Основные узлы цифровых фотоаппаратов - Применение цифровых фотоаппаратов в допечатной подготовке

Основными узлами цифровых фотоаппаратов являются:

Оптическая система

ПЗС-матрица - приемник изображения

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Модули памяти и другие устройства

Наиболее важными элементами всей аппаратуры "технического зрения", а это фотоаппараты, видеокамеры, цифровое телевидение, являются оптическая система и ПЗС-матрица, которые определяют весь возможный объем получаемой информации.

Оптическая система представляет собой самое главное звено цифрового фотоаппарата, вносимых ею в изображение искажений.

Искажения, вносимые в изображение, зависят от того, как точно рассчитана оптическая система, и на сколько точно выбранный тип системы изготовлен. Главным образом, искажения изображения в оптической системе зависят от ряда аберраций:

Сферической (присутствует в системах, поверхность которых представлена сферой)

Хроматической

Астигматизма и других

Сферическая и хроматическая аберрации приводят к увеличению кружка рассеяния, которое является импульсной характеристикой оптической системы, то есть размытию элемента изображения, а астигматизм - непосредственно искажают изображение. Также стоит отметить, что каждый из видов аберраций зависит в свою очередь от основных параметров оптической системы, а именно от требуемого поля зрения или требуемого относительного отверстия (диафрагмы).

Необходимо иметь в виду, что качество изображения, определяемое оптической системой при изменении основных параметров (фокуса, диафрагмы и поля зрения), характеризуемое размером кружка рассеивания, зависит от их произведения, которое является величиной постоянной, то есть увеличение поля зрения возможно, если уменьшать относительное отверстие или фокусное расстояние, а создание сверх светосильной системы, наоборот, возможно только за счет уменьшения поля зрения в случае, если нежелательно ухудшать качество изображения. Необходимо также иметь в виду, что оптическая система является фильтром низких пространственных частот, даже если она безаберрационна. Величина кружка рассеяния, является откликом системы на единичный "импульс", определяется из формулы, полученной физиком Эри для "идеальной" (безаберрационной)системы:

Dкр=2.44F/Д

Где - длина источника света; F/Д - величина относительного отверстия оптической системы.

Таким образом, "идеальную" оптическую систему, которая является главным входным звеном цифровой фотокамеры, можно, но с достаточно большими трудностями приблизить как к "идеальному" звену аппаратуры, практически не искажающему изображение. Также стоит отметить, что пространственно-частотные характеристики системы непосредственно определяют качество промежуточного изображения:

E(X, Y)=L(X, Y)G(X, Y),

Где, E(X, Y) - пространственно-частотный спектр изображения; L(X, Y) - пространственно-частотный спектр яркости объекта; G(X, Y) - пространственно-частотная характеристика оптической системы.

Что касается изготовления самой оптики, то поверхность всех современных объективов имеет просветляющее пластиковое покрытие, устраняющее засветки от отражения лучей поверхностями линз. А сами линзы изготавливаются только из стекла.

Основными производителями цифровых фотокамер с качественной оптикой являются: Canon, Nikon, Minolta, Pentax, Olympus и Sony, а также немецкая фирма Schneider, которая специализируется на производстве фотооптики.

Оптика цифрового фотоаппарата нуждается в таком же уходе, как и объективы пленочных камер. Поверхность внешней линзы объектива достаточно хорошо защищена от внешних воздействий - на ней не удерживаются капли влаги, а по этому не остаются пятна от высохнувшего конденсата. Но от пыли, грязи и механических повреждений не защитит объектив даже самое совершенное покрытие. Поэтому следует очень аккуратно обращаться с оптикой фотоаппаратов.

Приемник изображения является вторым важнейшим звеном цифрового фотоаппарата. Современные ПЗС матрицы, устанавливаемые в цифровые фотоаппараты, имеют ряд преимуществ перед другими носителями информации, например, такими как фотопленка. ПЗС матрицы могут работать в любой области спектра от УФ до теплового (8 - 20 мкм) и при освещенности от единиц до сотен люкс, таким образом при ночной съемке (когда объекты имеют тепловой контраст по отношению к другим объектам или фону) ПЗС матрицы тоже работают. Основное преимущество ПЗС матрицы - "жесткий" растр: изображение не искажается из-за нестабильности магнитного поля или электростатического поля, а передает изображение точки с точностью до доли чувствительного элемента матрицы, таким образом ПЗС-матрица является на сегодняшний момент "идеальным" приемником изображения, который не искажает проецируемое на него изображение.

Работа ПЗС матрицы заключатся в том, что при проецировании изображения на чувствительную поверхность матрицы на ее каждом элементе накапливается заряд, пропорциональный освещенности данного элемента. Заряд накапливается на дискретных емкостях - МОП-структуре (металл-окисел-полупроводник). Развертка изображения в ПЗС-матрице реализуется в принципиально отличном варианте: многоэлементное зарядовое изображение перемещается в кристалле кремния под гребенкой электродов при подаче на них "бегущей волны" напряжения. При этом процесс развертки завершается поэлементным переносом зарядовых пакетов в выходном регистре к считывающему устройству. ПЗС-матрица разделена на два массива: накопительный и буферный. Буферный необходим для исключения расплывчатого изображения при его считывании. ПЗС-матрица может осуществлять считывание каждого фотона с измерением его координат. Существенным недостатком матриц является возможное появление нечувствительности ее элементов, что приводит к геометрическому шуму. С этим явлением научились бороться путем охлаждения ПЗС-матрицы. Иногда в аппаратурных комплексах структурный шум убирают при помощи запоминания (при балансировке белого на чистый белый фон) и вычитания шума при работе на регистрируемый объект. Важнейшими параметрами ПЗС-матриц является размер чувствительного элемента, величина площади поверхности ПЗС-матрицы и количество элементов (пикселов). Что касается размера чувствительного элемента, то его размер должен соответствовать размеру кружа рассеивания оптической системы.

Теоретически можно показать, что размеры чувствительных элементов современных матриц еще не достигли предельно малых значений. Например, при длине волны =0,56 мкм (зеленая область спектра) и F/Д=1,2 (размер кружка рассеивания "идеальной" безаберрационной оптической системы), размер элемента будет равен 2,44F/Д=2,44*0,56*1,2=1,6 [мкм]. Таким образом получается, что размер элемента ПЗС-матрицы превышает это значение приблизительно в 4 - 7 раз.

Достигнутый размер матрицы ПЗС составляет на сегодняшний день 24х36 мм, что соответствует размеру кадра обычной фотопленки. Таким образом, такую матрицу ПЗС можно применять в профессиональных пленочных фотоаппаратах, превращая его в цифровой. Еще нужно отметить, что чем размер матрицы больше, темь лучше ее светочувствительность, а, следовательно, больше она сможет передать ступеней перепадов яркости между абсолютно белым и абсолютно черным цветами. Количество этих градаций и есть собственно динамический диапазон.

Но для получения цифровым фотоаппаратом "идеального" качества воспроизведения изображения, нужно соответственно увеличивать количество элементов ПЗС-матрицы. Нетрудно сосчитать, какой должна быть эта матрица: 24/0,0016х36/0,0016=15000х22500 [элементов]. Отсюда - количество элементов матрицы составит 337,5 млн., при сравнении с зернистостью фотопленки - 20 млн. чувствительных зерен (пикселов). Все современные цифровые фотокамеры, представленные на рынке, предназначены для съемки цветного изображения, при этом в конечном результате важна точность цветопередачи. Для того чтобы снимок получался цветным, каждый сенсор снабжается цветными фильтрами. Они могут быть красным, зеленым и синим (RGB - Red, Greed, Blue) или голубым, пурпурным и желтым (CMY - Cyan, Magenta и Yellow) с дополнительным зеленым фильтром для придания изображению естественности. Данные каждого сенсора позволяют выделить один из 256 уровней заряда, поэтому каждый цвет имеет 256 уровней интенсивности (яркости), что позволяет воспроизводить 16,7 млн оттенков (256 х 256 х 256). Данные о яркости, зафиксированные каждым из сенсоров, оцифровываются и хранятся в памяти камеры. Воспроизведение цветного изображения достигается путем использования одной или трех матриц. В них (трехкадровых) экспозиция производится трижды через светофильтр базового цвета поочередно. В результате цветопередача получается максимального качества, но быстродействие системы падает, что не позволяет снимать быстро движущиеся предметы. Такие камеры обычно применяют для съемки репродукций или архитектуры.

Альтернативой таким камерам являются камеры с тремя матрицами ПЗС, каждая из которых фиксирует изображение за своим светофильтром каждого из базовых цветов.

Похожие статьи




Основные узлы цифровых фотоаппаратов - Применение цифровых фотоаппаратов в допечатной подготовке

Предыдущая | Следующая