Оптическая система

2 Оптическая система

Как уже было сказано, одной из основных составляющих фото­аппарата является его объектив. Поэтому необходимо упомянуть основные термины, касающиеся оптической подсистемы фото­аппарата.

 2.1Объективы с постоянным и переменным фокусным расстоянием

Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол зрения - предметов попадает в кадр меньше, но их размер в кадре больше. И наоборот, при уменьшении фокусного расстояния объекты съемки становятся меньше, но в кадр их попадает больше. Разумеется, что это также сказывается и на перспективе кадра - степени удаленности объектов друг от друга. Углу зрения обыч­ного человека в 35-мм камерах соответствует фокусное расстоя­ние 50 мм (46°).

Часто фокусное расстояние для цифровой фотокамеры указы­вается двумя цифрами, например, 6-15 мм (28-72 мм). Это выз­вано тем, что размер ЭОП меньше кадра обычной пленки, поэтому линейные размеры оптики тоже меньше. Для удобства восприя­тия вводится вторая величина, которая обозначает фокусное рас­стояние в эквиваленте 35-мм камеры.

Для обозначения объективов с переменным фокусным расстоя­нием в англоязычной литературе применяется термин zoom, часто он калькируется в русских переводах словом «зум». Это непра­вильно, для объективов такого типа давно существует название вариообьектив. Под кратностъяю объектива подразумевают от­ношение  максимального фокусного расстояния к минимальному,  например,

105/35 = 3 – кратность объектива равна 3. Объективы, фокусное расстояние которых не изменяется, в анг­лоязычной литературе называются fixed focus. В отечественной литературе такой тип оптики обозначается как объектив с по­стоянным фокусным расстоянием. Постоянное фокусное рассто­яние несколько ограничивает возможности фотографа, в то же время конструкция таких устройств предельно проста. Поэтому такие объективы чаще всего встречаются в недорогих компакт­ных камерах.

2.2Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные  камеры

До определенного момента вариообъективы с кратностью боль­ше двух были сложными в производстве и капризными в эксп­луатации. Поэтому для портретной, пейзажнoй и спортивной съемки использовались разные объективы, каждый с наиболее подходящим фокусным расстоянием. Фотограф закреплял их на камере, используя резьбовое либо байонетное соединение (о ко­тором будет рассказано далее). Однако с появлением надежных и недорогих вариообъективов высокой кратности (от 3 и выше), а также повсеместным внедрением электроники, обеспечиваю­щей правильный расчет параметров съемки, широкое распространение ранение получили компактные камеры под 35-мм пленку, обо­рудованные несменными объективами с переменным фокусным расстоянием. Тем не менее сменная оптика сохранилась в так называемых зеркальных камерах.

Зеркальной (SLR - single 1еns reflех) называется камера, в которойизображение, попадающее в объектив, с помощью специальной оптической системы проецируется на поверхность экрана фоку­сировки. Это изображение пользователь наблюдает в видоиска­теле и визуально контролирует кадрирование и фокусировку. Для точного определения дистанции съемки применяются раз­нообразные оптические устройства. Одним из них является мик­рорастр, система микроскопических пирамидок, нанесенных на поверхность экрана фокусировки.

Чтобы изображение попало на видоискатель, используется либо зеркальце, убирающееся в момент съемки, либо полупрозрачная призма.

видеоискатель

Зеркальце в нижнем положении

Рис 2.1. Зеркальная камера с убирающимся зеркалом

Отдельного упоминания заслуживают модели, использую­щие принцип видеокамер - вместо оптического видоискателя в них установлен миниатюрный, не более 1,5 см, цветной ЖК­-дисплей с хорошим разрешением - порядка 130 тысяч элементов. При этом на дисплей выводится дополнительная информация - значения диафрагмы, выдержки, количество кадров и т. д. Такое решение обусловлено, во-первых, особенностями конструкции камеры (например, когда «зрачок» оптического видоискателя просто негде расположить), а во-вторых, тем, что при съемке в солнечную погоду блики на ЖК-дисплее делают практически невозможным использование его в качестве видоискателя.

 

2.3Экспозиция. Диафрагма и выдержка. Светочувствительность.

Важнейшим оптическим определением является экспозиция.

Экспозиция – это физическая величина, служащая количественной

мерой световой энергии, падающей на светочувствительный элемент.

В нашем случае светочувствительным элементом является ПЗС­-матрица. От экспозиции, сообщенной матрице, во многом зависит качество снимка - недостаточная экспозиция (называемая фото­графами недодержкой) приводит к плохой проработке деталей в тенях, избыточная экспозиция (передержка) - к плохой прора­ботке светлых участков. Для управления экспозицией исполь­зуются диафрагма и выдержка, для расширения их диапазона применяют материалы с более высокой светочувствитвлъностъю.

Диафрагма – это устройство, посредством которого ограничивает­ся поперечное сечение световых пучков, проходящих через объек­тив, для уменьшения

освещенности ПЗС-матрицы. Представляет

собой светонепроницаемую преграду с центральным отверстием изменяемого диаметра.

  

а б в
Рис. 2.3. Диафрагма: а -f/22, б-f/8, в - f/2

 

 Наиболее распространена ирисовая диафрагма, у которой свето­вое отверстие образуется несколькими дугообразными лепест­ками (ламелями), соединенными с подвижным кольцом-корон­кой. При повороте кольца лепестки сходятся (или расходятся), плавно уменьшая (или увеличивая) отверстие диафрагмы. Ве­личина действующего отверстия диафрагмы изменяется в зави­симости от условий съемки (освещенности фотографируемого объекта и чувствительности ПЗС-матрицы), а также выдержки (о ней будет рассказано далее). От величины отверстия диаф­рагмы зависит диапазон резко изображаемого пространства - чем меньше отверстие, тем больше глубина, резкости, и наоборот:

Количественно диафрагма может быть описана относительным отверстием объектива, равным отношению диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию. Квадрат этого числа определяет светосилу объектива. Для обозначения диаф­рагмы тем не менее используется так называемое диафрагмен­ное число - величина, обратная относительному отверстию. Ряд численных значений диафрагменного числа выбирается так, что он образует геометрическую прогрессию со знаменателем, рав­ным корню квадратному из двух (например, 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6 и т. д.). При данной яркости объекта съемки освещенность его оптического изображения на П3С-матрице обратно пропорцио­нальна квадрату диафрагменного числа, то есть чем меньше чис­ло, тем больше света попадает на матрицу. Если минимальное значение диафрагменного числа 2,8 и ниже, то объектив счита­ется светосильным.

Выдержка – это промежуток времени, в течение которого световые

лучи воздействуют на ЭОП для сообщения ему требуемой экспозиции.

Светочувствительность - это способность какого-либо материала определенным

образом реагировать на оптическое излучение. Чем выше чувствительность, тем

меньшее количество света требуется для реакции материала.

Количественная мера указанной способности - светочувстви­тельное число. Указывается в единицах ISO (International Standards Organization - Международная организация стандартов). При использовании пленки с высокой чувствительностью можно вести съемку с меньшей экспозицией. Но с увеличением чувстви­тельности фотопленки растет зернистость изображения и не­однородность негатива. К сожалению, при увеличении чувстви­тельности цифровой камеры изображение тоже ухудшается.

2.4Экспозиционное число. Экспокоррекция

ПРИМЕЧАНИЕ

Экспозиционное число _ понятие, используемое для однозначной

Характеристики условий фотосъемки и определения экспозиции, не­

обходимой для получения качественного кадра при заданной светочувствительности  ПЗС-матрицы.

Ряд значений экспозиционных чисел образует шкалу - изменение экспозиционного числа на одну единицу соответствует измене­нию экспозиции в два раза. Одну и ту же экспозицию можно обес­печить при различных сочетаниях значений диафрагменного числа и выдержки, называемых экспозиционными параметрами(экспопараметрами).

 

2.5Аберрации

Аберрации - искажения (от лат. aberratio- уклонение) изображе­ния, формируемого оптической системой. Проявляются в пониже­нии резкости изображения, нарушении подобия между объектом и его изображением (геометрические аберрации) либо окрашива­нии контуров изображения (хроматические аберрации).

Среди большого количества геометрических аберраций наибо­лее заметны кривизна поля и дисторсия.

Кривизна поля характеризуется тем, что резкое изображение плоского предмета лежит на искривленной поверхности. Вызвано это тем, что после прохождения сквозь оптическую систему све­товые лучи, идущие из точек, расположенных вне оптической оси объектива, сходятся в фокус не в одной плоскости. На фотогра­фии кривизна поля проявляется в понижении резкости изобра­жения от центра к краям. Устраняется эта аберрация подбором линз с различной кривизной поверхностей.

Дисторсией называется аберрация, при которой нарушается геомет­рическое подобие между объектом и его изображением. Это яв­ление возникает в результате того, что линейное увеличение, да­ваемое оптической системой, изменяется по полю изображения.

Рис. 2.4. Дисторсия

В вариообъективах дисторсия выражается в «подушкообразных» искажениях при длиннофокусном режиме и в «бочкообраз­ных» - при широкоугольном. Для снижения дисторсии в конст­рукцию объективов включается асферическая оптика, то есть линзы с параболическими, эллиптическими и другими поверх­ностями.

Хроматические аберрации обусловлены зависимостью показате­ля преломления оптического стекла от длины волны проходя­щего через него света. В линзовых оптических системах это при­водит к разложению луча белого света на несколько одноцветных лучей, которые после выхода из оптической системы пересека­ют оптическую ось в разных точках. Поэтому в тех случаях, ког­да освещенность объекта съемки и его фона сильно отличается, на стыке появляется цветовая окантовка, чаще синеватого или фиолетового оттенка, именуемая каймой (fringe). Хроматическую аберрацию уменьшают комбинированием положительных и от­рицательных линз, сделанных из разных сортов стекла.

 2.6Разрешающая способность оптики

Разрешающая способность оптических систем - под этой харак­теристикой подразумевается способность данных систем созда­вать раздельные изображения двух близко расположенных точек объекта. Разрешающую способность оценивают по наименьшему расстоянию между двумя точками, при котором их изображения еще не сливаются. До недавнего момента вопрос о достаточности разрешающей спо­собности объективов не возникал. Однако с увеличением разре­шения матриц любительских камер периодически складывается ситуация, когда один и тот же сенсор, установленный на разных фотоаппаратах, «рисует» изображение с неодинаковым каче­ством. Особенно это характерно для сверхкомпактных моделей, к которым тяжело создать объектив с высокими оптическими характеристиками.

З Электронно­ – оптические

 преобразователи

После прохождения оптики световой поток попадает на регист­рирующий элемент - электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Как уже упоминалось, в основном в этих целях исполь­зуются матрицы ПЗС - приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появля­ются даже на профессиональных моделях, подавляющее боль­шинство любительских фотоаппаратов оснащены именно П3С­матрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.

 

Общие принципы

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобра­зовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точ­нее -р-n-переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рас­сматривать ее в рамках данной работы. Вкратце принцип устрой­ства и функционирования П3С-матриц сводится к следующему.

В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупро­водника n-типа. Сверку наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликрис­таллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала

последний генерирует электрон, который хранится в потенци­альной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может на­копить потенциальная яма, тем больший диапазон освещеннос­ти можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависим динамический диапазон (о нем более подробно будет рассказано ниже). Все, что требуется сделать, - считать значение этого за­ряда и усилить его.

Рис 3.1. Элемент ПЗС – матриц.

 Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на усилитель. Таким устройством можно счи­тать значение строки ПЗС-элементов.

В нашем же случае требуется определить заряд каждого из эле­ментов матрицы. При этом используется способность ПЗС к пе­ремещению потенциальной ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под сосед­него электрода, в свою очередь, смещается под слёдующий элек­трод и так далее до регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы, подаваемые на электроды, а также работу регистров сдвига.

Поэтому используются два дополнительных устройства: во-пер­вых, управляющая

микросхема, обеспечивающая подачу импуль­сов на электроды матрицы, и во-

вторых, тактовый генератор.

Одним из первых типов ЭОП были полнокадровые ПЗС-матрицы.  После

того как отработал затвор фотоаппарата и все пикселы накопили заряд,

эквивалентный световому потоку, упавшему на них, происходит процесс

считывания зарядов.  

 Рис. 3.2. Полнокадровая матрица.