Физические изобретения в цифровом-зеркальном фотоаппарате

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.

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 2048 х 1536 пикселей соответствует разрешению в 3,2 мегапикселя. Наиболее распространены матрицы с диагональю 1/2; 1/3; 1/4 дюйма.

Корпус цифрового фотоаппарата имеет вид по аналогии с пленочным  фотоаппаратом, но за счет отсутствия необходимости фильмового канала и  места для катушки с пленкой, корпус современного цифрового фотоаппарата значительно тоньше обычного пленочного и имеет место для ЖК экрана, встроенного в корпус, либо выдвижного, и слоты для карт памяти. На передней панели корпуса находится объектив.

 

 

Линза

 

Линза (нем. Linse, от лат. lens — чечевица) — деталь из оптически прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и«асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы.

 

Характеристика  простых линз

 

В зависимости  от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например пузырёк воздуха в воде — двояковыпуклая рассеивающая линза.

Линзы характеризуются, как  правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием.

Для построения оптических приборов с исправленной оптической аберрацией (прежде всего — хроматической, обусловленной дисперсией света) важны и иные свойства линз и их материалов, например, коэффициент преломления, коэффициент дисперсии, коэффициент пропускания материала в выбранном оптическом диапазоне.

Иногда линзы/линзовые оптические системы (рефракторы) специально рассчитываются на использование в средах с относительно высоким коэффициентом преломления (см. иммерсионный микроскоп, иммерсионные жидкости).

 

Выпукло-вогнутая линза  называется мениском и может быть собирательной (утолщается к середине), рассеивающей (утолщается к краям) или телескопической (фокусное расстояние равно бесконечности). Так, например линзы очков для близоруких — как правило, отрицательные мениски.

Вопреки распространённому заблуждению, оптическая сила мениска с одинаковыми радиусами не равно нулю, а положительна, и зависит от показателя преломления стекла и от толщины линзы. Мениск, центры кривизны поверхностей которого находятся в одной точке называется концентрической линзой (оптическая сила всегда отрицательна).

Отличительным свойством собирательной  линзы является способность собирать падающие на её поверхность лучи в  одной точке, расположенной по другую сторону линзы.

 

Если на некотором  расстоянии перед собирательной  линзой поместить светящуюся точку S, то луч света, направленный по оси, пройдёт через линзу не преломившись, а лучи, проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся на ней в некоторой точке F, которая и будет изображением точки S. Эта точка носит название сопряжённого фокуса, или просто фокуса.

Если на линзу будет падать свет от очень удалённого источника, лучи которого можно представить идущими  параллельным пучком, то по выходе из неё  лучи преломятся под большим углом  и точка F переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется фокусом  F’, а расстояние от центра линзы до фокуса — фокусным расстоянием.

Лучи, падающие на рассеивающую линзу, по выходе из неё будут преломляться в сторону краёв линзы, то есть рассеиваться. Если эти лучи продолжить в обратном направлении так, как показано на рисунке пунктирной линией, то они сойдутся в одной точке F, которая и будет фокусом этой линзы. Этот фокус будет мнимым.

 

Сказанное о фокусе на оптической оси в равной степени относится и к тем случаям, когда изображение точки находится на наклонной линии, проходящей через центр линзы под углом к оптической оси. Плоскость, перпендикулярная оптической оси, расположенная в фокусе линзы, называется фокальной плоскостью.

Собирательные линзы могут быть направлены к предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении  через линзу могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким образом, линза  имеет два фокуса — передний и задний. Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от главных точек линзы.

 

 

Ход лучей в  системе линз

Ход лучей в системе  линз строится теми же методами, что  и для одиночной линзы.

Рассмотрим  систему из двух линз, одна из которых имеет фокусное расстояние OF, а вторая O₂F₂. Строим путь SAB для первой линзы и продолжаем отрезок AB до вхождения во вторую линзу в точке C

 

 

Из точки O₂ строим луч O₂E, параллельный AB. При пересечении с фокальной плоскостью второй линзы этот луч даст точку E. Согласно второму свойству тонкой линзы луч AB после прохождения через вторую линзу пойдёт по пути BE. Пересечение этой линии с оптической осью второй линзы даст точку D, где сфокусируются все лучи, вышедшие из источника S и прошедшие через обе линзы.

 

 

 

 

Объектив и  диафрагма.

Одно из главных  составляющих фотоаппарата - объектив. Без него современный фотоаппарат  был бы простым ящиком с регистрирующими  датчиками. Раньше, конечно же, была камера-обскура, в которой не требовалось  наличие дополнительных линз. А сегодня фотоаппарат не возможно представить не объектива. 

Объектив — это  система центрированных линз, собранных  в оптический блок внутри специальной  оправы. Между линзами располагается  диафрагма.

Объектив служит для получения  на светочувствительном слое изображения снимаемого объекта. От свойств объектива в значительной степени зависит качество полученного изображения.

На рис. представлен внешний  вид объектива. Основными конструктивными  элементами объективов являются оправа, линзы, диафрагма.

 

Оправа предназначена  для правильного расчетного расположения в ней системы линз (4 и более), диафрагмы, механизма управления диафрагмой, а в некоторых оправах и  механизма центрального затвора  перед последней линзой. Оправа защищает линзы от смещения и механических повреждений.

С внешней стороны оправы находятся  кольца для управления диафрагмой и  фокусировки объектива. В передней части оправы предусмотрены

посадочные места для установки  светофильтров и оптических насадок.

Объективы бывают жестко встроенными в корпус аппарата и съемными.

Съемный объектив крепится к корпусу  фотоаппарата с помощью резьбового или байонетного (штыкового) соединения, которое позволяет быстро произвести замену на объектив с другими характеристиками.

Самый простой объектив — двояковыпуклая сферическая линза. На рис.

 

представлено построение изображения в двояковыпуклой линзе, а на рис.

 

представлены основные параметры объектива.

Главная оптическая ось  сферической линзы — прямая, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Каждая линза имеет одну главную оптическую ось. В сложном объективе главные оптические оси всех линз совпадают, составляя центрированную систему сферических поверхностей.

Фокус (от лат. focus — букв, очаг) — F в оптике — точка, в которой собирается прошедший через оптическую систему параллельный пучок световых лучей. Если пучок параллелен главной оптической оси системы, то фокус также лежит на оси и называется главным, а расстояние f от объектива до этой точки — фокусным расстоянием.

Фокусное расстояние объектива  — величина постоянная, выражается в миллиметрах.

В каждой линзе два фокуса: передний F и задний F (см. рис.).

Плоскость, проходящая через главный  фокус перпендикулярно оптической оси объектива, называется фокальной  плоскостью, Р (см. рис.); в этой плоскости располагается фотопленка.

Основные оптические характеристики объектива:

♦  главное фокусное расстояние;

♦  относительное отверстие;

♦  глубина резкости;

♦  угол поля изображения;

♦  разрешающая способность (сила);

♦  аберрации.

Фокусное расстояние f — расстояние по оптической оси объектива от точки заднего фокуса F до его главной плоскости Н.

Главное фокусное расстояние обычно называют просто фокусным расстоянием, величина его гравируется на оправе объектива. В прямой зависимости от фокусного расстояния находится масштаб даваемого объективом изображения. Чем больше фокусное расстояние объектива, тем крупнее получается изображение.

На снимке изображение получается во столько раз меньше снимаемого объекта, во сколько раз фокусное расстояние меньше расстояния до снимаемого объекта.

В зависимости от величины фокусного расстояния все объективы  подразделяются на нормальные, короткофокусные, длиннофокусные и объективы с  переменным фокусным расстоянием.

Нормальные, или штатные, объективы имеют фокусное расстояние, приблизительно равное диагонали кадра, и угол изображения у = 45—55°. Термин "нормальный" связан с нормальным зрением человека. Глаза человека видят в пределах 45—55°, поэтому такой объектив имеет как бы универсальный характер и может использоваться практически при любых съемках. Естественно, что поступающие в продажу ФА комплектуются штатными объективами.

Объективы с большим углом изображения  у, их называют короткофокусные или  широкоугольные, имеют угол изображения более 55°. Такие объективы применяют при съемке архитектурных сооружений или в закрытых помещениях, где нельзя отступить назад. Сверхширокоугольные объективы с углом поля зрения 90° и выше — это группа объективов, имеющих самое короткое фокусное расстояние, в которую входят также объективы "Рыбий глаз" (Fish eye) с углом поля зрения до 180°. Фокусное расстояние таких объективов— 8—16 мм.

Объективы, применяемые для съемки удаленных предметов, имеют угол изображения менее 45°, они называются длиннофокусными, или телеобъективами. Угол поля зрения телеобъективов может составлять единицы градусов.

Особую группу составляют объективы  с переменным фокусным расстоянием (Zoom-lens). Масштаб изображения определяется выбором точки съемки. Чтобы правильно  заполнить кадр при удачно выбранной точке, необходим объектив с плавно меняющимся фокусным расстоянием. Он не только наменяет набор сменных объективов, но и позволяет переходить без перерыва от общего плана к крупному и даже отдельной детали.

Отношение наибольшего фокусного расстояния к наименьшему называется кратностью объектива. Например, объектив с переменным фокусным расстоянием от 35 мм до 105 мм относится к трехкратным. Такой объектив может изменять масштаб в 3 раза.

Выпускаемые в настоящее время  объективы с переменным фокусным расстоянием по своим характеристикам могут заменить весь ряд сменных объективов с фокусным расстоянием от 20 до 1000 мм.

Второй характеристикой объектива  является относительное отверстие. 

Относительное отверстие  объектива - это отношение диаметра действующего отверстия объектива к его фокусному расстоянию (d/f). Оно показывает, во сколько раз диаметр круглого отверстия объектива меньше фокусного расстояния. Относительные отверстия объективов стандартизованы. Более всего используются объективы, у которых относительное отверстие (без диафрагмирования) составляет: 1:2; 1:2,8; 1:3,5; 1:4,5.

Величина, обратная относительному отверстию, называется диафрагменным числом.

Относительное отверстие объективов изменяется с помощью диафрагмы, которая является необходимой частью объектива и находится, как указывалось выше, между его линзами. Назначение диафрагмы заключается в изменении светового потока, проходящего через объектив.

Наибольшее распространение получила ирисовая диафрагма, у которой световое отверстие образуется несколькими дугообразными лепестками-ламелями С-образной формы, соединенными с подвижным кольцом. При повороте кольца лепестки сходятся или расходятся, плавно уменьшая или увеличивая диаметр светового отверстия. Для установки определенного диаметра светового отверстия на внешней части оправы (на кольце, соединенном  с механизмом установки диафрагмы) нанесена шкала диафрагменных чисел.