Устройство цифрового фотоаппарата схема: Устройство цифрового фотоаппарата

СХЕМЫ ЦИФРОВЫХ ФОТОАППАРАТОВ

Здесь приводится сборник схем фотоаппаратов, от таких производителей, как CANON, FUJI, SAMSUNG, PANASONIC, OLYMPUS, SONY и другие. Естественно каждый производитель имеет десятки несколько отличающихся по принципиальным схемам моделей, поэтому здесь приведены наиболее типовые, которых будет в большинстве случаев достаточно для ремонта фотоаппарата. Список имеющихся схем представленных для скачивания в разделе книги:

•  Схема цифрового фотоаппарата CANON;
•  Схема цифрового фотоаппарата FUJI;
•  Схема цифрового фотоаппарата PANASONIC;
•  Схема цифрового фотоаппарата SAMSUNG;
•  Схема цифрового фотоаппарата OLYMPUS;
•  Схема цифрового фотоаппарата SONY;
•  Схема цифрового фотоаппарата LG;

Хотя внутри фотоаппарата не так уж много деталей, но разобрать его, чтоб добраться до них для ремонта бывает очень сложно. Разбирая цифровой фотоаппарат следует учесть, что прикрутить винты бывает не легко, они очень мелкие и требуется большое усилие, чтобы они встали как надо.

Нужен хороший инструмент – мелкие и прочные отвертки. Необходимо чётко запоминать последовательность разборки, а главное, куда и какую деталь прикручивать. Ещё лучше другим фотоаппаратом снимать последовательность разборки, чтоб в случае чего посмотреть, куда что устанавливается.

В цифровых фотоаппаратах используется линза, через неё свет попадает на светочувствительные ячейки полупроводникового чипа, называемого сенсор. Он реагирует на получаемые фотоны света и дальше вычислительный блок анализирует полученную информацию и определяет необходимые значения выдержки, фокуса, необходимость вспышки и т.д. В качестве сенсора используют ПЗС или КМОП чип, он состоит из множества светочувствительных элементов, содержащих фотодиоды. Они вместе и образуют матрицу. Элементы сенсора реагируют на свет и создают электрический заряд, величина которого пропорциональна количеству попавшего на него через оптику света. Сенсор захватывает изображение и передает его на чип АЦП, который анализирует аналоговые электрические импульсы и преобразует их в цифровой вид.

Используя вычислительную мощность процессоров, данные проходят дальнейшую обработку с помощью специальных алгоритмов и преобразуются в файл изображения, который записывается на встроенный или внешний электронный носитель – карту памяти. Это изображение можно просмотреть на встроенном в камеру ЖК-экране, а при необходимости обработать, используя встроенный интерфейс. В общем, цифровой фотоаппарат это сложная система, где множество данных и инструкций передается по множеству путей.

Часто в цифровых фотоаппаратах разной модели и производителя механизм использования информации, полученной от сенсоров, отличается. В трёхсенсорных фотоаппаратах каждый сенсор захватывает третью часть от разрешения полного изображения и затем происходит интерполяция. Другие используют комбинацию главных цветов на каждом сенсоре и задействуют алгоритмы для получения изображения. В ещё некоторых моделях цифровых фотоаппаратов только часть пикселя реагирует на свет- это называется коэффициентом заполнения.

Для этого на сенсорах фотоаппаратов недорогого уровня используются микролинзы, располагающиеся сразу над каждым пикселем и направляющие свет напрямую на чувствительную область. Фотоны света преобразуются в электроны с помощью фотодиода, располагающегося в верхней части светочувствительной области, а сама область работает как конденсатор, так как обладает возможностью сохранения электрического заряда. Так как сенсоры не различают цвет, в цифровых фотоаппаратах часто используется массив цветных светофильтров, с помощью которых каждому пикселю присваивается свой цвет.

Так как для сброса заряда сенсора требуется некоторое время, существует задержка между нажатием на кнопку затвора и временем съёмки. Использование больших буферов памяти и быстрых процессоров уменьшает задержку. Если файл не записывается в так называемый «сырой» формат RAW, он сжимается в соответствии с выбранным коэффициентом сжатия. И в итоге файл изображения записывается либо на встроенную память, либо на съемную карту памяти.

В общем цифровой фотоаппарат это не столько электроника, сколько очень сложная и нежная оптика, где малейшее касание пальцами или пылинки могут ухудшить дальнейшую работу фотоаппарата. При разборке и сборке фотоаппарата нужна тщательная внимательность и аккуратность, изобилие маленьких частей, тонкости электронной системы делает довольно сложной починку фотоаппарата в домашних условиях.

ФОРУМ по ремонту цифровых фотоаппаратов.

Устройство фотоаппарата

История развития фототехники привела к тому, что были выработаны определённые стандарты на интерфейс между фотографом и используемой им фототехникой. В результате цифровые фотоаппараты в большинстве своих внешних черт и органах управления повторяют наиболее совершенные модели плёночной техники. Принципиальное различие оказывается в «начинке» аппарата, в технологиях фиксации и последующей обработке изображения.

Основные элементы цифрового фотоаппарата

• Матрица
• Объектив
• Затвор
• Видеоискатели
• Процессор
• Дисплей
• Вспышка

Устройство зеркального фотоаппарата

Зеркальный цифровой фотоаппарат — это фотоаппарат, в котором объектив видоискателя и объектив для захвата изображения один и тот же, также в фотоаппарате используется цифровая матрица для записи изображения. В не зеркальном фотоаппарата в видоискатель попадает изображение из отдельного маленького объектива, чаще всего находящийся над основным. Отличие также имеется и от обычного устройства фотоаппарата (мыльницы), где отображается на экране изображение, попадающее непосредственно на матрицу.

В обычном устройстве зеркального цифрового фотоаппарата свет проходит через объектив (1). Затем он достигает диафрагмы, которая регулирует его количество (2), затем свет доходит до зеркала в устройстве зеркального цифрового фотоаппарата, отражается и проходит через призму (4), чтобы перенаправить его в видоискатель (5). Информационный экран добавляет к изображению дополнительную информацию о кадре и экспозиции (зависит от модели фотокамеры). В момент, когда происходит фотографирование, зеркало устройства фотоаппарата (6) поднимается, открывается затвор фотоаппарата (7). В этот момент свет попадает прямо на матрицу фотоаппарата и происходит экспонирование кадра — фотографирование. Затем закрывается затвор, обратно опускается зеркало, и фотоаппарат готов к следующему снимку. Необходимо понимать, что весь этот сложный процесс внутри происходит за доли секунды.

C самого создания первого устройство фотоаппарата, основная схема работы его почти не изменилась. Свет проходит через отверстие, масштабируется и попадает на светочувствительный элемент внутри устройства фотоаппарата. Будь это пленочной камерой или зеркальной цифровой фотокамерой. Рассмотрим основные отличая зеркального фотоаппарата от не зеркального. Как вы могли догадаться главное отличие в наличии специального зеркала. Это зеркальце позволяет фотографу видеть в видоискателе абсолютно такую же картинку, которая попадает на плёнку или матрицу.

Механизм работы цифрового фотоаппарата довольно сложен для неподготовленного читателя, но все-таки кратко опишем его: до нажатия клавиши затвора в зеркальных фотоаппаратах между объективом и матрицей расположено зеркало, отражаясь от которого, свет попадает в видоискатель. В незеркальных фотоаппаратах и зеркальных фотоаппаратах в режиме Live View свет из объектива падает на матрицу, при этом на ЖК экран выводится изображение, сформированное на матрице. В некоторых фотоаппаратах при этом может происходить автоматическая фокусировка. При неполном нажатии клавиши затвора (если такой режим предусмотрен) происходит выбор всех автоматически выбираемых параметров съёмки (фокусировка, определение экспопары, чувствительности фотоматериала (ISO) и т. д.). При полном нажатии происходит съёмка кадра, и считывание информации с матрицы во встроенную память фотоаппарата (буфер). Далее производится обработка полученных данных процессором с учётом установленных параметров коррекции экспозиции, ISO, баланса белого и др., после чего данные сжимаются в формат JPEG и сохраняются на флэш-карту. При съёмке в формат RAW данные сохраняются на флэш-карту без обработки процессором (возможна коррекция битых пикселей и сжатие алгоритмом без потерь). Так как запись на флэш-карту изображения занимает достаточно большое количество времени, многие фотоаппараты позволяют снимать следующий кадр до окончания записи предыдущего на флэш-карту, если в буфере есть свободное место.

Отличие устройства зеркального цифрового фотоаппарата от пленочного зеркального фотоаппарата?

1. Первое отличие очевидно: в цифровом зеркальном фотоаппарате используется электроника для записи изображения на карту памяти, в то время как устройство пленочного зеркального фотоаппарата захватывает изображение на пленку.

2. Второе отличие между цифровым и пленочным зеркальным фотоаппаратом в том, что большинство цифровых зеркальных фотоаппаратов записывают изображение на поверхность матрицы, которая по площади меньше, чем кадр в пленочной зеркалке.

3. Устройство цифрового фотоаппарата позволяет фотографу увидеть изображение сразу после съемки.

4. Более старые модели пленочных фотокамер не требуют электрического питания. Они полностью состоят из механики. А цифровым зеркальным фотоаппаратам необходимы батарейки или аккумуляторы.

5. При съёмке на пленку лучше немного переэкспонировать кадр, но для цифрового фотоаппарата лучше немного недоэкспонировать кадр.

6. Независимо от того, цифровой фотоаппарат или пленочный, оба типа фото камер имеют огромные возможности по смене объективов, пультов дистанционного управление, вспышек, элементов питания и других аксессуаров.

Работа цифровой камеры — блок-схема, параметры, цветовая фильтрация

Про работу камеры я уже рассказывал. Почти все основы этого поста были объяснены там. Теперь дайте нам знать больше о цифровой камере, ее работе, а также преимуществах.

Цифровой фотоаппарат можно рассматривать как модификацию обычного аналогового фотоаппарата. Большинство связанных компонентов также одинаковы, за исключением того, что вместо света, падающего на светочувствительную пленку, как в аналоговой камере, в цифровых камерах используются датчики изображения. Хотя аналоговые камеры в основном зависят от механических и химических процессов, цифровые камеры зависят от цифровых процессов. Это серьезное изменение по сравнению с его предшественником, поскольку концепция сохранения и обмена аудио- и видеоконтентом была упрощена до земли.

ПОСМОТРЕТЬ : РАБОТА АНАЛОГОВОЙ КАМЕРЫ

Основы цифровых камер

Как было сказано ранее, основные компоненты одинаковы как для аналоговых, так и для цифровых камер. Но с той лишь разницей, что изображения, полученные аналоговой камерой, будут напечатаны на фотобумаге. Если вам нужно отправить эти фотографии по почте, вам придется преобразовать их в цифровую форму. Итак, фотография должна быть отсканирована в цифровом виде.

Эта сложность не видна на цифровых фотографиях. Фотографии с цифровой камеры уже в цифровом формате, который легко распознается компьютером (0 и 1). 0 и 1 в цифровой камере хранятся в виде строк крошечных точек, называемых пикселями.

Датчики изображения, используемые в цифровых устройствах, могут быть либо устройствами с зарядовой связью (ПЗС), либо дополнительными оксидно-металлическими полупроводниками (КМОП). Оба этих датчика изображения подробно объяснялись ранее.

Посмотрите: Зарядные устройства (CCD)

Посмотрите: CMOS Active Pixel Sensor (CMOS APS)

Взгляните:

Взгляните: . /s CMOS

Датчик изображения представляет собой микрочип шириной около 10 мм. Чип состоит из массивов датчиков, которые могут преобразовывать свет в электрические заряды. Хотя и CMOS, и CCD очень распространены, известно, что микросхемы CMOS более дешевы. Но для большего диапазона пикселей и дорогих камер в основном используется технология CCD.

Цифровая камера имеет объектив/линзы, которые используются для фокусировки света, который должен проецироваться и создаваться. Этот свет предназначен для фокусировки на датчике изображения, который преобразует световые сигналы в электрические сигналы. Свет попадает на датчик изображения, как только фотограф нажимает кнопку спуска затвора. Как только затвор открывается, пиксели подсвечиваются светом разной интенсивности. Таким образом генерируется электрический сигнал. Затем этот электрический сигнал преобразуется в цифровые данные и сохраняется в компьютере.

Разрешение цифровой камеры в пикселях

Четкость фотографий, сделанных цифровой камерой, зависит от разрешения камеры. Это разрешение всегда измеряется в пикселях. Чем больше количество пикселей, тем выше разрешение, тем самым повышая качество изображения. Есть много типов разрешений, доступных для камер. Отличаются они в основном ценой.

• 256×256 — это основное разрешение камеры. Снимки, сделанные в таком разрешении, будут выглядеть размытыми и зернистыми. Они самые дешевые и к тому же неприемлемые.
• 640×480 — это камера с чуть более высоким разрешением, чем тип 256×256. Хотя можно получить более четкое изображение, чем первое, они часто считаются низкокачественными. Камеры такого типа подходят для размещения фотографий и изображений на веб-сайтах.
• 1216×912 — это разрешение обычно используется в студиях для печати изображений. Всего доступно 1 109 000 пикселей.
• 1600×1200 — это тип с высоким разрешением. Снимки высокого качества, и их можно использовать для создания 4×5 с тем же качеством, что и в фотолаборатории.
• 2240×1680 — это обычно называют 4-мегапиксельной камерой. С таким разрешением вы без труда сможете распечатать фото размером до 16х20 дюймов.
• 4064×2704 — это обычно называют 11,1-мегапиксельной камерой. 11,1 мегапикселей делает снимки в этом разрешении. С таким разрешением вы можете легко распечатать фотографии размером до 13,5×9 дюймов без потери качества изображения.
• Существуют камеры с еще более высоким разрешением, до 20 миллионов пикселей или около того.

Цветовая фильтрация с использованием алгоритмов демозаики

Датчики, используемые в цифровых камерах, на самом деле являются дальтониками. Все, что он умеет, — это отслеживать интенсивность падающего на него света. Для получения цветного изображения фотосайты используют фильтры, позволяющие получить три основных цвета. После объединения этих цветов получается требуемый спектр.

Для этого осуществляется механизм, называемый интерполяцией. Массив цветовых фильтров размещается над каждым отдельным фотосайтом. Таким образом, сенсор делится на красные, зеленые и синие пиксели, обеспечивая точный результат истинного цвета в конкретном месте. Фильтр, наиболее часто используемый для этого процесса, называется шаблоном фильтра Байера. В этом паттерне альтернативный ряд красных и зеленых фильтров с рядом синих и зеленых фильтров. Количество доступных зеленых пикселей будет равно количеству синих и красных вместе взятых. Он разработан в другой пропорции, так как человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем трем цветам. Наши глаза воспринимают истинное видение только в том случае, если зеленых пикселей больше.

Основным преимуществом этого метода является то, что для записи всей информации о цвете требуется только один датчик. Таким образом, размер камеры, а также ее цена могут быть уменьшены в значительной степени. Таким образом, с помощью фильтра Байера получается мозаика всех основных цветов различной интенсивности. Эти различные интенсивности могут быть дополнительно упрощены в мозаики одинакового размера с помощью метода, называемого алгоритмами демозаики. Для этого три составных цвета из одного пикселя смешиваются, чтобы сформировать один истинный цвет, путем определения средних значений ближайших окружающих пикселей.

Взгляните на схему цифровой камеры, показанную ниже.

Схема цифровой камеры

Параметры цифровой камеры

Как и пленочная камера, цифровая камера также имеет определенные параметры. Эти параметры определяют четкость изображения. Прежде всего, необходимо контролировать количество света, проходящего через объектив и попадающего на матрицу. Для этого параметры

1. Диафрагма – Диафрагма относится к диаметру отверстия в камере. Это может быть установлено как в автоматическом, так и в ручном режиме. Профессионалы предпочитают ручной режим, так как они могут внести в изображение свои штрихи.

2. Скорость затвора – Скорость затвора относится к скорости и количеству света, проходящего через апертуру. Это может быть только автоматическим. И диафрагма, и выдержка играют важную роль в создании хорошего изображения.

3. Фокусное расстояние – Фокусное расстояние – это параметр, установленный производителем.

Это расстояние между объективом и сенсором. Это также зависит от размера сенсора. Если размер сенсора небольшой, фокусное расстояние также будет пропорционально уменьшено.

4. Объектив – В основном в цифровых камерах используются четыре типа объективов. Отличаются они стоимостью камеры, а также регулировкой фокусного расстояния. Это

• Объектив с фиксированным фокусом и фиксированным зумом. Они очень распространены и используются в недорогих камерах.
• Объективы с оптическим зумом и автоматической фокусировкой — это объективы с регулировкой фокусного расстояния. У них также есть варианты «широкий» и «телефото».
• Цифровой зум. Полноразмерные изображения создаются путем захвата пикселей из центра датчика изображения. Этот метод также зависит от разрешения, а также от датчика, используемого в камере.
• Системы сменных объективов. Некоторые цифровые камеры заменяют свои объективы на 35-мм объективы для получения более качественных изображений.

Цифровые фотоаппараты и аналоговые фотоаппараты

• Качество изображения, получаемое с пленочного фотоаппарата, намного лучше, чем с цифрового фотоаппарата.
• Развитие технологий сделало съемку с помощью цифровых технологий проще и популярнее.
• Так как цифровая копия может быть размещена на веб-сайтах, фотографии могут быть отправлены кому угодно в этом мире.

Понимание сенсоров цифровых камер

В цифровой камере для записи изображения используется массив из миллионов крошечных световых полостей или «фотосайтов». Когда вы нажимаете кнопку спуска затвора камеры и начинается экспозиция, каждый из них открывается, собирая фотоны и сохраняя их в виде электрического сигнала. После завершения экспонирования камера закрывает каждый из этих фотосайтов, а затем пытается оценить, сколько фотонов попало в каждую полость, измеряя силу электрического сигнала. Затем сигналы квантифицируются как цифровые значения с точностью, определяемой битовой глубиной. Результирующая точность может затем снова уменьшиться в зависимости от формата записываемого файла (0–255 для 8-битного файла JPEG).

Массив полостей

Светлые полости

Однако на приведенном выше рисунке будут созданы только изображения в градациях серого, поскольку эти полости не могут различить, сколько в них каждого цвета. Для захвата цветных изображений над каждой полостью должен быть помещен фильтр, пропускающий только определенные цвета света. Практически все современные цифровые камеры могут улавливать только один из трех основных цветов в каждой полости, поэтому они отбрасывают примерно 2/3 входящего света. В результате камера должна аппроксимировать два других основных цвета, чтобы иметь полный цвет для каждого пикселя. Наиболее распространенный тип массива цветовых фильтров называется «матрицей Байера», как показано ниже.

Массив цветных фильтров

Фотосайты с цветными фильтрами

Массив Байера состоит из чередующихся рядов красно-зеленых и зелено-синих фильтров. Обратите внимание, что массив Байера содержит в два раза больше зеленых, чем красных или синих датчиков. Каждый основной цвет не получает равную долю общей площади, потому что человеческий глаз более чувствителен к зеленому свету, чем к красному и синему. Избыточность с зелеными пикселями создает изображение, которое кажется менее шумным и имеет более мелкие детали, чем можно было бы получить, если бы все цвета обрабатывались одинаково. Это также объясняет, почему шум в зеленом канале намного меньше, чем для двух других основных цветов (см., например, «Понимание шума изображения»).

Исходная сцена
(показана в масштабе 200%)

Что видит ваша камера
(через матрицу Байера)

Примечание. Не все цифровые камеры используют матрицу Байера, однако это наиболее распространенная установка. Например, датчик Foveon улавливает все три цвета в каждом пикселе, в то время как другие датчики могут улавливать четыре цвета в аналогичном массиве: красный, зеленый, синий и изумрудно-зеленый.

БАЙЕРОВСКАЯ ДЕМОЗАИЧНОСТЬ

Байеровская «демозаика» представляет собой процесс перевода массива основных цветов Байера в конечное изображение, которое содержит полную цветовую информацию для каждого пикселя. Как это возможно, если камера не может напрямую измерить полный цвет? Один из способов понять это — вместо этого думать о каждом массиве 2×2 красного, зеленого и синего как об одной полноцветной полости.

→

Это будет работать нормально, однако большинство камер предпринимают дополнительные шаги, чтобы извлечь еще больше информации об изображении из этого цветового массива. Если бы камера воспринимала все цвета в каждом массиве 2×2 как попавшие в одно и то же место, то она смогла бы достичь только половины разрешения как по горизонтали, так и по вертикали. С другой стороны, если камера вычисляет цвет, используя несколько перекрывающихся массивов 2×2, она может достичь более высокого разрешения, чем это было бы возможно с одним набором массивов 2×2. Следующая комбинация перекрывающихся массивов 2×2 может использоваться для извлечения дополнительной информации об изображении.

→

Обратите внимание, что мы не вычисляли информацию об изображении на самых краях массива, так как предполагали, что изображение продолжается в каждом направлении. Если бы это были на самом деле края массива резонаторов, то расчеты здесь были бы менее точными, так как пикселей со всех сторон уже нет. Однако обычно этим можно пренебречь, поскольку информация на самых краях изображения может быть легко обрезана для камер с миллионами пикселей.

Существуют и другие алгоритмы демозаики, которые могут извлекать немного большее разрешение, создавать изображения с меньшим уровнем шума или адаптироваться для наилучшего приближения к изображению в каждом месте.

ДЕМОЗАИЧНЫЕ АРТЕФАКТЫ

Изображения с мелкими деталями, близкими к пределу разрешения цифрового датчика, иногда могут обмануть алгоритм демозаики, что приведет к нереалистичному результату. Наиболее распространенным артефактом является муар (произносится как «больше-ай»), который может проявляться в виде повторяющихся узоров, цветовых артефактов или пикселей, расположенных в виде нереалистичного лабиринтного узора:

Второе фото с увеличением ↓ 65% от вышеуказанного размера

Выше показаны две отдельные фотографии — каждая с разным увеличением. Обратите внимание на появление муара во всех четырех нижних квадратах, в дополнение к третьему квадрату первой фотографии (незначительный). В третьем квадрате уменьшенной версии можно увидеть как лабиринтные, так и цветовые артефакты. Эти артефакты зависят как от типа текстуры, так и от программного обеспечения, используемого для обработки файла RAW цифровой камеры.

Однако, даже с теоретически идеальным сенсором, который мог бы уловить и различить все цвета на каждом фотосайте, все равно мог появиться муар и другие артефакты. Это неизбежное последствие любой системы, которая дискретизирует непрерывный сигнал с дискретными интервалами или местами. По этой причине практически каждый цифровой фотосенсор включает так называемый оптический фильтр нижних частот (OLPF) или фильтр сглаживания (AA). Обычно это тонкий слой непосредственно перед датчиком, который эффективно размывает любые потенциально проблемные детали, которые меньше, чем разрешение датчика.

МАССИВЫ MICROLENS

Вы можете удивиться, почему на первой диаграмме в этом руководстве каждая полость не размещена непосредственно рядом друг с другом. Сенсоры реальных камер на самом деле не имеют фотосайтов, которые покрывают всю поверхность сенсора. На самом деле, они могут занимать только половину общей площади для размещения другой электроники. Каждая полость показана с небольшими пиками между ними, чтобы направлять фотоны в ту или иную полость. Цифровые камеры содержат «микролинзы» над каждым фотосайтом для улучшения их способности собирать свет. Эти линзы аналогичны воронкам, которые направляют фотоны в фотосайт, где в противном случае фотоны не использовались бы.