Принцип работы цифровых фотоаппаратов

 

 

 

Реферат по атомной  физике

на тему:

Принцип работы цифровых фотоаппаратов

Выполнила: Трушко И.А.

3 курс 3 группа

Преподаватель: Хомич М.И.

 

 

 

 

 

2012 г.  
Устройство  цифровых  фотоаппаратов

Совершенствование системы всегда имело целью получение изображения как можно более детализированного, соответствующего объекту съемки по распределению яркости и цветопередаче и отвечающего, кроме прочего, желанию фотографа. Объектив, пленка, коробка и затвор определяют требуемое качество изображения, а для реализации стремлений фотографа служит видоискатель и система управления фокусировкой и выдержкой. Рутинную деятельность по выбору и отработке экспозиции и фокусировки с успехом выполняет автоматика современной камеры, снимающему остается лишь указать автоматике, на что фокусироваться, и выбрать программу, соответствующую представлениям фотографа о «правильной экспозиции и фокусировке» для конкретной ситуации. Когда на место пленки в фильмовый канал фотоаппарата установили чувствительную матрицу, началась цифровая фотография. Были использованы опыт и технологии конструирования пленочных фотоаппаратов. 

При беглом взгляде  на камеру можно увидеть: линзу объектива, глазок видоискателя, встроенную вспышку, органы управления (множество кнопок и переключателей), отсек разъёмов, отсек элементов питания. А теперь о каждом элементе подробнее. 
   

  Объективы многих камер при выключенном питании полностью погружаются в корпус камеры и выезжают из него при включении. Небольшой удар по нему во включенном положении может вывести камеру из строя. 

Другой элемент  объектива, с которым нужно быть крайне осторожным вне зависимости  от конструкции фотоаппарата, -это  передняя линза. Её необходимо крайне тщательно оберегать от контакта с любыми предметами, способными выпачкать  либо поцарапать поверхность. От чистоты линзы напрямую зависит качество изображения на снимках, его резкость.  

Зумируемый объектив очень похож на аналогичный объектив плёночной камеры, однако если внимательно  посмотреть на него, можно заметить, что у цифровой камеры он немного меньше, да и его фокусное расстояние значительно уменьшилось-8-16 мм вместо 35-70 мм. Причина этого - небольшой размер светочувствительной матрицы в сравнении с кадром на плёнке. Диагональ светочувствительной поверхности матрицы многих любительских цифровых фотоаппаратов чуть меньше 10мм, а диагональ кадра на обычной фотоплёнке равна 43мм. Поэтому фокусное расстояние объективов цифровых камер значительно меньше, чем у плёночных. Однако угол, под которым фотоаппарат «видит» предметы, при этом останется прежним.  
          

 
Диафрагма и затвор камеры, как правило, располагаются внутри объектива. Состоящая  из нескольких лепестков диафрагма, закрываясь, уменьшает диаметр отверстия, через которое свет проходит на матрицу. Благодаря этому уменьшается количество прошедшего света, предотвращается излишняя засветка матрицы, снимки получаются хорошими независимо от того, насколько ярко освещён объект съёмки. 

Рядом расположен затвор. Открываясь и закрываясь, он так  же, как и диафрагма, способен изменять количество упавшего на матрицу света. Но работает он несколько иначе, чем затвор плёночного фотоаппарата. Затвор плёночной камеры всегда находится в закрытом положении и открывается лишь на короткий миг, в момент съёмки. А вот затвор цифровой камеры, как правило, открыт. Свет, прошедший сквозь объектив, непрерывно попадает на матрицу.

Фиксация изображения  цифровым фотоаппаратом

Для регистрации  изображения используется электронно-оптический преобразователь, а для хранения — флэш-память.

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) — прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал. Характеризуется разрешением — количеством точек по вертикали и горизонтали, а также соотношением сигнал/шум. 
Флэш-память — энергонезависимая память, сохраняющая информацию после выключения питания. Характеризуется форм-фактором, емкостью (в мегабайтах), скоростью доступа и напряжением питания (как правило, 3,3 либо 5 В).

В качестве ЭОП используются два типа устройств — ПЗС-матрицы (матрицы приборов с зарядовой  связью) и КМОП-матрицы. Чаще в цифровых фотокамерах используются ПЗС-матрицы.

 

ПЗС, прибор с зарядовой  связью, — устройство, накапливающее  электронный заряд при попадании  на него светового потока. Уровень  заряда зависит от интенсивности  и продолжительности освещения. В англоязычной литературе используется определение CCD (Couple-Charged Device).

По конструкции  данные устройства примерно похожи на используемые в видеокамерах матрицы, основное различие заключается в  разрешении. Эта же характеристика является одной из основных при описании цифровой фотокамеры, именно дороговизна ПЗС-матриц с большим количеством элементов сдерживала развитие цифровой фотографии. И если для любительской видеокамеры достаточно матрицы из 300 тысяч элементов, то для фотографии размером 9x12 см необходимо наличие как минимум мегапиксела.

Цифровая камера непрерывно получает изображение с  матрицы и отображает его на мониторе камеры. Если затвор закрыть, изображения  на мониторе станет не видно (многие камеры автоматически закрывают затвор при выключении монитора). А вот после съёмки кадра с большим разрешением затвор закрывается на доли секунд - время, требуемое для полного копирования информации с матрицы в память фотоаппарата. 
   

Сразу за линзами  объектива может быть расположен инфракрасный фильтр, препятствующий прохождению инфракрасных лучей на светочувствительную матрицу чувствительную к таким лучам. Наше зрение не позволяют увидеть инфракрасные лучи, а значит не должен их видеть и цифровой фотоаппарат. Иначе изображение, полученное при помощи подобной камеры будет отличаться от видимого нами, а подобное  несоответствие мы воспримем как недостаток камеры. 

 

Далее по ходу лучей  света располагается светочувствительная матрица фотоаппарата- чип, верхняя часть которого выполнена из стекла. Под защитным стеклом находится светочувствительная поверхность матрицы. Именно характеристики матрицы в значительной степени определяют качество снимков, сказываются они и на цене камеры. Поверхность матрицы усеяна множеством мельчайших светочувствительных ячеек. Свет, падая на поверхность ячеек, создаёт в глубине каждой из них электрический заряд. Если света подействовало много - заряд большой, мало света, и заряд естественно не велик. После съёмки образовавшиеся заряды переносятся в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Здесь происходит их оцифровка, преобразование в цифровой вид. Большим зарядам присваиваются большие числа, а небольшим - маленькие. Если заряд в ячейке отсутствует, ему присваивается значение 0, а вот максимальное значение зависит от разрядности (битности) АЦП. У большинства камер это значение соответствует 255 (8 бит на канал).

 

   Оцифрованная информация попадает в оперативную память камеры (ОЗУ). Это микросхема, способная  хранить информацию только при наличии  электрического питания. Если камера внезапно выключится, вся информация (будущий снимок) пропадёт. Но этого не стоит опасаться! Снимок находится в ОЗУ всего лишь доли секунды. Здесь происходит его цифровая обработка - улучшается тоно - и цветопередача, корректируется резкость, яркость и контрастность изображения. Используемые на этой стадии алгоритмы обработки являются достоянием фирм-производителей фототехники. Не секрет, что в цифровых камерах разных фирм могут использоваться одинаковые светочувствительные матрицы, а количество полученного изображения будет существенно отличаться, причина этого кроется именно в различной цифровой обработке полученного сигнала.

Преобразованный в  соответствии с фирменными разработками производителей и установками камеры снимок переносится в энергонезависимую память фотоаппарата или на карту памяти. Здесь цифровая фотография может храниться сколько угодно долго, независимо от того, есть в камере элементы питания или нет. Управляет всеми перемещениями и преобразованиями снимка в камере центральный процессор или, как принято говорить, чипсет. Ведь это не только процессор, здесь же находятся и другие аппаратные средства, управляющие камерой. 
   

Одним из главных  элементов в видеокамерах и цифровых фотоаппаратов является устройства, отвечающие за преобразования света в электрический сигнал. В настоящие время для этого применяются КМОП - секторы и приборы с зарядовой связью (ПЗС).  
  

Зарядовая связь – это передача заряда от одного МОП - конденсатора другому, расположенных на одной кремниевой подложке.  

МОП –  конденсатор образован структурой металл- окисел- полупроводник, откуда и его название. Предположим, у нас как C1, C2, C3 (илл.1). Все они имеют одну общую обкладку в идее пластины кремния, которая называется подложкой. 

Проложим  к конденсатору С2 напряжение U. Возникшее здесь электрическое поле может удержать некоторый заряд Q. Пока не будет разбирать, откуда этот заряд взялся. 
На соседние конденсаторы С1 и С3 напряжение не подано, электрического поля у них нет, что создаёт потенциальные барьеры для электронов, и поэтому весь заряд Q находится под конденсатором С2. 

Потенциальный барьер – это как бы перегородка между конденсаторами, созданная разностью потенциалов (откуда и название барьера – потенциальный) этих конденсаторов.

А что будет, если мы уберём потенциальный барьер, например, между С2 и С3, подав напряжение и на С3? Здесь также возникнет потенциальная яма, теперь она будет под двумя конденсаторами, и электроны распределятся между ними. Если же снять напряжение с С2, то весь заряд перетечёт под С3. вот мы и осуществили зарядовую связь, передав зарядовый пакет от одного электрона (С2) другому (С3) при помощи коммутации внешних напряжений. 

 

 

    
Очень удобно представить себе потенциальную  яму в виде ведра, а вода в нем  будет играть роль заряда. Ведро может быть и пустое, и с водой. Если у нас есть ряд стоящих вёдер, зарядовую связь можно сравнить с процессом переливании воды из одного ведра в другое - соседние. А командуют этим процессом внешние импульсы управления. Эта аналогия во многом помогает понять некоторые проблемы, и к ней мы ещё будем возвращаться. 
Откуда же в полупроводнике берутся заряды? Прежде всего из-за термогенерации (т.н. темновой ток): под действием температуры в полупроводнике рождаются пары электрон – дырка. Но это паразитный процесс, с которым необходимо бороться. Породить электронно-дырочные пары может фотон света, попадающий в полупроводник. Таким порожденные заряды называются фотогенерированными. Они-то и представляют интерес для нас. 
   

Куда и зачем  надо перемещать заряды в ПЗС? Дело в том, что падающий на полупроводник свет образует в нем свободные электроны. Ярче свет в данном месте – больше электронов появляется в потенциальной яме находящегося там конденсатора. И теперь эти зарядовые пакеты электронов надо считать, так как это и есть полезный сигнал, несущий информацию об изображении, которое мы снимаем. Поэтому заряды в ПЗС перемещаются к считывающему устройству, которое преобразует их в напряжение.

Представим длинную  цепочку расположенных рядом  конденсаторов (илл. 2), причем конденсаторы соединяются между собой. Вывод соединенных вместе конденсаторов будем называть фазой. Пусть напряжение подано на фазу Ф1. При этом сигнальные пакеты (разные по количеству электронов) могут находиться под конденсаторами С1, С4 и С7. Далее подаем напряжение ещё и на Ф2, а Ф1, наоборот, снимаем в результате заряды плавно перетекают под фазу Ф2 (под конденсаторы С2, С5). Затем напряжение подается на Ф№, с Ф2 снимается – заряд переходит под С3и С6, и так деле.

Вот мы и получили сдвиговый ПЗС- регистр, который для работы требует три управляющие импульсные последовательности, потому и называется трёхфазовым. Отсутствие напряжение хранения (точнее, пулевое или небольшое напряжение обратной полярности) под одной из фаз при переносе заряда создаётся потенциальный барьер и является гарантией того, что зарядовые пакеты не будут растекаться. В конце регистра заряды попадают в считывающее устройство, преобразующее их в напряжение.  
   

В принципе можно обойтись и двумя фазами переноса. И такие двух фазные системы  существуют и используется достаточно широко. Они более сложные в  изготовление, там применяются так  называемые встроенные барьеры, что  требует дополнительных технологических  операций. Попутно заметим, что есть и другие системы. Например, компания THOMSON применяет четырёхфазную систему переноса. Её преимущество - в более простой технологии изготовления. 

Не  будем забывать, что нам нужно  устройство, которое видит. Однако вот  беда: как же свету попасть в полупроводник (чтобы там получился заряд электронов), ведь металлические электроды ПЗС не пропускает падающий на них свет? Между электродами даже нет щелей (на рисунке они показаны условно). Электроды делаются так, что немного перекрывают друг друга (илл.3),иначе потенциальный барьер между конденсаторами не исчезнет и будет препятствовать перетеканию заряда. Как же быть? Выходов несколько. 

Можно осветить ПЗС обратной стороны, где нет металлических электродов. Для этого подложку прибора надо сделать тонкой. Однако даже сейчас в технологическом плане это наталкивается на определённые трудности, хотя такие приборы выпускаются. Другой способ – сделать электроды из такого материала, который бы и свет пропускал, и ток проводил. Таких материалов немного. Более того, нельзя сказать, что хоть один из них идеально подходит для поставленных целей. Наиболее широко используется т.н. поликремний. Он имеет несколько иную структуру, чем обычный кремний, и соответственно несколько иные свойства. Ток поликремний проводит, но его электрическое сопротивление заметно больше, чем у металлов, и это создаёт определенные трудности при изготовлении больших ПЗС. Да и свет он пропускает не очень хорошо, особенно в синей области спектра. Однако поликремний лучше других материалов вписывается в существующую технологию, поэтому серьёзных конкурентов не имеется. В тоже время компания Kodak успешно экспериментирует с материалами на основе индия, например, ITO – Indium Tin Oxide (сплава индия и оксида олова).