномере при неточной и точной наводке на резкость
Характер изображения, наблюдаемого в дальномере, не играет роли при выборе фотоаппарата. Практически не имеет существенного значения и база дальномера. Все дальномеры, если они исправны, работают точно.
Перемещая объектив, добиваются полного слияния контуров изображения, видимого в дальномере. Этому положению соответствует точная наводка на резкость.
В дальномерных фотоаппаратах первых выпусков дальномер и видоискатель представляли собой два отдельных конструктивных узла и каждый имел свой окуляр, так что во время съемки приходилось совершать две раздельные операции: сначала производить наводку на резкость, глядя в окуляр дальномера, а затем переводить глаз к окуляру видоискателя и нацеливать аппарат на фотографируемый объект.
Но уже во втором поколении дальномерных аппаратов видоискатель и дальномер были объединены в одном окуляре. Такое устройство получило название визир-дальномера. Позднее в поле зрения видоискателя ввели и диоптрийное устройство.
Наконец, существует и еще один способ наводки на резкость — визуальный. Применяется он в так называемых зеркальных камерах.
Свое название эти аппараты получили от имеющегося в них зеркала, расположенного внутри аппарата под углом 45° к оптической оси объектива и к плоскости пленки. На рис. 36 показана схема устройства и действия зеркальной камеры. Лучи света, пройдя через объектив 1 (рис. 36, а), отражаются зеркалом 2 на горизонтально расположенное матовое стекло 3 и «рисуют» на нем изображение фотографируемых предметов.
Рис. 36. Принцип устройства и действия зеркальной камеры: а — положение зеркала при наводке на резкость,бв момент съемки
Если расстояния от центра зеркала до матового стекла а и до поверхности пленки б равны, то в момент, когда изображение рисуется резко на матовом стекле, оно должно получиться резким и на пленке. Глядя сверху на матовое стекло и перемещая объектив, находят момент максимальной резкости изображения.
С помощью специального устройства, механически связывающего затвор аппарата с приводом зеркала, последнее при нажатии на спусковую кнопку затвора под действием пружины быстро поворачивается вверх вокруг оси 4 (рис. 36, б) и плотно закрывает собой рамку матового стекла, открывая одновременно доступ лучам света к задней стенке аппарата, где расположена пленка 5. В этот момент срабатывает затвор аппарата и происходит съемка. Так, в частности, действует зеркальная камера «Салют-С», (рис. 37, а). Камеры этого типа называются однообъективными зеркальными.
Существуют также двухобъективные зеркальные камеры, например «Любитель-2» (рис. 37, б). Основной рабочий объектив фотоаппарата расположен внизу. Верхний же объектив служит для наводки на резкость. Позади него, под углом в 45° к оптической оси, установлено зеркало, отбрасывающее лучи света вверх, где расположено матовое стекло (точнее, небольшой матовый кружок). Оба объектива подвижны и механически связаны между собой так, что, когда верхний объектив дает резкое изображение на матовом кружке, нижний дает резкое изображение на пленке.
Рис. 37. Три типа зеркальных камер: а — однообъективная (фотоаппарат «Салют»),бдвухобъективная (фотоаппарат «Любитель-2»), в — с оборачивающей оптической системой (фотоаппарат «Зенит»)
Наконец, имеется еще один тип зеркальных камер — с оборачивающей оптической системой (рис. 37, в). Дело в том, что описанные выше типы зеркальных камер имеют существенный недостаток: изображение, образующееся на матовом стекле, хотя и не перевернуто, но зеркально обращено слева направо. Кроме того, при съемке эти аппараты приходится держать на уровне груди, отчего несколько ухудшается передача перспективы на снимке.
В камерах с оборачивающей оптической системой эти недостатки устранены. В принципе эти камеры устроены так же, как и однообъективные зеркальные камеры с подвижным зеркалом, но над матовым стеклом в них установлена особая, так называемая пентапризма с крышей.
На рис. 38 показано, как действует оборачивающая оптическая система. Лучи света, пройдя через объектив, отражаются зеркалом на матовое стекло, на котором строят изображение снимаемого объекта, зеркально обращенное слева направо. Пентапризма с крышей, расположенная над матовым стеклом, оборачивает это изображение из горизонтальной плоскости в вертикальную и справа налево так, что, глядя через окуляр аппарата, глаз видит изображение не только не перевернутое, но и с правильным расположением сторон, что существенно облегчает и наводку на резкость, и визирование, и композиционное построение снимаемого кадра, а главное, — позволяет рассматривать изображение на матовом стекле не сверху, а держа фотоаппарат на уровне глаз.
Рис. 38. Устройство и действие оборачивающей оптической системы в зеркальных камерах: 1 — объектив, 2 — зеркало, 3 — матовое стекло, 4 — пентапризма с крышей, 5 — окуляр, 6 — плоскость фотопленки, 7 — глаз наблюдателя
Оборачивающая оптическая система — одно из самых замечательных достижений в области фотоаппаратостроения, положившее начало массовому выпуску малоформатных зеркальных камер.
Внешне эти камеры отличаются от дальномерных фотоаппаратов выступом (горбиком), возвышающимся над верхней стенкой корпуса камеры.
К числу зеркальных камер с оборачивающей оптической системой относятся, в частности, фотоаппараты марки «Зенит» (см. рис. 37, в).
При работе с зеркальными камерами большое значение имеет острота зрения. При недостаточно хорошем зрении наводка часто бывает неточной, и, чтобы облегчить ее, в зеркальных камерах устанавливаются различные устройства, увеличивающие изображение, получаемое на матовом стекле, или повышающие его яркость, — сильно увеличивающий окуляр, клиновое устройство, коллективная линза, линза Френеля, микрорастр.
Если посмотреть в окуляр камеры «Зенит-4» или «Зенит-5», то в центре матового стекла можно увидеть небольшой светлый кружок, разделенный четкой линией пополам, как показано на рис. 39. Это и есть клиновое устройство.
Картина, наблюдаемая в пределах клинового устройства, похожа на ту, которая наблюдается в дальномерах некоторых фотоаппаратов.
Когда наводка сделана точно, линии изображения, пересекающие границы двух полукругов клинового устройства, сливаются, как показано на рисунке справа. Когда же наводка неточна, эти линии расходятся в разные стороны (рисунок слева).
Клиновое устройство состоит из двух небольших прозрачных стеклянных клиньев, встроенных в углубление круглой формы, сделанное в центре матового стекла. Изображение, видимое в клиновом устройстве, значительно ярче, чем на матовом стекле. Кроме того, момент совмещения контуров изображения улавливается глазом гораздо лучше, чем момент полной резкости, благодаря чему клиновое устройство значительно облегчает и повышает точность наводки на резкость.
Рис. 39. Что видит глаз в фотоаппарате с клиновым устройством
Коллективная линза (рис. 40) представляет собой плоско-выпуклую линзу, ограненную в виде прямоугольника. Линза приставляется своей плоской стороной вплотную к матовому стеклу камеры и, действуя, как лупа, увеличивает изображение.
Иногда матируется плоская поверхность самой коллективной линзы. Такой линзой снабжено большинство малоформатных зеркальных камер.
Рис. 40. Коллективная линза
Линза Френеля, или ступенчатая линза (рис. 41), отличается особой формой, предложенной французским ученым Френелем. Такая линза действует, как коллективная, вместе с тем она значительно тоньше и легче. Линза Френеля прикладывается плоской поверхностью к матовому стеклу камеры.
Рис. 41. Линза Френеля в разрезе. Пунктиром показана обычная плоско-выпуклая линза той же оптической силы
Микрорастр (рис. 42) представляет собой тонкую пластинку из прозрачного пластика, поверхность которой состоит из мельчайших пирамид высотой 0,1 мм. Такое же, примерно, и расстояние между их вершинами. В общем, пирамиды так мелки, что при рассматривании их невооруженным глазом микрорастр кажется просто упорядоченным матовым стеклом. Изображение на нем получается резким в тот момент, когда фокальная плоскость проходит через вершины пирамид.
При малейшей неточности наводки лучи света отражаются от граней пирамид, и нерезкость изображения наблюдается гораздо лучше. В этом и заключается преимущество микрорастра по сравнению с матовым стеклом.
Рис. 42. Микрорастр
Чаще применяются комбинированные системы. Например, вместе с клиновым устройствам используется коллективная линза или линза Френеля. Существует также система, включающая микрорастр, матовое стекло и линзу Френеля. В таких системах микрорастр размещают в пределах небольшого круга в центре кадра, вокруг него оставляют кольцевое матированное поле, а на краях и в углах кадра размещают линзу Френеля (рис. 43). Такая система дает яркое изображение, повышает точность наводки на резкость и позволяет следить за глубиной резко изображаемого пространства.
Рис. 43. Комбинированная система для наводки на резкость: 1 — линза Френеля, 2 — матовое стекло, 3 — микрорастр
Огромное преимущество однообъективных зеркальных камер заключается в том, что в них видно изображение, рисуемое самим объективом фотоаппарата и притом в неперевернутом виде.
Кадрирование и наводку на резкость в таких аппаратах можно производить одновременно и почти до самого момента съемки. Кроме того, как видно из описания, такие камеры не нуждаются в видоискателе. Они сами являются видоискателями, причем совершенно свободными от параллакса визирования.
Из числа любительских фотоаппаратов однообъективные зеркальные камеры с оборачивающей оптической системой — самые универсальные. Они отлично оснащены и удобны не только для широкого круга обычных съемок, но и для репродуцирования и других специальных видов съемки. Вы, конечно, не совершите ошибки, если приобретете зеркальную камеру с оборачивающей оптической системой. Однако, при всех неоспоримых преимуществах однообъективных зеркальных камер некоторые из них имеют существенный недостаток: при уменьшении отверстия диафрагмы изображение на матовом стекле затемняется, а иногда совсем перестают действовать клиновое и все прочие устройства. Все это сильно затрудняет наводку на резкость и кадрирование снимка.
Приходится сначала производить наводку на резкость при полностью открытой диафрагме, а затем поворачивать фотоаппарат объективом к себе и устанавливать диафрагму. При этом теряются порой драгоценные секунды, и удачный момент съемки может быть упущен.
Для устранения этого недостатка на объективах, предназначенных для зеркальных камер, стали устанавливать фиксатор диафрагмы. Он представляет собой кольцо, опоясывающее оправу объектива и снабженное шкалой, повторяющей шкалу диафрагмы. При повороте фиксатора он защелкивается на делениях шкалы, что хорошо ощущается рукой. Достаточно запомнить порядок чисел шкалы фиксатора, и нужную величину диафрагмы легко найти на ощупь по щелчкам фиксатора.
Действие фиксатора состоит в том, что, установленный на то или иное деление шкалы, он в дальнейшем служит упором для привода диафрагмы. Перед съемкой фиксатор ставят на требуемое деление шкалы. Сама диафрагма при этом остается полностью открытой. Затем производят наводку на резкость, после чего, не отводя глаза от окуляра, поворачивают привод диафрагмы до упора.
Разумеется, что для следующей съемки диафрагму надо вновь открыть и если требуется другая диафрагма, то снова установить фиксатор. Такое устройство называется диафрагмой до упора.
Существуют еще более удобные устройства, называемые диафрагмой нажимного действия и прыгающей диафрагмой. Оба они отличаются тем, что, оставаясь все время открытой, диафрагма уменьшается до заранее сделанной установки только при нажатии на спусковую кнопку затвора, причем сначала уменьшается диафрагма, затем приходит в действие затвор, а затем диафрагма открывается либо с прекращением нажима на спусковую кнопку затвора, либо автоматически. Все это создает определенные эксплуатационные удобства.
В последние годы устройство зеркальных камер дополнено еще одним усовершенствованием — зеркалом непрерывного визирования, или моргающим зеркалом. Особенности этого устройства в том, что в момент съемки зеркало подымается, а после того как сработал затвор, вновь возвращается в рабочее положение.
Все это происходит так быстро, что вы этого не замечаете. Такое устройство удобно тем, что изображение снимаемого объекта можно видеть на матовом стекле не только до, но и в момент съемки и после нее.
Оптика. Основы оптотехники
Основы оптики
Основное назначение линзы любого типа — собирать свет рассеивается объектом и воссоздает изображение объекта на светочувствительный «датчик» (обычно на основе ПЗС или КМОП).
При выборе необходимо учитывать определенное количество параметров оптика, в зависимости от области, которая должна быть изображена (поле зрения), толщина объекта или особенностей интереса (глубина резкости), расстояние от объектива до объекта (рабочее расстояние), интенсивность света, тип оптики (телецентрическая/энтоцентрическая/перицентрическая) и др.
Следующий список включает основные параметры, которые должны быть оценены в оптике
- Поле зрения (FoV) : общая площадь, которая может быть просмотрена объективом и отображена на сенсоре камеры.
- Рабочее расстояние (WD) : расстояние от объекта до объектива, при котором изображение находится в самом резком фокусе.
- Глубина резкости (DoF) : максимальное расстояние, при котором объект находится в приемлемом фокусе.
- Размер сенсора : размер активной области сенсора камеры. Это можно легко вычислить путем умножения размера пикселя на разрешение сенсора (количество активные пиксели в направлениях x и y).
- Увеличение : соотношение между размером сенсора и полем зрения.
- Резолюция : минимальное расстояние между двумя точками, которые еще можно различить как отдельные точки. Разрешение — сложный параметр, который зависит в первую очередь от объектива и разрешения камеры.
Линзовые аппроксимации и уравнения
Основные характеристики большинства оптических систем можно рассчитать с помощью
несколько параметров, при условии, что принимается некоторое приближение.
параксиальное приближение требует, чтобы только лучи, попадающие в оптическую
системы под малыми углами по отношению к оптической оси.
счет. Приближение тонкой линзы требует, чтобы толщина линзы была
значительно меньше радиусов кривизны поверхностей линз:
таким образом, можно игнорировать оптические эффекты из-за реальной толщины
линз и упростить расчеты трассировки лучей. Более того,
предполагая, что и объект, и пространство изображения находятся в одной и той же среде (например,
воздух), мы получаем следующее фундаментальное уравнение: 9′ — 1/s = 1 / f`
, где s (s’ ) — положение объекта (изображения) относительно
объектива, принято обозначать отрицательным (положительным) значением, а f –
фокусное расстояние оптической системы (см. рис. 1). Расстояние от
объекта до передней линзы называется рабочим расстоянием, а
Расстояние от задней линзы до сенсора называется задним фокусным расстоянием.
В дальнейшем мы будем представлять некоторые полезные понятия и формулы
на основе этой упрощенной модели, если не указано иное.
Крепления для камеры
Для крепления объектива к камеры, обеспечивая как хорошую фокусировку, так и стабильность изображения. Крепление определяется механической глубиной механики (фланцевый фокальный расстояние), а также его диаметр и шаг резьбы (если имеется). Его важно, чтобы фокусное расстояние фланца объектива и крепление камеры расстояние между фланцами точно такое же, иначе могут возникнуть проблемы с фокусировкой. наличие резьбового механизма позволяет некоторую регулировку спинки фокусное расстояние при необходимости. Например, в Opto Engineering® PCHI серии объективов, регулировка заднего фокуса необходима для регулировки фокуса для другого поля зрения.
C-mount — самый распространенный байонет для оптики в промышленный рынок. Он определяется фокусным расстоянием фланца 17,526 мм, диаметром 1 дюйм (25,4 мм) с 32 витками на дюйм.
CS-mount — менее популярная версия, укороченная на 5 мм.
байонета C с фокусным расстоянием фланца 12,526 мм.
CS-крепление
камера представляет различные проблемы при использовании вместе с оптикой C-mount,
особенно если последний предназначен для работы на точном заднем фокусе
расстояние.
F-mount — изначально байонетное крепление разработана компанией Nikon для своих камер формата 35 мм и до сих пор используется в большинство своих цифровых зеркальных камер. Обычно используется с большими датчики, напр. полнокадровые или линейные камеры. Линзы можно легко заменен благодаря байонетному креплению, но нет регулировки заднего фокуса возможный.
Крепления Mxx — различные типы креплений для камер определяется их диаметром (например, M72, M42), шагом резьбы (например, 1 мм, 0,75 мм) и фокусное расстояние фланца. Они являются распространенной альтернативой F-крепление для больших датчиков.
Каждое крепление камеры чаще используется с определенным датчиком камеры
форматы. Наиболее типичные форматы датчиков перечислены ниже. Это
важно помнить, что это не абсолютные значения – т.
е. два
перечисленные камеры с одним и тем же форматом сенсора могут существенно отличаться от
друг друга с точки зрения соотношения сторон (даже если у них один и тот же сенсор
диагональ). Например, датчик Sony Pregius IMX250 указан как
2/3” и имеет активную площадь 8,45 мм x 7,07 мм. CMOSIS CMV2000
Датчик также указан как формат 2/3”, но имеет активную площадь 11,26 мм x
5,98 мм.
Common line scan sensors formats:
| 2048 px x 10 µm | 2048 px x 14 µm | 4096 px x 7 µm | 4096 px x 10 µm | 7450 px x 4.7 µm | 6144 px x 7 µm | 8192 px x 7 µm | 12288 px x 5 µm |
| 20.5 mm | 28.6 mm | 28.6 mm | 35 mm | 41 мм | 43 mm | 57.3 mm | 62 mm |
Common area scan sensors formats:
| Sensor type | Diagonal | Width | Height |
|---|---|---|---|
| | (mm) | (mm) | (mm) |
| 1/3″ | 6. 000 | 4.800 | 3.600 |
| 1/2.5″ | 7.182 | 5.760 | 4.290 |
| 1/2″ | 8.000 | 6.400 | 4.800 |
| 1/1.8″ | 8.933 | 7.176 | 5.319 |
| 2/3″ | 11.000 | 8.800 | 6.600 |
| 1″ | 16.000 | 12.800 | 9.600 |
| 4/3″ | 22.500 | 18.800 | 13.500 |
| Full frame — 35 mm | 43.300 | 36.000 | 24.000 |
Регулировка заднего фокусного расстояния
С-образное крепление (17,52 мм), определяющее расстояние от фланца до детектора.
(фокусное расстояние фланца). Помимо всех вопросов, связанных с механическим
неточность, многие производители не учитывают должным образом
толщина защитного стекла детектора, которое, каким бы тонким оно ни было,
все еще является частью фактического расстояния от фланца до детектора.
Вот почему комплект проставок поставляется вместе с Opto Engineering®. телецентрические объективы, включая инструкции по настройке заднего фокусного расстояния длина на оптимальном уровне.
Фокусное расстояние
Для обычных оптических систем в приближении тонкой линзы фокусное расстояние длина — это расстояние, на котором коллимированные лучи, идущие из бесконечности сходятся к точке на оптической оси.
Фокусное расстояние является типичной характеристикой оптической системы. Это
является мерой того, насколько сильно система сходится или расходится лучами
свет. Если коллимированные лучи сходятся в физической точке, говорят, что линза
быть положительным (выпуклым), тогда как, если лучи расходятся, точка фокусировки
виртуальная, а линза называется отрицательной (вогнутой).
Вся оптика используется
в приложениях машинного зрения в целом положительны, т. е. они фокусируются
падающий свет на плоскость датчика. Объективы видеонаблюдения обычно
определяется их фокусным расстоянием, выраженным в миллиметрах (12 мм, 25 мм,
35 мм и др.).
Для оптических систем машинного зрения, в которых лучи отражаются от удаленного объекта фокусируются на плоскости сенсора, фокальное длину также можно рассматривать как меру того, какая площадь отображается на датчик (поле зрения): чем больше фокусное расстояние, тем меньше поле зрения и наоборот (это не совсем верно для какого-то конкретного оптического системы, напр. в астрономии и микроскопии).
Фокусное расстояние и фокальная плоскость совпадают только тогда, когда объект
расположенные на бесконечном расстоянии, действительно лучи из точки на объекте
можно считать параллельными. Когда вместо этого расстояние от
объект «короткий» (эмпирическое правило: <10x фокусное расстояние), мы находимся в макросъемке.
режиме, а плоскость фокусировки расположена дальше от оптической системы
по сравнению с фокусным расстоянием.
9′ / h`
Полезное соотношение между рабочим расстоянием (s), увеличением (M) и фокусным расстоянием (f) выглядит следующим образом:
`s = f(M-1)/M`
Макро- и телецентрические объективы предназначены для работы на расстоянии сравнимы с их фокусным расстоянием (конечные сопряженные), а фиксированные фокусные Линзы длины предназначены для изображения объектов, расположенных на гораздо большем расстоянии. расстояние, чем их фокусное расстояние (бесконечные сопряжения). Таким образом, удобно классифицировать первую группу по их увеличению, которое облегчает выбор подходящего объектива с учетом сенсора и объекта размер, а последний по их фокусному расстоянию.
Поскольку объективы с фиксированным фокусным расстоянием также подчиняются предыдущему уравнению,
можно рассчитать требуемое фокусное расстояние, учитывая
увеличение и рабочее расстояние, или требуемое рабочее расстояние
учитывая размер сенсора, поле зрения и фокусное расстояние и т. д. (некоторые
примеры приведены в конце этого раздела).
Для макро и
вместо телецентрических линз рабочее расстояние и увеличение
обычно фиксируется.
Каждая оптическая система характеризуется апертурной диафрагмой, которая определяет количество света, прошедшего через него. Для данного диаметр апертуры d и фокусное расстояние f мы можем рассчитать оптику F-число:
`F//# = f / d`
Типичные числа F: F/1.0, F/1.4, F/2, F/2.8, F/4, F/5.6, F/8,
F/11, F/16, F/22 и т. д. Каждое увеличение числа F (меньшее
диафрагма) уменьшает входящий свет в 2 раза. Данное определение
F-числа применяется к объективам с фиксированным фокусным расстоянием, где объект
расположен «в бесконечности» (т. е. на расстоянии, намного большем, чем его фокусное
длина). Для макро- и телецентрических объективов, где объекты находятся ближе
расстояние, вместо этого используется рабочий F/# (wF/#). Это определяется как:
`WF//# = (1 + M) * F//#`
Число F влияет на глубину резкости оптики (DoF), т.е.
диапазон между ближайшим и самым дальним местом, где находится объект
приемлемо в фокусе.
Глубина резкости — довольно вводящее в заблуждение понятие
потому что физически есть одна и только одна плоскость в объектном пространстве, которая
сопряжена с сенсорной плоскостью. Однако, помня о дифракции,
аберрации и размера пикселя, мы можем определить «приемлемую
расстояние» от сопряженной плоскости изображения, исходя из субъективных критериев.
Например, для данного объектива допустимое расстояние фокусировки для
приложение для точных измерений, требующее очень четкого изображения, меньше
чем для грубого визуального осмотра. 92`
, где p — размер пикселя сенсора (в микронах), M — линза увеличения, а k — безразмерный параметр, зависящий от приложение (разумные значения 0,008 для приложений измерения и 0,015 за дефектоскопию). Например, взяв p = 5,5 мкм и k = 0,015, объектив с увеличением 0,25X и WF/# = 8 имеет приблизительную глубину резкости = 10,5. мм.
Настраиваемая система технического зрения — серия XG-X
Линейка мощных высокоскоростных контроллеров и камер высокого разрешения
Посмотреть каталог
Настраиваемая система технического зрения
Серия XG-X
Серия XG-X представляет собой настраиваемую систему технического зрения с расширенными возможностями визуализации и программирования.
Разработанный для продвинутых пользователей, XG-X предоставляет пользователю гибкость при программировании в стиле блок-схем. Поддерживая все камеры KEYENCE, включая линейное сканирование и 3D, система машинного зрения XG-X является решением сложных задач контроля, а также решает проблемы, связанные с различиями между деталями.
Посмотреть каталог
Революционный встроенный 3D-контроль внешнего вида и размеров
Встроенный 3D-контроль внешнего вида и размеров для любой цели.
- Чрезвычайно точный 2D- и 3D-контроль по всему полю зрения
- Оборудование, разработанное для обеспечения высокой точности
- Стабильный встроенный 3D-контроль для различных областей применения и отраслей
Подробнее
Гибкость стала возможной благодаря самой высокой производительности в отрасли
Огромная вычислительная мощность доступна даже при подключении нескольких камер, включая цветную камеру с разрешением 64 мегапикселя, камеры с линейным сканированием или 3D-камеры.