Устройство и принцип работы фотоаппарата

Современный фотоаппарат представляет собой электрон­ный оптико-механический прибор для создания оптического (светового) изображения объекта на поверхности светочувствительного материала (фотопленки или электронно-опти­ческого преобразователя).

Основными конструктивными узлами фотоаппарата яв­ляются корпус, объектив, диафрагма, затвор, видоискатель, фокусировочное и экспонометрическое устройство, элект­ронная лампа-вспышка, индикаторное устройство, счетчик кадров,

Для регистрации и хранения светового изображения в пленочных фотоаппаратах используется фотопленка. В циф­ровых фотоаппаратах для регистрации изображения исполь­зуется электронно-оптический преобразователь (матрица, состоящая из большого количества светочувствительных эле­ментов - пикселей), а для хранения информации об изображении — флэш-память (энергонезависимое устройство хране­ния оцифрованных изображений).

Пиксель является наименьшим элементом цифрового изображения. Миллион пикселей называют мегапикселем. Пиксели реагируют на свет и создают электрический заряд, величина которого пропорциональна количеству попавшего света. Для формирования сигналов о цветном изображении, микроскопические элементы (пиксели) светочувствительной матрицы покрыты микросветофильтрами красного, зеленого и синего цветов и объединены в группы, что позволяет по­лучить электронную копию цветного изображения.

Электрические сигналы считываются с пикселей, преоб­разуются в аналого-цифровом преобразователе в двоичные цифровые данные и записываются во флэш-память. Элект­ронно-оптический преобразователь (ЭОП) характеризуется разрешающей способностью (в мегапикселях) и размером по диагонали (в дюймах). Разрешающая способность определя­ется произведением количества пикселей по горизонтали и вертикали. Например, обозначение 2048x1536 пикселей со­ответствует разрешению в 3,2 мегапикселя. Наиболее распро­странены матрицы с диагональю 1/2; 1/3; 1/4 дюйма.

Корпус является несущей частью фотоаппарата, в кото­рой монтируются все узлы и механизмы фотоаппарата и раз­мещается светочувствительный материал.

На передней панели корпуса находится объектив. Объек­тив может крепиться к корпусу жестко или быть съемным. В последнем случае крепление объектива может быть резьбо­вым или байонетным. За объективом пленочного фотоаппара­та, со стороны задней панели корпуса, имеется кадровая рамка, просвет в которой называется кадровым окном. Кад­ровое окно определяет размеры поля изображения (формат кадра) на светочувствительном материале.

Объектив представляет собой систему оптических линз, заключенных в общую оправу и предназначенную для фор­мирования светового изображения объекта съемки и проеци­рования его на поверхность светочувствительного материала. От свойств объектива, а также светочувствительного ма­териала, в значительной степени зависит качество получае­мого изображения. В оправу объектива вводятся диафрагма, механизмы фокусировки и изменения фокусного расстояния.

Диафрагма (рис. 1) предназначена для изменения ве­личины светового отверстия объектива. С помощью диафраг­мы регулируют освещенность светочувствительного матери­ала и изменяют глубину резкости изображаемого простран­ства. Отверстие диафрагмы образуется несколькими серпо­видными лепестками (ламелями), расположенными симмет­рично вокруг оптической оси объектива.

В фотоаппа­ратах может при­меняться ручное и автоматическое управление ди­афрагмой.

Рис. 1. Устройство и принцип действия диафрагмы

Ручное уп­равление диафрагмой осуществляется кольцом, расположенным на внешней поверхности оправы объектива, на котором нанесена шкала диафрагменных чисел. Ряд значений диафрагм нормирован числами: 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22. Переход от одного значения диафрагменного числа к соседне­му изменяет количество проходящего через объектив света вдвое — пропорционально изменению площади светового от­верстия.

Автоматическое управление диафрагмой осуществляет­ся экспонометрическим устройством фотоаппарата в зависи­мости от условий съемки (яркости снимаемого объекта, све­точувствительности фотопленки) и выдержки.

Фокусировочное устройство объектива предназначено для совмещения создаваемого объективом оптического изоб­ражения с плоскостью светочувствительного материала при различных расстояниях до объекта съемки.

Фокусировка объектива (наводка на резкость) осуществ­ляется путем перемещения объектива или какой-либо его части вдоль его оптической оси. В современных фотоаппара­тах фокусировка объектива возможна в пределах от фото­графической бесконечности до некоторого минимального рас­стояния, называемого ближним пределом фокусировки. Ближ­ний предел фокусировки зависит от величины максимально­го выдвижения объектива.

В фотоаппаратах может использоваться ручная и авто­матизированная система фокусировки. В некоторых простей­ших компактных фотоаппаратах объективы не имеют меха­низма фокусировки. Такие объективы, получившие назва­ние фикс-фокус, имеют большую глубину резкости и сфоку­сированы на некоторое постоянное расстояние.

Механизм изменения фокусного расстояния объектива позволяет изменять угол поля зрения объектива и масштаб изображения на светочувствительном материале посредством изменения фокусного расстояния объектива. Механизмом изменения фокусного расстояния оснащаются объективы до­рогих фотоаппаратов среднего и высокого класса.

Затвор представляет собой механизм фотоаппарата, ав­томатически обеспечивающий пропускание световых лучей к светочувствительному материалу в течение заданного про­межутка времени (выдержки) при нажатии на кнопку затво­ра. Ряд числовых значений выдержек, автоматически уста­навливаемых затвором, нормирован следующими числами (в секундах): 1/4000; 1/2000; 1/1000; 1/500; 1/250; 1/125; 1/60; 1/30; 1/15; 1/8; 1/4; 1/2; 1; 2; 3; 4. Различают модели фото­аппаратов с постоянной, ручной и автоматической установ­кой выдержки. По принципу действия затворы, применяе­мые в современных фотоаппаратах, подразделяются на элек­тронно-механические, электронные и электронно-оптические

Электронно-механический затвор состоит из световых заслонок, перекрывающих световой поток, электронного реле времени, отрабатывающего установленное время экспони­рования, и электромагнитного привода, обеспечивающего перемещение световых заслонок. К электронно-механичес­ким затворам относят центральные и щелевые затворы. В центральных затворах световые заслонки в виде тонких ме­таллических лепестков открывают световое отверстие объек­тива от центра (от оптической оси) к краям, а закрывают в обратном направлении, подобно диафрагме, (рис. 2) Цент­ральные затворы распола­гаются, как правило, меж­ду линзами объектива или непосредственно за объек­тивом и применяются в ком­пактных пленочных и циф­ровых фотоаппаратах, име­ющих жестко встроенный несъемный объектив.

Рис. 2. Схема устройства и действия центрального затвора

Особую группу центральных затворов представляют затворы-диафрагмы, у которых функции затвора и диафрагмы объединены в од­ном механизме с регулированием величины и длительности открытия светового отверстия. Они способны отрабатывать выдержки до 1/500 с.

Щелевые затворы (рис. 3) пропускают световой поток к светочувствительному материалу через щель, образованную двумя световыми заслонками в виде тканевых шторок или металлических ламелей. При срабатывании затвора, шторки (или две группы ламелей) пере­мещаются одна за другой, с оп­ределенным интервалом времени, вдоль или поперек кадрового окна. Одна из световых заслонок открывает кадровое окно, а другая - закрывает его.

Рис. 3. Схема устройства щелевого затвора

Выдержка зависит от ширины щели. Щелевые затворы способны отрабатывать более короткие выдержки (в 1/1000 с и короче) и применяются в фотоаппаратах, имеющих съем­ный объектив.

Электронный затвор применяется в цифровых фотоап­паратах. Он представляет собой электронный переключатель, который включает (или выключает) ЭОП в определенный момент времени с одновременным считыванием зафиксиро­ванной электронной информации. Электронный затвор спо­собен отработать выдержку в 1/4000 и даже 1/8000 с. Элект­ронный затвор срабатывает бесшумно и без вибраций.

В некоторых цифровых фотоаппаратах наряду с элект­ронным применяется электронно-механический или электрон­но-оптический затвор.

Электронно-оптический (жидкокристаллический) затвор представляет собой жидкий кристалл, расположенный меж­ду двумя параллельными стеклянными поляризованными пластинами, через который свет проходит на электронно-оп­тический преобразователь (ЭОП). При подаче напряжения через тонкое прозрачное электропроводное напыление к внутренней поверхности стеклянных пластин возникает элек­трическое поле, изменяющее на 90° плоскость поляризации жидкого кристалла и соответственно обеспечивающее его максимальную непрозрачность. Таким образом, путем пода­чи напряжения жидкокристаллический затвор закрывается, а при отсутствии напряжения (выключении) — открывается. Электронно-оптический затвор отличается простотой и на­дежностью, так как отсутствуют механические компоненты.

Видоискатель служит для визуальной компоновки кад­ра. Для правильного определения границ кадра необходимо, чтобы угловое поле зрения видоискателя соответствовало угловому полю зрения съемочного объектива, а оптическая ось видоискателя совпадала с оптической осью съемочного объектива.

При несовпадении оптической оси видоискателя с опти­ческой осью съемочного объектива границы изображения, на­блюдаемого в видоискателе, не совпадают с границами кадра на светочувствительном материале (явление параллакса). При фотографировании удаленных объектов параллакс незаметен, но возрастает по мере уменьшения дистанции съемки.

Современные фотоаппараты могут иметь телескопичес­кий, зеркальный (перископический) видоискатель или жид­кокристаллическую панель.

Компактные фотоаппараты оснащаются телескопическим видоискателем, который располагается в корпусе фотоаппа­рата рядом с объективом.

Идентификационным признаком фотоаппаратов с теле­скопическим видоискателем является наличие на передней панели корпуса фотоаппарата окна видоискателя.

В зеркальных видоискателях (рис. 4) съемочный объек­тив является одновременно и объективом видоискателя. Та­кая схема видоискателя обеспечивает беспараллаксное визи­рование. Оптическое изображение объекта съемки, видимое в окуляре видоискателя и получаемое на светочувствитель­ном материале, идентичны друг другу.

Фотоаппараты, имеющие зеркальный видоискатель, по­лучили название зеркальных (SLR— Single Lens Reflex). Идентификационным признаком однообъективного зеркаль­ного фотоаппарата (видоискателя) является отсутствие на передней панели корпуса фотоаппарата окна видоискателя и призматическая форма верхней панели корпуса.

Рис. 4. Схема устройства фотоаппарата с зеркальным

видоискателем: а - с убирающимся зеркалом; б — с призмой-делителем

Экспонометрическое устройство в современных фотоап­паратах обеспечивает автоматическое или полуавтоматичес­кое определение и установку экспозиционных параметров — выдержки и диафрагменного числа в зависимости от свето­чувствительности 4ютопленки и освещенности (яркости) объек­та съемки.

Экспонометрическое устройство состоит из светоприемника, электронной системы управления, индикатора, а так­же исполнительных органов, управляющих работой затво­ра, диафрагмы объектива и согласующих работу затвора и лампы-вспышки. В качестве светоприемника в большинстве современных фотоаппаратов используют кремниевые фотодиоды. В компактных фотоаппаратах, светоприемник экспонометрического устройства располагается на передней пане­ли корпуса, рядом с объективом.

В зеркальных фотоаппаратах высокого класса светопри­емник размещают внутри корпуса фотоаппарата, за объек­тивом, что позволяет автоматически учитывать реальное светопропускание объектива (реальную освещенность светочувствительного материала). Фотоаппараты с замером осве­щенности внутри корпуса за съемочным объективом имеют международное обозначение TTL или TEE.

Механизм транспортировки пленки служит для переме­щения пленки на один кадр, точной ее установки перед объек­тивом и обратной перемотки пленки в кассету после экспо­нирования. Механизм транспортировки пленки связан со счет­чиком кадров, который предназначен для отсчета экспони­рованных или неэкспонированных кадров.

Фотовспышка предназначена для кратковременного ос­вещения объекта съемки при фотографировании в условиях недостаточной естественной освещенности, съемке объекта против света, а также подсветки теневых участков объекта при ярком солнце.

Индикаторное устройство служит для индикации режи­мов съемки и контроля за работой фотоаппарата. В качестве индикаторных устройств в фотоаппаратах используются жидкокристаллические дисплеи (LCD— индикаторы), светодиоды и стрелочные индикаторы.