Wiwisekcja cyfrówki

Warto wiedzieć jak obsługiwać aparat, ale też jak jest zbudowany. Postaramy się odpowiedzieć na pytania: Czym cyfrówka różni się od tradycyjnego aparatu fotograficznego? Z czego składa się krzemowy odpowiednik światłoczułego filmu? Jak przebiega proces powstawania elektronicznego obrazu?

Z trzech do dwóch wymiarów

Zdjęcie przedstawia proste doświadczenie świetnie ilustrujące działanie najprostszego układu optycznego. Przed przeciwległą do okna ścianą umieściłem soczewkę. Silne światło wpadające do pokoju przez okno przeniosło wizerunek okna i znajdujących się za nim drzew oraz budynków na płaszczyznę ściany.

Zdjęcie przedstawia proste doświadczenie świetnie ilustrujące działanie najprostszego układu optycznego. Przed przeciwległą do okna ścianą umieściłem soczewkę. Silne światło wpadające do pokoju przez okno przeniosło wizerunek okna i znajdujących się za nim drzew oraz budynków na płaszczyznę ściany.

Można zaryzykować twierdzenie, że zdjęcie z pikseli powstaje podobnie jak jego tradycyjny odpowiednik. By zrozumieć zasadę działania aparatu cyfrowego, należy rozróżnić dwa etapy powstawania obrazu: naświetlanie, czyli przenoszenie wizerunku trójwymiarowej rzeczywistości na płaszczyznę, oraz rejestrację, czyli utrwalanie dwuwymiarowego wizerunku. Pierwszy etap w tradycyjnym aparacie analogowym i cyfrówce jest niemal identyczny. Różnica pojawia się na etapie rejestracji.

Aby zarejestrować wizerunek jakiegokolwiek motywu w postaci dwuwymiarowego obrazu na szkle, papierze czy ekranie monitora, musimy znaleźć sposób na przeniesienie trójwymiarowej bryły czy przestrzeni na płaszczyznę. Niezbędne jest do tego światło, które można określić jako nośnik wizerunku, oraz układ optyczny, dzięki któremu ów wizerunek spłaszczymy. Najprostszym układem optycznym jest zwykła wypukła soczewka. Za jej pomocą można przenieść przestrzenny motyw na płaszczyznę elementu światłoczułego. Wystarczy tylko umieścić ją w odpowiedniej odległości między motywem a płaszczyzną (określenie właściwego dystansu potocznie określamy jako ustawianie ostrości). Najprostszy układ pozwalający na realizację opisanego zadania prezentujemy na zdjęciu. Oczywiście, we współczesnych aparatach cyfrowych trudno jest znaleźć obiektyw, w którym umieszczono 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 kilku czy kilkudziesięciu ruchomych względem siebie soczewek.

Wykorzystuje się w nich wspomniane soczewki skupiające i rozpraszające wiązki światła. Nie wszystkie wypukłości lub wklęsłości stosowanych w obiektywach soczewek stanowią wycinek sfery. W bardziej zaawansowanych konstrukcjach inżynierowie stosują tzw. 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 defekt można też minimalizować, wykorzystując układ składający się z kilku zwykłych soczewek, ale zastosowanie jednej soczewki asferycznej upraszcza konstrukcję, a do tego zmniejsza wymiary i masę obiektywu.

Opisując elementy optyczne, warto krótko wspomnieć o dwóch układach: ustawiania ostrości (autofokus) i stabilizatorze obrazu, oraz o ważnym elemencie obiektywu - przysłonie.

Autofokus

Obiektyw cyfrówki widziany od strony matrycy. Z prawej strony widać taśmy łączące płytę główną cyfrówki z silnikami krokowymi odpowiedzialnymi za przesuwanie soczewek. Dzięki silnikom możliwe jest ustawianie ostrości oraz zmiana ogniskowej.

Obiektyw cyfrówki widziany od strony matrycy. Z prawej strony widać taśmy łączące płytę główną cyfrówki z silnikami krokowymi odpowiedzialnymi za przesuwanie soczewek. Dzięki silnikom możliwe jest ustawianie ostrości oraz zmiana ogniskowej.

Układ automatycznego ustawienia ostrości pozwala uzyskiwać właściwe położenie soczewki lub soczewek względem zarówno fotografowanego motywu, jak i światłoczułej płaszczyzny, aby uzyskać odwzorowanie o właściwej ostrości. Ale to tylko część pracy, jaką wykonuje. Znacznie bardziej skomplikowanym zadaniem jest obliczenie właściwego położenia szkła bądź szkieł obiektywu. Stosuje się w tym celu dwie metody, dzięki którym mierzony jest albo kontrast, albo przesunięcie fazowe pomiędzy detalami znajdującymi się w kadrze. Pierwsza metoda - zwana detekcją kontrastu - stosowana jest głównie w aparatach kompaktowych (ale też w dysponujących trybem Live View lustrzankach), druga - zwana detekcją fazy - występuje wyłącznie w lustrzankach. Gdyby chcieć ocenić, która z nich jest lepsza, należałoby wskazać na detekcję fazy ze względu na znacznie szybsze działanie. Niestety, metody tej nie da się zastosować w aparatach kompaktowych.

Stabilizator obrazu

Coraz częściej w aparatach cyfrowych lub wymiennych obiektywach do lustrzanek pojawia się niezwykle przydatny układ - mechaniczny stabilizator obrazu. Dwa rodzaje mechanicznej stabilizacji: optyki oraz matrycy, 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 (np. 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 wykonanie odpowiedniego ruchu kompensacyjnego. Na schemacie przedstawiamy zasadę działania optycznego stabilizatora obrazu w jednym z aparatów Panasonica.

Przysłona

Zasada działania stabilizatora obrazu.

Zasada działania stabilizatora obrazu.

To stosunkowo prosty, ale bardzo ważny element układu optycznego. Służy do ograniczania ilości światła, jakie przedostaje się przez soczewki, poprzez przysłonięcie otworu obiektywu. Można by się zastanawiać, po co stosować element służący do ograniczenia sprawności - w tym przypadku "przepustowości" pewnego podzespołu, jakim jest obiektyw. Są ku temu trzy powody. Pierwszy to uzyskanie właściwej ekspozycji, czyli właściwego (nie za mocnego i niezbyt słabego) naświetlenia elementu światłoczułego. Gdy światła jest zbyt dużo, a mechanizm (tzw. migawka) dozujący czas padania światła na film lub matrycę osiągnął już kres swoich możliwości (minimalny czas otwarcia), jedyną metodą pozostaje zdławienie promieni za pomocą zawężenia otworu obiektywu. Dzięki temu zwiększy się głębia ostrości (czyli zakres odległości, w którym znajdujące się przedmioty są ostre) i poprawi się nieco odwzorowanie najmniejszych detali (niezależnie od wzrostu głębi ostrości poprawi się także rozdzielczość optyczna, czyli zdolność do dokładnego odwzorowania najmniejszych szczegółów obrazu). Zmniejszanie otworu obiektywu poprzez zwiększanie powierzchni elementu przysłaniającego (przysłony) aż do maksymalnej wartości będzie powodować wzrost głębi ostrości. Inaczej jest ze wzrostem rozdzielczości optycznej - szczegółowość obrazu będzie wzrastała tylko do pewnej wartości przysłony (granicą są na ogół wartości między 8 a 11). Dalsze zmniejszanie przekroju obiektywu będzie powodowało spadek szczegółowości obrazu (pojawi się zjawisko załamywania się promieni świetlnych na brzegach przysłony - dyfrakcja).

Migawka

To ostatni ważny komponent aparatu fotograficznego wspólny dla cyfrówki i jej poprzednika. Ma do spełnienia dość proste zadanie: dozować ilość czasu, w którym światło padające na element światłoczuły dociera do filmu czy matrycy światła. Występują dwa rodzaje migawek: centralne, zintegrowane z obiektywem i stosowane głównie w kompaktach, oraz szczelinowe, stosowane w lustrzankach.

Od dagerotypu do JPG
Od camera obscura (na górze) do współczesnej cyfrówki. Na rysunkach przedstawiamy zasadę działania aparatu fotograficznego.

Od camera obscura (na górze) do współczesnej cyfrówki. Na rysunkach przedstawiamy zasadę działania aparatu fotograficznego.

Zasada działania współczesnego elektronicznego aparatu fotograficznego jest tak stara jak sama fotografia. Już w pierwszej połowie XIX wieku francuski malarz Louis Jacque Mandé Daguerre, podobnie jak i kilku innych odkrywców "szybkiej" metody utrwalania wizerunków, rozwijał dobrze znane urządzenie, zwane camera obscura.

Ulepszenie starego wynalazku polegało głównie na wyposażeniu kamery w optykę, później także w migawkę i przysłonę. To nic innego jak skrzynka z niewielkim otworem, przez który do jej wnętrza dostaje się wiązka światła. Gdybyśmy dostali się do środka tego mało skomplikowanego instrumentu, zaobserwowalibyśmy wyświetlanie na ściance przeciwległej do otworu mniej lub bardziej dokładnego wizerunku przedmiotów znajdujących się na zewnątrz (tuż za otworem). Zachodnioeuropejscy pionierzy fotografii wpadli na dwa genialne pomysły ulepszenia starego wynalazku. Pierwszy polegał na umieszczeniu w otworze soczewki, która pozwoliła na znacznie ostrzejsze odwzorowanie "wyświetlanego" wewnątrz obrazu, drugi posłużył do opracowania metody jego utrwalenia. Do dziś jesteśmy świadkami ulepszania tych dwóch pomysłów. Jedną soczewkę zastąpiono kilkunastoma, tworzącymi często skomplikowane obiektywy zmiennoogniskowe. Miejsce posmarowanych światłoczułą substancją szklanych lub metalowych płytek (potem zamienionych na filmy), na których utrwalany był obraz, zajmują teraz krzemowe panele, zawierające miliony mikroskopijnych detektorów. Idea łowienia obrazu pozostała więc niezmieniona, nowe i doskonalsze są tylko poszczególne elementy urządzenia.


Zobacz również