Aparaty, kamery cyfrowe

Aparaty cyfrowe

Technologia CMOS

Matryca CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) to układ wielu elementów światłoczułych wykonany w technologii CMOS. Matryce CMOS występują w wielu urządzeniach, takich jak kamery internetowe, kompaktowe aparaty cyfrowe, lustrzanki cyfrowe (ang. DSLR – Digital Single Lens Reflex Camera) oraz elementy kontrolne w automatyzacji produkcji i innych miejscach. Matryce CMOS można spotkać w aparatach różnych klas – od najprostszych do najbardziej zaawansowanych.

Matryca składa się z milionów elementów o następującej budowie:

• elementu światłoczułego, działającego na zasadzie fotodiody,
• wzmacniacza sygnału,
• przetwornika analogowo-cyfrowego,
• mikrosoczewki, której zadaniem jest skupienie światła na elemencie światłoczułym,
• filtru barwnego odpowiadającego za fakt, że piksel jest czuły tylko na pewne spektrum światła. Najczęściej stosowana siatka filtrów Bayera.

Matryce CMOS działają na podobnych zasadach jak opisane poniżej matryce CCD z tą różnicą, że komórki rzędów CMOS są adresowane i odczytywane indywidualnie (dzięki zastosowaniu pionowego i poziomego rejestru odczytującego). Każdy element matrycy CMOS zapisuje obraz oddzielnie, ponieważ układy CMOS tworzą niezależną macierz, z której odczytuje się bez problemu wartości natężenia światła z dowolnej komórki, a pomiar może być przeprowadzany wielokrotnie bez utraty zgromadzonej tam informacji. Wystarczy podać współrzędne danego elementu, żeby dotrzeć do uzyskanych danych.

Technologia CCD

CCD oznacza tzw. układ ze sprzężeniem ładunkowym, przy pomocy którego do uzyskiwania fotografii wykorzystuje się wyłącznie prąd. Matryca zawiera miliony mikroskopijnych światłoczułych płytek, rejestrujących światło. Generuje tym samym ładunki, które po zakończeniu ekspozycji zostają odczytane. Aby stwierdzić, jak dużo fotonów padło na komórkę fotodetektora, wystarczy zmierzyć wartość ładunku zgromadzonego na detektorze.

Odczytywanie polega na tym, że cały obszar przeznaczony do rejestracji obrazu jest przeszukiwany w sposób szeregowy, tj. poszczególne linie (szeregi) przylegających do siebie czujników przekazują zarejestrowane dane. Na rejestrator czujnika obrazu podawane zostają ładunki z pierwszego rzędu elementów matrycy. Po przeczytaniu ładunków z pierwszego rzędu, rejestrator usuwa je, dając miejsce dla rzędu drugiego. Ładunki w elementach czujnika są ze sobą w taki sposób „sprzężone”, że przesunięcie pierwszego rzędu powoduje „pociągnięcie” za sobą rzędu drugiego, który z kolei pociąga rząd trzeci itd. W ten sposób wszystkie rzędy zostają kolejno odczytane w rejestratorze.

CCD	CMOS
Wolny zapis	Szybki zapis
Mniejsze szumy	Większe szumy
Większy pobór mocy (krótsza żywotność baterii)	Mniejszy pobór mocy (dłuższa żywotność baterii)
Większy współczynnik wypełnienia (mniej obwodów zasłaniających światło)	Mniejszy współczynnik wypełnienia (więcej obwodów zasłaniających światło)

Typy aparatów cyfrowych

Aparaty kompaktowe

Obiektyw i lampa błyskowa są wbudowane na stałe. Aparaty te mają funkcje zdjęciowe, które są porównywalne z aparatami lustrzanymi. Różnice między aparatami kompaktowymi a ich lustrzanymi odpowiednikami dotyczą rodzaju obiektywu, wielkości matrycy rejestrującej oraz ilości funkcji fotograficznych i edycyjnych. Domyślnie aparaty cyfrowe kompaktowe pracują w trybie pełnej automatyki procesu rejestracji obrazu. Osoba, która zupełnie nie zna się na fotografii, jest w stanie zrobić dobre zdjęcie. W momencie naciśnięcia spustu migawki, aparat kompaktowy wykonuje pomiar światła i odległości.

Aparaty lustrzane (lustrzanki)

Nazwa lustrzanka pochodzi od zamontowanego wewnątrz aparatu lustra, które rzuca obraz „wyłapywany” przez obiektyw na matówkę. Jedną z ważnych cech lustrzanek jest możliwość stosowania wymiennych obiektywów oraz akcesoriów do jednego korpusu. Lustrzanki są większe, cięższe i droższe niż aparaty kompaktowe. Są jednakże bardziej uniwersalne i mają więcej możliwości rejestracji zdjęć. Obraz w wyższej klasie lustrzanek pochodzi z obiektywu i jest niemal identyczny z rejestrowanym zdjęciem, ponieważ wizjer połączony jest optycznie z obiektywem. Tak więc można obserwować na bieżąco ostrość, z jaką wykonywane jest zdjęcie.

Pojęcia

• Balans bieli – kompensacja barwy światła z różnych źródeł, eliminująca np. żółty odcień światła żarowego.
• Efekt „czerwonych oczu” – czerwone plamki w oczach na zdjęciach wykonanych z lampą błyskową umieszczoną blisko obiektywu.
• Ekspozycja – ilość światła wpadającego do aparatu, zależna od jego intensywności i czasu naświetlania (E = 1xt).

Kamery cyfrowe

Budowa kamery

Cyfrowa kamera wideo to przenośne urządzenie optoelektroniczne służące do zapisywania sekwencji obrazów wideo na nośniku cyfrowym (takim jak kaseta miniDV, płyta DVD, wbudowany dysk twardy czy karta pamięci).

Do podstawowych elementów składowych kamery należą: obiektyw, sensor obrazu, procesor sygnałowy, system cyfrowego zapisu obrazu, ekran LCD wraz z interfejsem użytkownika, oraz szereg systemów pomocniczych (takich jak autofocus, układ automatycznej ekspozycji, układ automatycznego balansu bieli).

Zasada działania

• Czas akumulacji generowanych elektronów nazywa się okresem integracji. Po jego upływie ładunek zgromadzonych elektronów jest konwertowany na analogowy sygnał elektryczny. Sygnał ten jest przekształcany do postaci cyfrowej za pomocą przetwornika A/C. Liczba bitów przetwornika definiuje głębię bitową obrazu. Przetwornik 8-bitowy pozwala na opisanie sygnału analogowego za pomocą 2^8=256 dyskretnych wartości. Ponieważ sygnał z sensora składa się z trzech składowych kolorowych (R, G i B) to dla zachowania takiej głębi, musi być opisany za pomocą 24 bitów (3*8 bitów to tzw. true color).
• Stosowane są trzy rodzaje układów AF (auto focus): ultradźwiękowe, z wiązką promieniowania podczerwonego oraz z czujnikiem CCD.

Układ ultradźwiękowy

• W układzie ultradźwiękowym, przedstawionym na rysunku, autofokus (AF) korzysta z typowych rozwiązań stosowanych w echosondach.
• Z przetwornika piezoelektrycznego, umieszczonego w małym tubusie obok obiektywu kamery, wysyłana jest skupiona wiązka fal ultradźwiękowych w środek obszaru obserwowanego przez kamerę. Fala ultradźwiękowa, odbita od przedmiotu, wraca z opóźnieniem do odbiornika, którym jest ten sam przetwornik.
• Odpowiedni układ elektryczny określa czas opóźnienia i przekształca tę informację na sygnał sterujący silnikiem ostrości obiektywu.
• Wadą tego systemu jest możliwość błędnego ustawienia ostrości przy obserwacji przedmiotów znajdujących się np. za szybą, od której odbija się fala ultradźwiękowa, lub w przypadku filmowania obiektu umieszczonego nie w centralnej, lecz w bocznej części kadru.

Układ na podczerwień

• Wiązka promieniowania podczerwonego, emitowana przez diodę LED, kierowana jest wzdłuż osi obiektywu kamery na przedmiot. Po odbiciu od przedmiotu wiązka ta trafia do drugiego obiektywu, należącego do odbiornika podczerwieni, umieszczonego pod obiektywem kamery.
• Odbita wiązka pada następnie na zespół fotodiod A i B (ang. Split Photodiode). Zespół ten może przesuwać się w górę i w dół, a jego ruch jest mechanicznie sprzężony z pierścieniem ostrości obiektywu. Jeśli odbierana wiązka pada tylko na jedną fotodiodę, silnik ostrości przesuwa zespół fotodiod, aż do uzyskania jednakowego podziału wiązki pomiędzy diody A i B. Wówczas sygnały elektryczne z obu fotodiod zrównują się, a silnik zatrzymuje się.
• Do wzmocnienia sygnałów z fotodiod i sterowania silnikiem służą: wzmacniacz, komparator amplitudy oraz układ sterujący.
• Zaletą układu z wiązką promieniowania podczerwonego jest jego niezależność od stopnia oświetlenia przedmiotów – działa poprawnie nawet w ciemności.

Układ z czujnikiem CCD

• Układ AF z czujnikiem CCD zawiera 24 pary fotodiod działających na zasadzie przesuwania ładunku elektrycznego. Fotodiody są rozmieszczone szeregowo i tworzą liniowy czujnik świetlny CCD o długości 5 mm. Strumień świetlny z obiektywu kamery zostaje rozdzielony na dwie części przez półprzezroczyste lusterko, przy czym 70% strumienia dochodzi do przetwornika, a 30% do czujnika CCD.
• Każda para diod jest wyposażona w mikroskopijną soczewkę skupiającą. Wyjścia fotodiod są odpowiednio połączone tworząc dwie grupy A i B.
• Działanie takiego układu jest podobne do działania optycznego dalmierza w aparatach fotograficznych, zawierającego dwa, odwrotnie ułożone względem siebie, pryzmaty. Obraz widziany w wizjerze aparatu jest przecięty na pół i przy regulacji ostrości obiektywu obie połówki obrazu schodzą się aż do zaniku przecięcia. Funkcję dwóch pryzmatów spełniają w opisywanym układzie CCD dwie grupy fotodiod. Strumień świetlny z obiektywu pada na mikrosoczewki, a stąd na fotodiody. Przy dobrze ustawionej ostrości płaszczyzna zogniskowania obrazu leży dokładnie na powierzchni czujnika CCD i fotodiody obu grup A i B dają identyczne sygnały wizyjne powodujące w efekcie wynik zerowy na wyjściu układu. Przy źle ustawionej ostrości płaszczyzna zogniskowania obrazu wypada przed lub za czujnikiem CCD. Powstałe wówczas sygnały błędu…
• Sygnały te dochodzą do mikroprocesora wytwarzającego odpowiednie sygnały sterujące silnik ostrości obiektywu, który dopóty obraca pierścień ostrości, dopóki nie nastąpi zrównanie sygnałów A i B. Układ AF z czujnikiem CCD nie działa niestety prawidłowo lub w ogóle przestaje działać, jeżeli obserwowany obiekt nie zawiera żadnych szczegółów, np. gdy kamerę skieruje się na białą ścianę lub kontrastowe poziome pasy lub gdy oświetlenie jest zbyt słabe. W tych przypadkach należy przejść na ręczne sterowanie ostrością. Zaletą układu CCD jest możność stosowania go przy dowolnym obiektywie, również przy teleobiektywie.

Podsumowanie

Matryce

CMOS

• Matryca CMOS zawiera światłoczułe elementy, które są odczytywane indywidualnie, co pozwala na szybki dostęp do danych. Jest efektywna energetycznie i mniej podatna na zakłócenia. Stosowana w aparatach cyfrowych, kamerach internetowych i lustrzankach cyfrowych.
• Składa się z fotodiod, wzmacniaczy, przetworników analogowo-cyfrowych, mikrosoczewek i filtrów barwnych (np. Bayera).

CCD

• Matryca CCD rejestruje światło, generując ładunki, które są przesyłane do odczytu. Zapewnia wysoką jakość obrazu, ale jest mniej efektywna energetycznie niż CMOS. Stosowana w profesjonalnych aparatach i teleskopach.
• Odczyt polega na przesuwaniu ładunków z kolejnych rzędów elementów matrycy, gdzie każdy rząd przesuwa się, „pociągając” za sobą następny, aż cały obszar obrazu zostanie odczytany.

Porównanie CCD i CMOS :

CCD	CMOS
Wolny zapis	Szybki zapis
Mniejsze szumy	Większe szumy
Większy pobór mocy (krótsza żywotność baterii)	Mniejszy pobór mocy (dłuższa żywotność baterii)
Większy współczynnik wypełnienia (mniej obwodów zasłaniających światło)	Mniejszy współczynnik wypełnienia (więcej obwodów zasłaniających światło)

Typy aparatów

Aparaty kompaktowe

Mają wbudowany obiektyw i lampę błyskową, oferują automatyczne ustawienia, co ułatwia robienie dobrych zdjęć bez znajomości fotografii. Różnią się od lustrzanek mniejszą matrycą i ograniczoną liczbą funkcji.

Aparaty lustrzane (lustrzanki)

Posiadają lustro, które odbija obraz z obiektywu, umożliwiając podgląd przez wizjer. Są większe, cięższe i droższe, ale oferują możliwość wymiany obiektywów i większą kontrolę nad zdjęciem.

Pojęcia

• Balans bieli – kompensacja barwy światła z różnych źródeł, eliminująca np. żółty odcień światła żarowego.
• Efekt „czerwonych oczu” – czerwone plamki w oczach na zdjęciach wykonanych z lampą błyskową umieszczoną blisko obiektywu.
• Ekspozycja – ilość światła wpadającego do aparatu, zależna od jego intensywności i czasu naświetlania (E = 1 x t).

Kamery cyfrowe

• Cyfrowa kamera wideo rejestruje obraz na nośniku cyfrowym (np. karta pamięci, dysk, płyta DVD).
• Jej główne elementy to: obiektyw, sensor obrazu, procesor sygnałowy, system zapisu, ekran LCD, autofocus i układy automatyczne (ekspozycja, balans bieli). (Zdjęcie budowy)
• Obraz jest przekształcany z sygnału analogowego na cyfrowy przez przetwornik A/C. Głębia bitowa 8-bitowego przetwornika to 256 wartości na kanał (RGB), co daje 24-bitowy „true color”.

Układy AF

• Ultradźwiękowy AF działa jak echosonda – przetwornik piezoelektryczny wysyła fale ultradźwiękowe, które odbijają się od obiektu i wracają do odbiornika. Na podstawie opóźnienia sygnału sterowany jest silnik ostrości. System może popełniać błędy przy obiektach za szybą lub poza centrum kadru. (Zdjęcie schematu)
• AF na podczerwień wykorzystuje diodę LED emitującą promieniowanie IR, które odbija się od obiektu i trafia do odbiornika. Położenie wiązki na fotodiodach A i B steruje ustawieniem ostrości. Do wzmocnienia sygnału oraz sterowania silnikiem używane są wzmacniacz, komparator amplitudy i układ sterujący. System działa niezależnie od oświetlenia, sprawdzając się nawet w ciemności.
• Układ AF z czujnikiem CCD zawiera 24 pary fotodiod w układzie liniowym (5 mm). Strumień świetlny jest dzielony: 70% trafia do przetwornika, 30% do czujnika CCD. Fotodiody z mikrosoczewkami tworzą grupy A i B. Działa jak optyczny dalmierz – obraz dzieli się na dwie części, które schodzą się przy prawidłowej ostrości. Gdy ostrość jest niepoprawna, sygnały A i B różnią się, wskazując błąd. Mikroprocesor steruje silnikiem obiektywu do wyrównania sygnałów A i B. Układ nie działa przy braku szczegółów lub słabym świetle. Jest kompatybilny z różnymi obiektywami, w tym teleobiektywami.