1. Короткі відомості про цифрові фотокамери

Цифрові камери є сектором фотообладнання, що сьогодні найбільш дина
мічно розвивається, – з'являються десятки нових моделей на рік, постійно поліпшуються їх технічні характеристики. В даний час, завдяки значному зниженню вартості і підвищенню якості одержуваних зображень, цифрові камери знаходять все більш широке застосування, починаючи із звичайної побутової зйомки і закінчуючи поліграфією. Переваги цифрової фотографії безперечні: спрощення обробки і редагування зображень, колірна корекція знімків, використання різних ефектів. Цифрові зображення можуть зберігатися скільки завгодно довго на різних носіях інформації і копіюватися необмежену кількість раз без погіршення якості як початкового матеріалу, так і подальших копій. Виробництво любительських цифрових компактних фотоапаратів практично всіма провідними фірмами-виробниками почалося в 1996 р. З цієї миті на ринку з'явилася безліч цифрових компактних фотоапаратів за ціною, що не набагато перевищує ціну звичайних дзеркальних фотоапаратів.


2. Принцип роботи

Цифрова камера за принципом роботи мало чим відрізняється від звичайного фотоапарата. Як і будь-який фотоапарат, цифрова камера обладнана видошукачем і об'єктивом. Основна відмінність полягає в тому, що якщо в звичайному фотоапараті при наведенні видошукача на об'єкт зображення об'єкту за допомогою об'єктиву проектується на фотоплівку, то в цифровій камері зображення проектується на спеціальну світлочутливу матрицю. Світлочутлива матриця складається з багатьох датчиків. Кожен датчик перетворює інтенсивність падаючого на нього світла в напругу і передає сигнал на аналого-цифровий перетворювач (analogue-to-digital converter – ADC), який перетворює аналоговий сигнал в дискретний цифровий код. Цей цифровий сигнал надходить на спеціальний процесор цифрових сигналів (digital signal processor, DCP), який формує зображення, перетворює в графічний формат і посилає на пристрій зберігання інформації (пам'ять, диск та ін.).


3. Оптичні схеми цифрових фотоапаратів

Конструкція цифрового фотоапарата багато в чому повторює конструкцію плівкової камери. Фотоапарати для вузької 35-міліметрової плівки залежно від устрою видошукача підрозділяються на шкальні камери з установкою різкості за шкалою, нанесеною на фокусувальне кільце об'єктиву, на далекомірні камери, в яких об'єктив наводиться на фокус за допомогою оптичного далекоміра, і на дзеркальні фотоапарати, в яких фокусування об'єктиву проводиться по зображенню на матовому склі, вбудованому в обертаючу пентапризму. За типом основного об'єктиву плівкові фотоапарати підрозділяються на камери із змінним об'єктивом і на фотоапарати з жорстко вбудованим об'єктивом. В даний час шкальні і частково далекомірні фотоапарати не виробляються – якщо не брати до уваги дорогі механічні далекомірні камери, вироблювані для професійних застосувань компаніями Leica, Contax, Konica і Cosina (у модельному ряду камер компанії Cosina є один шкальний фотоапарат – Voigtlander BESSA-L). Місце шкальних і далекомірних фотоапаратів зайняте компактними камерами з автоматичним фокусуванням (тими самими "мильницями") і дзеркальними фотоапаратами любительського класу. Цифрові фотоапарати в цілому відповідають устояній класифікації плівкових камер. Правда, є і відмінності – разом із "справжніми" дзеркальними фотоапаратами випускаються і камери "псевдодзеркальні", які не мають аналогів серед плівкової апаратури. У "псевдодзеркальних" цифрових фотоапаратах функцію підйомного дзеркала виконує розщеплююча світловий потік призма, розташована між об'єктивом і світлочутливим сенсором. Призма володіє властивістю напівпрозорості. Частина світлового потоку використовується в подібних камерах для побудови зображення на матовій поверхні обертаючої пентапризми, частина – для експонування сенсора. В результаті страждає світлочутливість сенсорів "псевдодзеркальних" фотоапаратів (оптичні втрати доводиться компенсувати електронним способом), але спрощується конструкція камери, зменшується вартість і одночасно підвищується надійність, оскільки немає механічного вузла підйому дзеркала. Приклад подібної "псевдодзеркальної" камери – фотоапарат Hewlett-Packard PhotoSmart C912, сконструйований спільно з компанією Asahi Optical, що випускає фототехніку марки Pentax. З іншого боку, серед цифрових фотоапаратів є камери, геть позбавлені оптичного видошукача. Замість телескопічного або дзеркального видошукача в них використовується вбудований контрольний дисплей, що виконує функції матового скла, по якому можна судити про компонування кадру і наведення на різкість. Подібні камери випускаються компанією Nikon (моделі CoolPix 2000, 2500 і 3500). Ще більш незвично влаштовані видошукачі недорогих фотоапаратів тайваньської компанії Mustek (серія Smart 350). У ці камери вбудований кольоровий дисплей дуже невеликого розміру, який виконує функції окуляра телескопічного видошукача. Тобто кадрування і перевірка наведення об'єктиву на фокус здійснюється за невеликим, розміром з поштову марку, дисплеєм, який розглядають через збільшувальну лінзу, наближаючи окуляр видошукача до ока. Слід визнати, що конструкція вийшла невдала. Хоч і самі камери можна розглядати швидше як іграшки, чим як інструменти для більш-менш серйозної роботи. Навіщо цифровій камері оптичний (телескопічний або дзеркальний) видошукач, якщо переважну більшість фотоапаратів мають кольоровий дисплей, що повністю повторює картинку, побудовану світлочутливим сенсором? В тому й річ, що зображення на дисплеї відповідає реальному зображенню лише приблизно. Малі розміри дисплея не дозволяють вивести на його екран зображення з достатньо високою роздільною здатністю, щоб повною мірою оцінити композицію майбутнього знімка і переконатися в тому, що об'єктив наведений на різкість вірно. Друга причина – повільність роботи вбудованого дисплея і системи виведення зображень цифрової камери. З моменту включення живлення камери до її повної готовності до зйомки проходить декілька секунд. При вимкненому дисплеї цей час скорочується в 2-3 рази. З вимкненим дисплеєм фотоапарат споживає в 2-3 рази менше електроенергії, що дозволяє продовжити час роботи цифрового фотоапарата. Але найголовніше – з оптичним видошукачем набагато зручніше працювати. І телескопічний, і дзеркальний видошукачі дають яскравіше і повніше зображення, ніж контрольний рідкокристалічний дисплей. При яскравому зовнішньому освітленні зображення на дисплеї стає невиразним. Навіть новітні трансфлективні РК-матриці, в яких для підсвічування застосовується спеціальна відображаюча пластина, встановлена за шаром рідких кристалів, з яскравим сонцем "справляються" погано, не говорячи вже про традиційні люмінесцентні лампи підсвічування (точніше, про плоскі панелі, що світяться). Нарешті, на абсолютній більшості цифрових фотоапаратів має місце ефект віньєтування – обрізання частини зображення при виведенні його на екран контрольного дисплея. Виходить, що камер, у яких зображення на контрольному дисплеї за геометричними і колірними параметрами співпадає із зображенням, видаваним сенсором, не існує. Разом з тим, наявність простого телескопічного видошукача майже не позначається на вартості фотоапарата, а фотограф при цьому дістає можливість вибору – компонувати кадр за допомогою електронного аналога матового скла чи використовувати звичайний телескопічний видошукач. Устрій телескопічного видошукача дуже простий. У класичному вигляді це всього лише пара обмежувальних рамок, одна з яких виконує роль об'єктиву, а інша – окуляра видошукача. Більш досконала конструкція, що складається з скляної монолітної прямокутної призми з плоскими поверхнями. Подібна призма не масштабує (не збільшує і не зменшує) реальне зображення і є варіантом все тих же обмежувальних рамок. Нарешті, найпоширеніша конструкція видошукача – у вигляді мініатюрної галілеївської зорової труби, що складається з передньої збиральної і задньої обертальної лінз. Загальний коефіцієнт збільшення подібного видошукача звичайно менший одиниці – тобто фотограф бачить в окулярі видошукача зменшене зображення, що дозволяє розглянути всю площу майбутнього кадру. Телескопічний видошукач у вигляді зорової труби, окрім пари лінз, складається з напівпрозорого скла, на яке нанесені паралактичні мітки для правильного кадрування знімка при зйомці з близьких відстаней. Ефект паралакса виникає в тому випадку, якщо оптична вісь об'єктиву не співпадає з оптичною віссю видошукача. В результаті на близьких відстанях від об'єкту, що знімається, зображення в окулярі видошукача виявляється зміщеним і не відповідає зображенню, сфокусованому основним об'єктивом на поверхні плівки або сенсора. У деяких плівкових і цифрових камерах паралактична поправка вводиться автоматично за допомогою компенсаторної призми, розміщеної між передньою і задньою лінзами видошукача. Але в більшості випадків достатньо і звичайних напівпрозорих міток. Конструкція телескопічного видошукача дозволяє розмістити у полі зору фотографа масу корисної інформації. Наприклад, світлові або символьні індикатори готовності вбудованого спалаху, значень встановлених автоматом експопараметров, спрацьовування автоматичного фокусування і кількості кадрів, що залишилися. Правда, видошукачі любительських цифрових камер подібним інформативним набором індикаторів забезпечуються вкрай рідко – додаткові напівпрозорі рідкокристалічні панелі ускладнюють конструкцію камери і позначаються на її вартості. Зовсім інша справа – напівпрофесійні і професійні цифрові дзеркальні камери. Тут важливість виведеної в окуляр оптичного видошукача інформації важко переоцінити, особливо при оперативно-репортерській або спортивній зйомці. Телескопічний видошукач – не завжди прямий тубус із вбудованими лінзами і напівпрозорими вставками. У сучасних фотоапаратах частіше застосовуються зігнуті тубуси з відхиляючими дзеркалами всередині. Це дозволяє вбудувати в камеру достатньо яскравий і зручний у застосуванні видошукач, не збільшуючи при цьому розмірів корпусу фотоапарата. Оптичні осі лінз об'єктиву і окуляра видошукача зміщені. Теоретично це повинно відбитися на яскравості зображення в окулярі видошукача, але втрати настільки малі, що ними можна нехтувати. Набагато складніше влаштований оптичний видошукач дзеркального цифрового фотоапарата. В даному випадку об'єктивом видошукача служить основний об'єктив камери. Світловий потік відхиляється поворотним дзеркалом і фокусується на розташованому горизонтально у верхній частині корпусу фотоапарата прозорому матовому склі. Робочий відрізок (відстань від задньої лінзи об'єктиву до поверхні світлочутливого матеріалу – плівки або сенсора) видошукача рівний робочому відрізку основного об'єктиву. Тобто матове скло розташоване на тій же відстані від об'єктиву, що й кадрове вікно фотоапарата, і отримуване на матовому склі зображення можна вважати ідентичним зображенню на поверхні світлочутливого матеріалу. Але при цьому зображення на матовому склі (як і зображення на поверхні сенсора) виходить дзеркально перевернутим. Щоб отримати дійсну картинку, в дзеркальному фотоапараті застосовується спеціальна обертальна пентапризма (вона має п'ять плоских поверхонь, звідси і назва). У високоякісних камерах пентапризми виготовляються з цілого литого шматка оптичного скла. Пентапризма обертає зображення на матовому склі, а лінза окуляра видошукача фокусує його на очному дні фотографа. Для більшої зручності окуляр видошукачів (і телескопічного, і дзеркального) забезпечується механізмом переміщення лінзи окуляра для введення діоптрійної поправки. Цей механізм дозволяє підстроїти фокусування окуляра під зір фотографа. При роботі з такими камерами окуляри фотографові, навіть якщо він носить їх постійно, не потрібні. Хоча діапазон підстроювання не настільки великий, щоб компенсувати дуже великі відхилення зору. У тіло пентапризми дзеркальних фотоапаратів часто вводять різні інформаційні індикатори. Їх розташовують на відбиваючих поверхнях призми, і фотограф бачить в окулярі не тільки зображення на матовому склі, але й світлодіоди і стрілки контрольних приладів, що відображають стан камери, задіяні робочі режими і параметри зйомки. У професійних камерах, що допускають ручне фокусування об'єктиву, пентапризму виконують знімною. Це дозволяє міняти фокусувальні екрани (матові стекла), використовуючи для точного наведення на різкість екрани з мікрорастром (розташованими в центрі фокусувального екрану мікропризмами, на яких несфокусоване зображення мерехтить), з оптичними клинами (двома розташованими в центрі фокусувального екрану напівкруглими лінзами із зміщеними оптичними осями, зображення на поверхні таких лінз двоїться при розфокусуванні), або застосовувати однорідне матове скло, щоб добитися різкості по всьому полю кадру. При необхідності пентапризму замінюють на шахтний видошукач, який дозволяє розглядати зображення безпосередньо з поверхні матового скла (застосовується в репродукційній, макроскопічній і студійній зйомці). У камерах любительського і напівпрофесійного класу пентапризму зняти неможливо, але матове скло при цьому може бути змінним. Для заміни матового скла від'єднують основний об'єктив і відкривають замок-клямку, що кріпить фокусувальний екран. Матове скло дуже ніжна і крихка деталь. Річ навіть не в тому, що його можна ненавмисно зламати, його можна безнадійно забруднити. І потім фотографові доведеться розглядати збільшені ворсинки і піщинки, застряглі між пірамідками мікрорастру. Видалити їх звідти повністю дуже непросто. Також чутливе до випадкових пошкоджень і відхиляюче дзеркало. Для підвищення відбивної здатності щоб уникнути оптичних спотворень дзеркало має не зовсім звичайну конструкцію. Срібна амальгама нанесена не на внутрішню, а на зовнішню частину скляної пластини дзеркала. Випадковий дотик до поверхні дзеркала може привести до появи подряпин, які погіршують оптичні властивості видошукача. Недаремно багато фотолюбителів вважають за краще дзеркальні фотокамери Olympus, у яких об'єктив виконаний незмінним. Немає можливості від'єднати від камери об'єктив, немає і шансу випадково пошкодити або забруднити оптичну систему дзеркального видошукача і задню лінзу об'єктиву. Таким чином фотоапарат отримує ще один ступінь захисту від пошкоджень. Оптична система цифрового фотоапарата складається з видошукача, основного об'єктиву і пристрою автоматичного фокусування. У любительських цифрових фотоапаратах застосовується автоматичне фокусування двох типів – активне і пасивне. При цьому способів реалізації автофокусу достатньо багато. Активне фокусування може бути інфрачервоним (на камері встановлений випромінюючий інфрачервоний світлодіод і приймач, що реагує на відбитий промінь світла) або ультразвуковим (використовуються випромінювач ультразвуку і мікрофон). Ультразвуковий фокусувальний локатор у масових моделях цифрових фотоапаратів не застосовується, але інфрачервоний зустрічається. Зате в плівкових компактних фотоапаратах активний інфрачервоний автофокус – звичайна справа. Працює активний автофокус з інфрачервоним локатором подібно до оптичного далекоміра. Оптичний далекомір складається з пари рознесених на деяку відстань (вона називається базою далекоміра) об'єктивів, відхиляючої системи дзеркал і окуляра. Основний об'єктив далекоміра розташований на одній оптичній осі з окуляром. Між лінзою основного об'єктиву і лінзою окуляра під кутом розташовується напівпрозоре дзеркало, що направляє світловий потік додаткового об'єктиву на окуляр видошукача. За додатковим об'єктивом розташовується рухоме відхиляюче дзеркало, яке направляє сфокусований додатковим об'єктивом світловий потік на напівпрозоре дзеркало. Поворотне дзеркало з'єднане спеціальним повідком з фокусувальною оправою основного об'єктиву фотоапарата. При обертанні фокусувальної оправи дзеркало зміщується, зміщуючи і зображення на напівпрозорому дзеркалі далекоміра. Момент злиття двох зображень – отриманих від основного і додаткового об'єктивів – і відповідає правильному фокусуванню об'єктиву фотоапарата на фотографованому об'єкті. Активний автофокус влаштований інакше (хоча працює подібно до оптичного далекоміра). Замість основного об'єктиву і окуляра у фотокамері встановлений інфрачервоний прожектор, який освітлює об'єкт, що знімається, невидимими людським оком світловими променями інфрачервоного спектру. Як джерело світла використовується інфрачервоний світлодіод. Приймальна частина механізму активного автофокусування – це об'єктив і світлоприймач, як який застосовуються фотодіоди. Приймальна частина і випромінювач розташовані на лицьовій частині корпусу камери на деякій відстані один від одного. При наведенні на різкість відбитий об'єктом промінь світла фокусується на світлоприймачі. Світлоприймач забезпечений моторним приводом і з'єднаний механічно з фокусувальним кільцем об'єктиву фотоапарата. Зміщення світлоприймача відбувається до тих пір, поки сила індукованого світлоприймачем струму не досягне максимуму. Цей момент співпадає з правильним фокусуванням об'єктиву камери на об'єкті, що знімається. Механізм інфрачервоного фокусування може мати й іншу конструкцію – з нерухомим світлоприймачем. В цьому випадку зміщується лінза об'єктиву приймальної частини далекоміра, а світлочутливий елемент є лінійкою фотодіодів. При фокусуванні світлового потоку на певному елементі лінійки електроніка фотоапарата визначає відстань до об'єкта і правильне положення фокусувальної оправи (або лінзи) об'єктиву. Активний автофокус часто об'єднується з пристроєм автоматичної установки експозиційних параметрів – витримки і діафрагми. Працює активний автофокус не пропорційно зміні відстані (тобто плавно), а дискретно, по заздалегідь встановлених на заводі значеннях – 1, 2, 3 м і т.д. Оскільки в цифрові і компактні плівкові фотоапарати вбудовуються ширококутні об'єктиви з великою глибиною різкості, наперед установлених ступенів фокусування може бути небагато. У найбільш досконалих цифрових камерах з активним фокусуванням число ступенів фокусування досягає 255. Недоліками активного автофокусу є відносно високе енергоспоживання, схильність до помилок, якщо в кадрі опиняється інше джерело інфрачервоного випромінювання (камін, вогнище, яскраве сонце), і невелика дальність дії – до 10 метрів. Втім, для ширококутної оптики більшого і не потрібно. А достоїнства активного автофокусу – в здатності працювати в умовах недостатньої освітленості (навіть у повній темноті) і в простоті устрою. Та все ж в сучасних цифрових фотоапаратах середньої цінової групи більше поширений інший механізм фокусування – пасивний. Його дія заснована на тому, що сфокусоване зображення має максимальну яскравість, на яку і реагує електронний датчик автофокусу. Далекомір системи пасивного автофокусування може мати саму різну конструкцію. На лицьовій панелі деяких цифрових камер можна розгледіти пару прозорих вікон, за якими розташовуються дзеркала світлоприймача автофокусу. Одне з вікон забезпечене нерухомим відхиляючим дзеркалом, друге – рухомим, яке з'єднане механічно (або електрично) з моторним приводом фокусувальної оправи основного об'єктиву. Світлові потоки від дзеркал потрапляють на відхиляючу призму, що направляє відображене світло на поверхню пари матриць світлочутливих елементів. Коли сила струму на виведеннях елементів матриці, опроміненої світловим потоком від нерухомого дзеркала, співпаде з силою струму елементів матриці, опроміненої світловим потоком від рухомого дзеркала, електроніка фотоапарата прийде до висновку, що фокус наведений.