Устройство и принцип работы фотоаппарата

Современный фотоаппарат представляет собой электронный оптико-механический прибор для создания оптического изображения объекта на поверхности светочувствительного материала или ПЗС-матрицы.

В момент фотографирования изображение объекта с помощью объектива проецируется на светочувствительный материал в течение определенного промежутка времени, называемого выдержкой. В результате на поверхности светочувствительного материала образуется скрытое изображение объекта съемки, которое после химической обработки превращается в видимое. В случае использования П3С-матрицы, на ее поверхности образуется совокупность дискретных информационных зарядов, пропорциональных интенсивности падающего на каждую из её ячеек светового потока.

Несмотря на многообразие выпускаемых моделей фотоаппаратов, все они имеют общие по назначению конструктивные узлы.

Основными конструктивными узлами фотоаппарата являются корпус, объектив, диафрагма, фокусировочное устройство, затвор, видоискатель, экспонометрическое устройство, механизм транспортировки фотопленки, электронная лампа-вспышка (рис. 31).

Корпус является несущей частью фотоаппарата, в которой монтируются все узлы и механизмы фотоаппарата, и размещается светочувствительный материал. Корпус должен иметь жесткую конструкцию и изготавливаться из прочного и светонепроницаемого материала: алюминиево-титановых сплавов, поликарбоната. Для уменьшения внутреннего светорассеяния, внутренние стенки корпуса должны иметь черную матовую поверхность.

На передней панели корпуса находится объектив, который либо жестко встраивается в корпус, либо крепится на нем с помощью резьбового или байонетного соединения. За объективом со стороны задней панели корпуса имеется кадровая рамка, просвет в которой называется кадровым окном. Кадровое окно определяет размеры поля изображения на светочувствительном материале - формат кадра. Фотографический кадр всегда представляет собой прямоугольник или квадрат, а наибольшей линейной величиной в таких геометрических фигурах служит диагональ.

Фотографический 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.

Линзы объектива изготавливают из специального высококачественного оптического стекла или из пластических масс (используются лишь в простых фотоаппаратах). В оптическую систему фотоаппаратов высокого класса может входить до 15 линз, а также сферические зеркала. От свойств объектива в значительной степени зависит качество получаемого изображения.

Оправа объектива обеспечивает правильное положение линз. В оправу объектива вводятся диафрагма, механизмы фокусировки и изменения фокусного расстояния. В наиболее простые компактные фотоаппараты в оправу объектива монтируют затвор (часто его объединяют с диафрагмой).

К основным параметрам объектива относятся: фокусное расстояние, относительное отверстие и разрешающая способность.

Фокусное расстояние - это расстояние от оптического центра объектива до его фокуса, оно характеризует его преломляющую способность, определяет масштаб получаемого изображения и угол изображения объектива. Величина фокусного расстояния указывается на объективе в мм.

Масштабом называется отношение размеров изображения к размерам изображаемого объекта. Масштаб прямо пропорционален величине фокусного расстояния объектива. Чем больше фокусное расстояние объектива, тем больше размеры получаемого изображения.

Угол изображения является также одной из основных характеристик съемочного объектива, характеризующих угол охвата предметного пространства. От него зависит та область пространства, которая попадет в кадр. Чем больше угол изображения объектива, тем большая область пространства попадет в кадр и наоборот. Между фокусным расстоянием объектива и его углом зрения существует обратно пропорциональная зависимость.

Объективы с большим фокусным расстоянием, у которых фокусное расстояние больше диагонали кадра, угол зрения может составлять от

45° до единиц градусов. Такие объективы называют длиннофокусными. Они обеспечивают съемку удаленных предметов крупным планом. В то же время подобные объективы не передают объемности и глубины пространства (пространство кажется придвинутым к переднему плану). Они не позволяют производить съемку широкоплановых объектов.

Объективы с нормальным фокусным расстоянием, у которых фокусное расстояние приблизительно равно диагонали кадра, имеют угол зрения человеческого глаза (45° - 60°). Эти объективы обеспечивают получение изображений с правильной геометрией и нормальное восприятие пространственных соотношений изображенных предметов. Они могут быть использованы практически для всех видов съемок, за исключением крупноплановых портретов, вследствие возникающих искажений при съемке с расстояний ближе 1,5 м.

Объективы с малым фокусным расстоянием (короткофокусные), у которых фокусное расстояние меньше диагонали кадра, имеют угол зрения больше 60°. Они позволяют осуществлять съемку широкоплановых объектов с близкого расстояния. В то же время эти объективы при съемке разноудаленных объектов с близкого расстояния, непропорционально увеличивают глубину пространства.

Относительное отверстие объектива является одной из важнейших светотехнических характеристик объектива, определяющей его светосилу - способность формировать на светочувствительном материале световое изображение объекта той или иной степени яркости при данной освещенности объекта съемки.

Различают относительное отверстие объектива геометрическое и эффективное. Геометрическое относительное отверстие объектива выражается отношением диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию, является безразмерной величиной и обязательно указывается наряду с фокусным расстоянием, на оправе объектива и в руководстве по эксплуатации.

Величина относительного отверстия выражается дробью, где числитель равен единице, а знаменатель показывает во сколько раз фокусное расстояние больше диаметра входного зрачка объектива. Обычно диаметр входного зрачка равен диаметру передней линзы объектива. Очень часто относительное отверстие объектива обозначают только знаменателем дроби. Чем меньше знаменатель дроби, тем относительное отверстие, а следовательно, исветосила объектива больше, так как больше сама величина дроби.

Диафрагма предназначена для изменения величины светового отверстия объектива. С помощью диафрагмы регулируют освещенность светочувствительного материала и изменяют глубину резко изображаемого пространства. Наибольшее распространение получила ирисовая диафрагма, отверстие которой образуется несколькими серповидными лепестками (ламелями), расположенными симметрично вокруг оптической оси объектива (рис. 32). В фотоаппаратах может применяться ручное и автоматическое управление диафрагмой.

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; 32; 43. 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.

В зависимости от механизма привода, диафрагмы могут быть с постоянной установкой на определенное значение шкалы и моргающие, которые постоянно раскрыты и закрываются до необходимого значения лишь при нажатии на кнопку спуска затвора на время выдержки.

Важным свойством объектива, определяющим качество получаемого изображения, является глубина резкости.

Глубина резкости объектива характеризует его способность удовлетворительно резко изображать на светочувствительном материале объекты, расположенные от него на разном расстоянии и таким образом определяет требуемую точность фокусировки.

Расстояние между передней и задней границами резкости называется глубиной резко изображаемого пространства (рис. 33). На рисунке показана зависимость глубины резкости от величины действующего отверстия объектива. Для быстрого механического определения границ резко изображаемого пространства на оправы некоторых объективов нанесена шкала глубины резкости, которая представляет собой симметрично расположенные относительно установочного знака диафрагменные числа (величины, обратные относительному отверстию объектива). Располагается шкала глубины резкости между шкалой расстояний и шкалой диафрагм. Границы резко изображаемого пространства определяются по шкале расстояний в соответствии с выбранными значениями диафрагмы (Рис. 33).

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 оптического блока 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 и зависящего от величины максимального выдвижения объектива.

Диапазон фокусировки объектива фотоаппарата определяется конструкцией механизма фокусировки. 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, устанавливаются и закрепляются на фотоаппарате, будучи сфокусированными на некоторое постоянное расстояние (обычно на гиперфокальное расстояние).

Под гиперфокальным расстоянием понимается минимальное расстояние от объектива до такой плоскости в пространстве предметов, при фокусировке на которую задняя граница резко изображаемого пространства находится в бесконечности.

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.

Изменение фокусного расстояния объектива осуществляется путем изменения взаимного расположения линз в объективе поворотом специального кольца на его оправе либо механизированным способом: нажатием соответствующей кнопки на верхней панели корпуса фотоаппарата. При этом микро электродвигатель перемещает вдоль оптической оси линзы объектива.

Фотографический 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 с): 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; 3.

Затвор состоит из световых заслонок, перекрывающих световой поток, механизма выдержек, отрабатывающего установленное время экспонирования и привода, обеспечивающего перемещение световых заслонок.

Фотографические затворы различают по принципу работы (центральные и щелевые), по месту расположения световых заслонок (апертурные и фокальные), по конструкции (лепестковые, ламельные, шторные), по конструкции механизма выдержек (механические, электромеханические и затворы с электронным управлением).

В центральных затворах (рис. 35)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. По месту расположения центральные затворы являются апертурными, так как располагаются непосредственно возле оптического блока объектива или между его линзами.

Особую группу центральных фотографических затворов представляют затворы-диафрагмы, у которых функции затвора и диафрагмы объединены в одном механизме с регулированием величины и длительности открытия светового отверстия.

Центральные затворы применяются в компактных фотоаппаратах, имеющих жестко встроенный несъемный объектив и способны отрабатывать выдержки до 1/500 с. Центральные затворы позволяют использовать импульсные источники света во всем диапазоне их выдержек, потому что при любой из них свет поступает на всю площадь кадра сразу

Щелевые затворы 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 вдоль или поперек кадрового окна. Одна из световых заслонок открывает кадровое окно, а другая - закрывает его (рис. 36).

Экспонирование светочувствительного материала происходит не сразу по всему полю кадра (как в фотоаппаратах с центральным затвором), а последовательно, по мере перемещения щели относительно кадрового окна. Выдержка зависит от скорости перемещения световых заслонок и ширины щели.

Щелевые затворы способны отрабатывать очень короткие выдержки (в 1/4000 с и короче) и применяются в фотоаппаратах, имеющих съемный объектив. Использование импульсных источников света при съемке фотоаппаратом с щелевым затвором возможно только при таких выдержках, при которых щель полностью открывает кадровое окно.

Отработка выдержек затвора в фотоаппаратах может осуществляться под действием механической энергии пружин, а также миниатюрным электродвигателем или электромагнитом (в затворах с электронным управлением).

В фотоаппаратах с электронным управлением затвором, команда на открытие световых заслонок подается от кнопки затвора, а команда на его закрытие - от электронного блока. Электронный блок может работать в ручном и автоматическом режимах. В ручном режиме с помощью переключателя задается время экспонирования (выдержка), по окончании которого электронным блоком подается команда на закрытие затвора. В автоматическом режиме время экспонирования задается электронным блоком, управляемым от фотоприемника экспонометрического устройства.

Применение затворов с электронным управлением позволяет увеличить рабочий диапазон выдержек за счет возможности бесступенчатой отработки выдержки. Так, затвор с электронным управлением в автоматическом режиме может при необходимости (в зависимости от освещенности и светочувствительности пленки) отработать выдержку, отличающуюся от нормированного числового значения выдержки, например, не 1/30 с, а 1/27 с или 1/33 с.

Многие современные фотоаппараты оснащаются затворами с автоспуском, обеспечивающим автоматическое срабатывание затвора через 10-15 сек. после его включения и синхроконтактом, предназначенным для включения фотовспышки синхронно с работой затвора. Синхронизация необходима, чтобы в момент максимального излучения света фотовспышкой световые заслонки фотозатвора были полностью раскрыты.

Видоискатель служит для определения границ пространства, изображаемого съемочным объективом в пределах кадра и его компоновки.

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 или зеркальный (перископический) видоискатель. Компактные фотоаппараты оснащаются телескопическим видоискателем, который располагается в вырезе корпуса фотоаппарата рядом с объективом.

В связи с несовпадением оптической оси съемочного объектива с оптической осью телескопического видоискателя, последний называют параллаксным. Для уменьшения параллактической ошибки при съемке с близких расстояний в поле зрения телескопического видоискателя имеются параллактические отметки. Идентификационным признаком фотоаппаратов с телескопическим видоискателем является наличие на передней панели корпуса фотоаппарата окна видоискателя.

В зеркальных видоискателях съемочный объектив является одновременно и объективом видоискателя (рис. 37).

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).

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

В связи с тем, что шкала выдержек и шкала диафрагм построены по принципу удвоения параметров, то переключение любой шкалы на соседнее значение приводит к изменению общего количества света, падающего на светочувствительный материал, вдвое. Такое изменение называют изменением экспозиции на одну ступень.

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, у которых величина обратного сопротивления зависит от уровня освещенности полупроводникового кристалла. Они имеют высокую чувствительность, малые инерционность и световую усталость и отличаются высокой температурной стабильностью.

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.

Режим «экспозиционная вилка» позволяет осуществить съемку одного и того же сюжета с разной экспозицией (автоматическим изменением экспозиции в обе стороны от той, которая рекомендуется системой экспозамера). Применяется при сложном освещении объекта, в случаях, когда нет гарантии, что экспонометрическая система фотоаппарата правильно определила выдержку и диафрагму, а также при отсутствии экспоизмерительных приборов.

На многих автоматических камерах, в основном зеркальных, эксповилка из трех кадров может отрабатываться автоматически (нормальная экспозиция по данным встроенного экспонометра, недо- и передержка на заданную величину, обычно на одну (± 1 EV) или полступени (± 0,5 EV). Ступень экспозиции означает ее изменение в два раза, то есть переход к соседнему значению выдержки или диафрагмы.

Режим экспокоррекции позволяет более гибко изменять уровень экспозиции (задавать определенную долю прироста или уменьшения той величины, которую экспонометр фотоаппарата считает правильным значением экспозиции). Как правило, диапазон экспокоррекции в фотоаппаратах составляет 2 ступени экспозиционного числа (шаг 0,5 ступени).

Механизм транспортировки пленки служит для перемещения пленки на один кадр, точной ее установки перед объективом и обратной перемотки пленки в кассету после экспонирования. По принципу действия он может быть рычажный, электрический и пружинный. 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. Фотовспышка может быть встроенной в фотоаппарат или автономной, подсоединяемой к нему с помощью кабеля через синхроконтакт. Могут быть фотовспышки и бескабельные

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

Дата добавления: 2015-09-02