Устройство цифрового фотоаппарата

Возникает резонный вопрос - а зачем цифровой камере оптический (телескопический или зеркальный) видоискатель, если подавляющее большинство фотоаппаратов имеют цветной дисплей, полностью повторяющий картинку, построенную светочувствительным сенсором? В том-то и дело, что изображение на дисплее соответствует реальному изображению лишь приблизительно. Малые размеры дисплея не позволяют вывести на его экран изображение с достаточно высоким разрешением, чтобы в полной мере оценить композицию будущего снимка и убедиться в том, что объектив наведен на резкость верно.

Вторая причина - инерционность картинки и, как следствие, замедление работы самой цифровой камеры. С момента включения питания фотоаппарата до его полной готовности к съемке проходит несколько секунд. При выключенном дисплее это время уменьшается в 2-3 раза.

С выключенным дисплеем фотоаппарат потребляет в 2-3 раза меньше электроэнергии, что позволяет продлить время работы. Но самое главное, с оптическим видоискателем гораздо удобней работать. И телескопический, и зеркальный видоискатели дают более яркое и более полное изображение, чем контрольный жидкокристаллический дисплей. При ярком внешнем освещении изображение на дисплее становится неразличимым. Даже новейшие трансфлективные ЖК матрицы, в которых для подсветки применяется специальная отражающая пластина, установленная за слоем жидких кристаллов, с ярким солнцем "справляются" плохо, не говоря уже о традиционных люминесцентных лампах подсветки (точнее, о плоских светящихся панелях).

Наконец, на абсолютном большинстве цифровых фотоаппаратов имеет место эффект виньетирования - обрезания части изображения при выводе его на экран контрольного дисплея. Получается, что камер, у которых изображение на контрольном дисплее по геометрическим и цветовым параметрам совпадает с изображением выдаваемым сенсором, не существует.

Вместе с тем, наличие простого телескопического видоискателя почти не сказывается на стоимости фотоаппарата, а фотограф при этом получает возможность выбора - компоновать кадр при помощи электронного аналога матового стекла или использовать обычный телескопический видоискатель.

Устройство телескопического видоискателя очень простое. В классическом виде это всего лишь пара ограничительных рамок, одна из которых выполняет роль объектива, а другая - окуляра видоискателя. Более совершенна конструкция, состоящая из стеклянной монолитной прямоугольной призмы с плоскими поверхностями. Подобная призма не масштабирует (не увеличивает и не уменьшает) реальное изображение и является вариантом все тех же ограничительных рамок. Наконец, самая распространенная конструкция видоискателя - в виде миниатюрной галилеевой зрительной трубы, состоящей из передней собирающей и задней оборачивающей линз. Общий коэффициент увеличения подобного видоискателя обычно меньше единицы - то есть фотограф видит в окуляре видоискателя уменьшенное изображение, что позволяет рассмотреть всю площадь будущего кадра.

Телескопический видоискатель в виде зрительной трубы, кроме пары линз, состоит из полупрозрачного стекла, на которое нанесены параллактические метки для правильного кадрирования снимка при съемке с близких расстояний. Эффект параллакса возникает в том случае, если оптическая ось объектива не совпадает с оптической осью видоискателя. В результате на близких расстояниях от снимаемого объекта изображение в окуляре видоискателя оказывается смещенным и не соответствует изображению, сфокусированному основным объективом на поверхности пленки или сенсора. В некоторых пленочных и цифровых камерах параллактическая поправка вводится автоматически при помощи компенсаторной призмы, размещенной между передней и задней линзой видоискателя. Но в большинстве случаев достаточно и обычных полупрозрачных меток.

Конструкция телескопического видоискателя позволяет разместить в поле зрения фотографа массу полезной информации. Например, световые или символьные индикаторы готовности встроенной вспышки, значений установленных автоматом экспопараметров, срабатывания автоматической фокусировки и количества оставшихся кадров. Правда, видоискатели любительских цифровых камер (не зеркальных) подобным информативным набором индикаторов снабжаются крайне редко - дополнительные полупрозрачные жидкокристаллические панели усложняют конструкцию камеры и сказываются на ее стоимости. Совсем другое дело полупрофессиональные и профессиональные цифровые зеркальные камеры. Здесь важность выведенной в окуляр оптического видоискателя информации трудно переоценить, особенно при оперативной - репортерской или спортивной - съемке.

Телескопический видоискатель не всегда прямой тубус со встроенными линзами и полупрозрачными вставками. В современных фотоаппаратах чаще применяются изогнутые тубусы с отклоняющими зеркалами внутри. Это позволяет встроить в камеру достаточно яркий и удобный в применении видоискатель, не увеличивая при этом размеров корпуса фотоаппарата. Рассмотрите внимательно компактный цифровой фотоаппарат. Вы наверняка обнаружите, что оптические оси линз объектива и окуляра видоискателя смещены. Теоретически это должно отразиться на яркости изображения в окуляре видоискателя, но потери настолько малы, что ими можно пренебречь.

Гораздо сложней устроен оптический видоискатель зеркального цифрового фотоаппарата. В данном случае объективом видоискателя служит основной объектив камеры. Световой поток отклоняется поворотным зеркалом и фокусируется на расположенном горизонтально в верхней части корпуса фотоаппарата прозрачном матовом стекле. Рабочий отрезок (расстояние от задней линзы объектива до поверхности светочувствительного материала - пленки или сенсора) видоискателя равен рабочему отрезку основного объектива. То есть матовое стекло расположено на том же расстоянии от объектива, что и кадровое окно фотоаппарата, и получаемое на матовом стекле изображение можно считать идентичным изображению на поверхности светочувствительного материала.

Но при этом изображение на матовом стекле (как и изображение на поверхности сенсора) получается зеркально перевернутым. Чтобы получить истинную картинку, в зеркальном фотоаппарате применяется специальная оборачивающая пентапризма (она имеет пять плоских поверхностей, отсюда и название) или пентазеркало, пять наклеенных на внутреннюю поверхность надстройки корпуса камеры тонких зеркал. Впрочем, в высококачественных профессиональных камерах пентапризмы изготовляются из целого литого куска оптического стекла.

Пентапризма (это относится в равной мере и к пентазеркалу) оборачивает изображение на матовом стекле, а линза окуляра видоискателя фокусирует его на глазном дне фотографа. Для большего удобства окуляры видоискателей (и телескопического, и зеркального) снабжаются механизмом перемещения линзы окуляра для введения диоптрийной поправки. Этот механизм позволяет подстроить фокусировку окуляра под зрение фотографа. При работе с такими камерами очки фотографу, даже если он носит их постоянно, не нужны. Хотя диапазон подстройки не настолько велик, чтобы компенсировать слишком большие отклонения зрения.

В тело пентапризмы зеркальных фотоаппаратов часто вводят различные информационные индикаторы. Их располагают на отражающих поверхностях призмы, и фотограф видит в окуляре не только изображение на матовом стекле, но светодиоды и стрелки контрольных приборов, отображающих состояние камеры, задействованные рабочие режимы и параметры съемки.

В профессиональных камерах, допускающих ручную фокусировку объектива, пентапризму выполняют съемной. Это позволяет менять фокусировочные экраны (матовые стекла), используя для точной наводки на резкость экраны с микрорастром (расположенными в центре фокусировочного экрана микропризмами, на которых несфокусированное изображение мерцает), с оптическими клиньями (двумя расположенными в центре фокусировочного экрана полукруглыми линзами со смещенными оптическими осями, изображение на поверхности таких линз двоится при расфокусировке), либо применять однородное матовое стекло, чтобы добиться резкости по всему полю кадра. При необходимости пентапризму заменяют на шахтный видоискатель, который позволяет рассматривать изображение непосредственно с поверхности матового стекла (применяется в репродукционной, макроскопической и студийной съемке).

В камерах любительского и полупрофессионального класса пентапризму снять невозможно, но матовое стекло, располагающееся под ней, при этом может быть сменным. Для замены матового стекла отсоединяют основной объектив и открывают замок-защелку, крепящую фокусировочный экран. К слову, матовое стекло очень нежная и хрупкая деталь. Дело даже не в том, что его можно нечаянно сломать, его можно безнадежно загрязнить. И потом фотографу придется рассматривать увеличенные ворсинки и песчинки, застрявшие между пирамидками микрорастра. Удалить их оттуда полностью очень непросто.

Также чувствительно к случайным повреждениям и отклоняющее зеркало. Для повышения отражающей способности и во избежание оптических искажений зеркало имеет не совсем обычную конструкцию. Серебряная амальгама нанесена не на внутреннюю, а на внешнюю часть стеклянной пластины зеркала. Случайное прикосновение к поверхности зеркала может привести к появлению жировых загрязнений и царапин, ухудшающих оптические свойства видоискателя. Недаром многие фотолюбители предпочитают зеркальным фотокамерам просьюмерки с несъемными объективами. Нет возможности отсоединить от камеры объектив, нет и шанса случайно повредить или испачкать оптическую систему зеркального видоискателя и заднюю линзу объектива. Таким образом фотоаппарат получает еще одну степень защиты от повреждений...

Оптическая система цифрового фотоаппарата состоит из видоискателя, основного объектива и устройства автоматической фокусировки. Типы встраиваемых в цифровые камеры объективов рассмотрим отдельно, а пока остановимся на механизмах автофокусировки.

Как мы уже говорили, в любительских цифровых фотоаппаратах применяется автоматическая фокусировка двух типов - активная и пассивная. При этом способов реализации автофокуса достаточно много. Активная фокусировка может быть инфракрасной (на камере установлен излучающий инфракрасный светодиод и приемник, реагирующий на отраженный луч света) или ультразвуковой (используются излучатель ультразвука и микрофон). Ультразвуковой фокусировочный локатор в массовых моделях цифровых фотоаппаратов не применяется, но инфракрасный встречается. Зато в пленочных компактных фотоаппаратах активный инфракрасный автофокус обычное дело.

Работает активный автофокус с инфракрасным локатором подобно оптическому дальномеру. Вспомним конструкцию оптического дальномера, которым снабжаются пленочные камеры Leica и их многочисленные в прошлом аналоги (включая отечественные "Зоркие" и "ФЭДы").

Оптический дальномер состоит из пары разнесенных на некоторое расстояние (оно называется базой дальномера) объективов, отклоняющей системы зеркал и окуляра. Основной объектив дальномера расположен на одной оптической оси с окуляром. Между линзой основного объектива и линзой окуляра под углом располагается полупрозрачное зеркало, направляющее световой поток дополнительного объектива на окуляр видоискателя. За дополнительным объективом располагается подвижное отклоняющее зеркало, которое направляет сфокусированный дополнительным объективом световой поток на полупрозрачное зеркало. Поворотное зеркало соединено специальным поводком с фокусировочной оправой основного объектива фотоаппарата. При вращении фокусировочной оправы зеркало смещается, смещая и изображение на полупрозрачном зеркале дальномера. Момент слияния двух изображений - полученных от основного и дополнительного объективов - и соответствует правильной фокусировке объектива фотоаппарата на фотографируемом объекте.

Активный автофокус устроен иначе (хотя, работает подобно оптическому дальномеру). Вместо основного объектива и окуляра в фотокамере установлен инфракрасный прожектор, освещающий снимаемый объект невидимыми человеческим глазом световыми лучами инфракрасного спектра. В качестве источника света используется инфракрасный светодиод.

Приемная часть механизма активной автофокусировки - объектив и светоприемник, в качестве которого применяются фотодиоды. Приемная часть и излучатель расположены на лицевой части корпуса камеры на некотором расстоянии друг от друга. При наводке на резкость отраженный объектом луч света фокусируется на светоприемнике. Светоприемник снабжен моторным приводом и соединен механически с фокусировочным кольцом объектива фотоаппарата. Смещение светоприемника происходит до тех пор, пока сила индуцируемого светоприемником тока не достигнет максимума. Этот момент совпадает с правильной фокусировкой объектива камеры на снимаемом объекте.

Механизм инфракрасной фокусировки может иметь и иную конструкцию - с неподвижным светоприемником. В этом случае смещается линза объектива приемной части дальномера, а светочувствительный элемент представляет собой линейку фотодиодов. При фокусировке светового потока на определенном элементе линейки, электроника фотоаппарата определяет расстояние до объекта и правильное положение фокусировочной оправы (или линзы) объектива.

Активный автофокус часто объединяется с устройством автоматической установки экспозиционных параметров - выдержки и диафрагмы. Работает активный автофокус не пропорционально изменению расстояния (то есть плавно), а дискретно, по заранее установленным на заводе значениям - 1, 2, 3 метра и так далее. Поскольку в цифровые и компактные пленочные фотоаппараты встраиваются широкоугольные объективы с большой глубиной резкости, предустановленных ступеней фокусировки может быть немного. В наиболее совершенных цифровых камерах с активной фокусировкой число ступеней фокусировки достигает 255.

Недостатками активного автофокуса являются относительно высокое энергопотребление, склонность к ошибкам, если в кадре оказывается другой источник инфракрасного излучения (камин, костер, яркое солнце), и небольшая дальность действия - до 10 метров. Впрочем, для широкоугольной оптики большего и не требуется. А достоинства активного автофокуса - в способности работать в условиях недостаточной освещенности (даже в полной темноте) и в простоте устройства.

И все же в современных цифровых фотоаппаратах среднего и старшего уровней больше распространен другой механизм фокусировки - пассивный. Его действие основано на том, что сфокусированное изображение имеет максимальную яркость, на которую и реагирует электронный датчик автофокуса (так называемая "автоматическая фокусировка контрастного типа").

Дальномер системы пассивной автофокусировки может иметь самую различную конструкцию. На лицевой панели некоторых компактных цифровых камер можно разглядеть пару прозрачных окон, за которыми располагаются зеркала светоприемника автофокуса. Одно из окон снабжено неподвижным отклоняющим зеркалом, второе - подвижным, которое соединено механически (или электрически) с моторным приводом фокусировочной оправы основного объектива. Световые потоки от зеркал попадают на отклоняющую призму, направляющую отраженный свет на поверхность пары матриц светочувствительных элементов. Когда сила тока на выводах элементов матрицы, облученной световым потоком от неподвижного зеркала, совпадет с силой тока элементов матрицы, облученной световым потоком от подвижного зеркала, электроника фотоаппарата придет к выводу, что фокус наведен.

Иначе устроена пассивная фокусировка зеркальных камер. Пара матричных светоприемников, состоящих из множества элементов, установлена на обращающей пентапризме фотоаппарата. Каждая из матриц снабжена индивидуальной линзой, фокусирующей на поверхности светочувствительных элементов часть светового потока основного объектива. Электрические сигналы, индуцируемые элементами матриц фокусировки, анализируются электронной схемой сравнения. При максимальной яркости изображения, сфокусированного основным объективом (с моторным приводом фокусировочной оправы), элементы матриц индуцируют ток максимальной силы. Схема сравнения дает сигнал компьютеру камеры, что фокус наведен.

Конструкций механизмов пассивной фокусировки великое множество. Есть системы с многозонным замером, когда датчики особым образом сгруппированы на поверхности пентапризмы; есть системы с точечным замером, когда пара датчиков установлена в определенной точке призмы, соответствующей центральной части кадра; есть системы, в которых светоприемники располагаются в фокальной области объектива - рядом с затвором. Наконец, в качестве датчика механизма автофокусировки цифровых фотоаппаратов может использоваться светочувствительный сенсор камеры.

Системы пассивной автофокусировки, в которой датчики расположены за основным объективом фотоаппарата ( TTL ), работают наиболее точно. Именно таким автофокусом снабжено большинство популярных моделей любительских цифровых камер.

Помимо достоинств - высокой точности и скорости наведения объектива на резкость - у пассивной автофокусировки есть и серьезные недостатки. Пассивная фокусировка плохо работает в условиях недостаточной освещенности. В некоторых камерах (среди пленочных - в зеркальных фотоаппаратах Pentax и Minolta, среди цифровых - в зеркальных камерах Canon и Sony и в компактных фотоаппаратах) в качестве вспомогательного источника света при автоматической фокусировке в темноте используется встроенная вспышка. При недостатке света встроенный в камеру осветитель дает серию коротких предвспышек, освещающих объект съемки. В других камерах (среди пленочных и цифровых - в зеркальных камерах Nikon) для подсветки автофокуса используется лампа-прожектор, которая включается при половинном нажатии кнопки спуска.

Другой недостаток пассивного автофокуса - неуверенное срабатывание при съемке близкорасположенных контрастных объектов. Пример - съемка зверей в зоопарке, когда объектив фокусируется на решетке клетки и оставляет объект съемки вне фокуса. Бороться с этим эффектом приходится при помощи механизма блокировки установленного значения фокуса, наводя на резкость по объекту, расположенному примерно на таком же расстоянии. Для этого следует оценить расстояние до снимаемого объекта (в данном случае до животного) на глаз, отыскать предмет, находящийся примерно на том же расстоянии, навести на него объектив и наполовину нажать спусковую кнопку. Фотоаппарат сфокусирует объектив и запомнит параметры автофокусировки (равно как и параметры экспозиции - значение выдержки и диафрагмы, об этом тоже не следует забывать). Затем, не отпуская спусковую кнопку, объектив переводят на снимаемый объект, кадрируют изображение и производят съемку. Так же следует поступать и при съемке через залитое дождем стекло окна. И при съемке фигуры, частично скрытой редкими кустами. И при фотографировании лица человека в толпе, если требуется сфокусировать объектив именно на этом лице…

Труднопреодолимым недостатком любых механизмов автоматической фокусировки, а точнее, самих цифровых фотоаппаратов с высокой степенью автоматизации, можно считать отсутствие ручной фокусировки. Навести объектив на резкость самостоятельно, без участия автомата, позволяют только дорогие камеры, вроде Canon PowerShot G7. То же, кстати, касается и установки параметров экспозиции. Любительские цифровые фотоаппараты среднего уровня позволяют лишь ввести экспозиционную поправку (как правило, через экранное меню встроенного дисплея, что оперативности фотосъемке явно не добавляет, а зачастую делает введение экспозиционной поправки и вовсе невозможным). Счастливым исключением являются бюджетные камеры серии Canon PowerShot серии Axxx, в которых реализованы и полуавтоматические (с приоритетом диафрагмы и выдержки), и ручные режимы установки экспозиции. Это, кстати, и определяет высокую популярность таких камер, как Canon PowerShot А430 (на сегодняшний день самая доступная полнофункциональная цифровая камера) и A540 (самый продаваемый любительский фотоаппарат) и их соседей в модельной линейке цифровых компактов ведущего мирового производителя фототехники.