Tajemnice budowy aparatów cyfrowych

Nowoczesne aparaty cyfrowe naszpikowane są elementami, które poprawiają jakość fotografowanego obrazu. Sęk w tym, że większość z nich pełni wyłącznie rolę marketingowych haczyków. Naprawdę ważnymi funkcjami mało kto się chwali, a tymczasem to one decydują, czy aparat jest nowoczesny, czy może raczej wywodzi się z poprzedniej generacji urządzeń. Oto przewodnik, dzięki któremu dowiesz się, co musi mieć współczesna cyfrówka.

W naszym poradniku podzielonym na kilka części zawarliśmy informacje o istotności i zasadach działania najważniejszych naszym zdaniem elementów cyfrówki. Zaczynamy od optyki, która z czego część osób nie zdaje sobie sprawy, w dużej mierze decyduje o jakości finalnych fotografii. Dotyczy to zarówno aparatów z wymienną (lustrzanki i coraz szersza grupa zaawansowanych kompaktów) jak i stałą optyką (prawie wszystkie kompakty).

Oko cyfrówki

Na schemacie przedstawiamy zasadę działania optycznego stabilizatora obrazu w jednym z aparatów Panasonica.

Na schemacie przedstawiamy zasadę działania optycznego stabilizatora obrazu w jednym z aparatów Panasonica.

Najprostszym układem optycznym jest "zwykła" sferyczna, wypukła soczewka skupiająca. Za jej pomocą można przenieść przestrzenny motyw na płaszczyznę elementu światłoczułego. Wystarczy tylko umieścić ją w odpowiedniej odległości pomiędzy motywem, a płaszczyzną (określenie właściwego dystansu potocznie określamy jako ustawianie "ostrości"). Oczywiście, we współczesnych aparatach cyfrowych trudno jest znaleźć obiektyw, w którym umieszczono tylko jedną, prostą soczewkę.

Od optyki aparatu fotograficznego wymagamy nie tylko, by odwzorowywała wizerunek tego, co chcemy sfotografować, ale także by potrafiła go powiększyć (zbliżyć określony fragment fotografowanego motywu) czy objąć bardzo szeroki plan. Nowoczesny obiektyw składa się zatem z co najmniej kilku czy nawet kilkudziesięciu ruchomych względem siebie soczewek. W obiektywach wykorzystuje się soczewki skupiające oraz rozpraszające wiązki światła. Nie wszystkie wypukłości lub wklęsłości stosowanych w obiektywach soczewek stanowią wycinek sfery. W bardziej zaawansowanych i droższych konstrukcjach inżynierowie stosują tak zwane soczewki asferyczne - trudniejsze w wykonaniu, przez co znacznie droższe od klasycznych sferycznych. Po co się je stosuje? Zostały one opracowane, by korygować wadę optyczną zwaną aberracją sferyczną, powodującą spadek ostrości obrazu.

Ten rodzaj defektu optycznego można minimalizować poprzez zastosowanie układu składającego się z kilku zwykłych soczewek. Zastosowanie jednej soczewki asferycznej upraszcza konstrukcje, przyczyniając się do zmniejszenia wymiarów i masy obiektywu.

Pisząc o układach optycznych, nie zapomnieć o dwóch bardzo istotnych układach - ustawiania ostrości (autofokus) oraz stabilizatorze obrazu. Szczególnie na przykładzie tego ostatniego widać, że nowoczesny aparat cyfrowy to nie tylko klasyczna optyka, lecz także nowatorskie elementy elektroniczne i optyczne, które sprawiają, że dobre zdjęcia jest teraz znacznie łatwiej wykonać niż kilka lat temu.

Zdjęcia bez poruszenia

Można rozróżnić dwa rodzaje mechanicznej stabilizacji: stabilizacja optyki oraz stabilizacja matrycy. Obydwie mają to samo zadanie - wykonać ruch kompensacyjny elementów aparatu (bądź obiektywu) niwelujący skutek wstrząsu całego urządzenia. Z tą różnicą, że aparaty czy obiektywy ze stabilizacją optyczną (na przykład Panasonic, Nikon czy Canon) poruszają jedną z soczewek, a aparaty ze stabilizacją matrycy poruszają sensorem CCD lub CMOS (Sony, Olympus). Informacji o kierunku oraz sile wstrząsu dostarczają specjalne czujniki żyroskopowe. Oprogramowanie oblicza i zarządza wykonaniem odpowiedniego ruchu kompensacyjnego.

Serce aparatu

Kolejnym ważnym elementem jest matryca CCD lub CMOS, która odpowiada za przetwarzanie realnego obrazu na cyfrowe zdjęcie. Obraz rzucony na matrycę musi zostać odczytany przez umieszczone na niej detektory. Znajdujące się w nich fotodiody zamieniają strumień fotonów w ładunek elektryczny, który następnie musi zostać poddany wzmocnieniu i przetworzeniu z postaci analogowej na cyfrową. Te czynności odbywają się (w zależności od rodzaju matryc) albo w samym sensorze, albo w oddzielnym układzie. Najczęściej poza matrycą znajduje się przetwornik analogowo-cyfrowy (oznaczany "A/C" lub z ang. "A/D"). W nim następuje przeliczenie natężenia ładunku elektrycznego odczytanego przez każdy piksel matrycy na wartość liczbową, by można było go opisać cyfrowo. Wartość, jaką scharakteryzowany jest na tym etapie każdy piksel mówi tylko o jasności obrazu w danym punkcie matrycy. Gdyby je poskładać można by uzyskać obraz monochromatyczny - czarno-biały. Kolejnym miejscem, do którego kierowane są informacje o odczytanym obrazie (już w postaci zer i jedynek) jest procesor obrazowy. Ten składa poszczególne piksele oraz dokonuje niezbędnej interpolacji danych, by stworzyć barwny obraz. Z procesora obraz kierowany jest już co najmniej w dwa miejsca. Pierwsze to "peryferia" czyli ekran LCD (lub wyjście A/V czy HDMI, przez które zarejestrowany sygnał jest wyprowadzany na zewnątrz, np. na ekran telewizora). Drugim jest nośnik danych, gdzie magazynowane są wykonane zdjęcia. W elektronicznym systemie nie może zabraknąć jeszcze jednego podstawowego elementu - bufora pamięci RAM, który zapewnia utrzymanie ciągłości pracy aparatu niezależnie od tego, czy poprzednia czynność (np. zapisanie zdjęcia na karcie) została już ukończona.

Matryca matrycy nie równa

Cyfrowa część aparatu fotograficznego przypomina zminiaturyzowany zestaw komputerowy wraz ze skanerem, umieszczonym w miejscu tradycyjnego materiału światłoczułego. Matrycę cyfrówki od skanera różni to, że obraz "łowiony" jest nie za pomocą ruchomej linijki z niewielką liczbą sensorów, ale za pomocą rozmieszczonych na całej powierzchni fotodetektorów. Do najpowszechniej stosowanych matryc zalicza się detektor CCD, składający się z prostokątnych, umieszczonych obok siebie komórek. Każda komórka rejestruje natężenie padającego na nią światła, a informacje z nich zebrane pozwalają na utworzenie monochromatycznego obrazu o rozdzielczości zbliżonej do liczby znajdujących się na powierzchni matrycy detektorów. Aby zarejestrować obraz kolorowy, pokryto poszczególne komórki filtrem o barwach: czerwonej (R), zielonej (G) lub niebieskiej (B). Na podstawie badań wysnuto wniosek, że w rejestracji typowych scen największą rolę powinny odgrywać detektory z filtrem zielonym. Dlatego ten właśnie kolor dominuje na "szachownicy" matrycy - zielonych detektorów jest dwa razy więcej niż czerwonych i niebieskich. W 2003 roku Sony opracowało udoskonalony model matrycy CCD, wzbogacony filtrem o barwie szmaragdowej, który umieszczono w miejscu nadwyżkowego zielonego. Powstał sensor o równomiernym rozmieszczeniu filtrów - RGBE (litera E pochodzi od słowa "emerald" - szmaragd), mogący poszerzyć zakres dobrze odwzorowywanych barw.

Wykorzystaj obiektyw z Zenita

Pod względem konstrukcji, obiektywy cyfrówek nie muszą różnić się od tych, projektowanych do aparatów analogowych. W cyfrowych lustrzankach można więc używać obiektywów przeznaczonych do tradycyjnych aparatów. Stosując odpowiednie pierścienie pośrednie, można stosować nawet optykę ze starych aparatów - niektóre obiektywy Zenita czy Pentacona, które od cyfrówek dzieli technologiczna przepaść. Nie mniej jednak nie można powiedzieć, że optyka nie jest dostosowywana do potrzeb aparatów cyfrowych. Elektroniczna matryca CCD czy CMOS jest pod pewnymi względami bardziej wymagającym medium niż tradycyjny negatyw czy slajd.


Zobacz również