Из чего состоит фотоаппарат: Устройство фотоаппарата: зеркального, цифрового
Принцип работы фотоаппарата, как работает фотокамера
Как работает фотоаппарат можно изучить еще в школе. Но знать конструктивные особенности интересно каждому владельцу фотокамеры. Основной принцип работы цифрового фотоаппарата можно выразить в нескольких словах: свет преображается в электричество. Все здесь служит для привлечения света, от кнопки пуск до линз.
Устройство и работа фотоаппарата
Первое что нужно для получения фото это источник света. Частицы света фотоны покидают источник света, отталкиваются от предмета и входят в камеру через несколько линз. Затем фотоны следуют по установленному пути. Целый ряд линз позволяет сделать максимально четкое изображение.
- Створки диафрагмы контролируют количество света, которое должно проникнуть внутрь через отверстие фотоаппарата.
- Пройдя сквозь диафрагму, линзы и войдя в отверстие, свет отталкивается от зеркала и направляется в видоискатель.
- До этого свет преломляется, проходя сквозь призму, поэтому то мы и видим изображение в видоискателе не вверх ногами и если нас устраивает композиция, то мы нажимаем на кнопку.
- При этом зеркало подымается, и свет направляется внутрь, какую-то долю секунды свет направлен не на видоискатель, а в самое сердце фотоаппарата – матрицу фотокамеры.
Длительность этого действия зависит от скорости срабатывания створок. Они открываются на мгновение, когда свет должен воздействовать на сенсор света. Время экспозиции может быть 1/4000 секунды. То есть в мгновение ока створки могут открыться и закрыться 1400 раз. Для этого существует две створки, когда первая открывается, то вторая закрывается. Таким образом, внутрь попадает чрезвычайно малое количество света. Это важный момент в понимании принципа работы цифрового фотоаппарата.
Теория обработки света
Так в чем же революционность цифровой камеры? Элемент, фиксирующий изображение, сенсор изображения (матрица) это решетка с плотной структурой, состоящей из крошечных сенсоров света. Ширина каждого всего 6 микрон – это 6 миллионных метра. 5 тысяч таких сенсоров могут поместиться на кончике остро заточенного карандаша.
Но сначала свет должен пройти через фильтр, который разделяет его на цвета: зеленый, красный и синий. Каждый сенсор света обрабатывает только один цвет. Когда в него ударяют фотоны, они поглощаются полупроводниковым материалом, из которого он сделан. На каждый поглощенный фотон сенсор света испускает электрическую частицу, она называется электрон. Энергия фотона передается электрону – это электрический заряд. И чем ярче изображение, тем сильнее электрический заряд. Таким образом, каждый электрический заряд обладает различной интенсивностью.
Дальше вся эта информация в цифровом виде подается в процессор, где она обрабатывается по определенным алгоритмам. Затем уже готовая фотография передается в память фотокамеры, где она и хранится и доступна для просмотра пользователю.
Так вкратце можно изобразить принцип работы цифрового зеркального фотоаппарата.
Фотоаппарат.
Краткая история, устройство, принцип работыФотоаппарат — устройство для регистрации неподвижных изображений (получения фотографий) путем фотоэлектрического преобразования оптического изображения в электрический сигнал, цифровые данные о котором сохраняются на энергонезависимом носителе.
Среди многих удивительных открытий, сделанных в XIX в., достойное место занимает фотография — технология, позволившая запечатлеть и на долгие годы сохранить какое-либо событие. В наши дни цифровые фотоаппараты практически полностью вытеснили прежние пленочные. Главное их преимущество — отсутствие пленки. Запись ведется на карты памяти и легко переносится (удаляется) с них, что делает «электронную пленку» практически безграничной. При этом пользователь цифрового аппарата освобожден от длительных и кропотливых процессов, связанных с обработкой отснятых фотоматериалов.
Как работает цифровой фотоаппарат?
В цифровом фотоаппарате изображение преобразуется в цифровой вид и записывается на электронный носитель информации.
В дальнейшем оно может быть передано по электронной сети или распечатано на принтере.
Устройство фотоаппарата
Как и у любого фотоаппарата, у цифрового прибора есть объектив — система линз, через которую проходит свет и формирует изображение на поверхности светочувствительной матрицы. Разрешение матрицы измеряют в мегапикселях (Мп). Оптимальным считается фотоаппарат с матрицей 3 Мп. Такое разрешение позволяет печатать с допустимым качеством фотографии самого распространенного формата — 10×15 см. Впрочем, в наши дни аппарат с разрешением, превышающим 10 Мп, уже не является редкостью. Фокусирующий механизм объектива, как и прежде, обеспечивает резкость изображения объекта в зависимости от его расстояния до линзы. В современных моделях фотоаппаратов фокусирующий механизм может управляться как вручную, так и автоматически.
После обработки изображения информация временно размещается в оперативной памяти. Самые простые модели имеют небольшой объем памяти и поэтому не способны сделать очередной снимок, пока предыдущий не запишется на карту памяти.
Более дорогие модели могут снимать, не дожидаясь конца обработки, пока не заполнится оперативная память. Получившийся кадр выводится на монитор, который расположен на задней поверхности корпуса. Все модели электронных фотоаппаратов оснащены жидкокристаллическим экраном, позволяющим мгновенно посмотреть снимок, оценить качество отснятого материала и при необходимости переснять его.
В XX в. в фотоаппаратах использовалась свернутая в рулон фотопленка. После специальной обработки (проявления и фиксирования) полученное изображение в увеличенном виде переносилось на фотобумагу.
В действие аппарат приводят элементы питания. Чаще всего это мощные алкалиновые (щелочные) батарейки или аккумуляторы.
«Сердце» фотоаппарата
Принцип работы цифровой камеры основан на преобразовании изображения в цифровую форму с помощью специальной светочувствительной матрицы. Эта матрица состоит из ПЗС-элементов. Один такой элемент и есть пиксель, что в переводе с английского означает «элемент изображения».
Пиксель можно увидеть, если очень сильно увеличить цифровую фотографию — она распадется на отдельные одноцветные квадратики. Когда ПЗС-элемент освещен, он проводит или вырабатывает электрический ток, то есть преобразовывает свет в электрический сигнал.
В фотоаппарате «Полароид» негатив, фотобумага и фотохимикаты для их обработки запечатаны внутри пластикового конверта. После выполнения снимка конверт выталкивается из аппарата, и через несколько десятков секунд на фотобумаге (без какой-либо дополнительной обработки) появляется цветное изображение.
Поделиться ссылкой
Это интересно…
история Тюльпаномания в Голландии
интересные факты Самые громкие ограбления
животные Какие бывают рыбы?
история Болезнь ведьм
интересные факты Самые абсурдные судебные иски
животные Самая кровожадная рыба-людоед
психология Как мы думаем?
интересные факты Самые смешные штрафы
Введение в датчики изображения | LUCID Vision Labs
Датчик изображения — один из важнейших компонентов любой камеры машинного зрения.
Хотя функция датчика заключается в преобразовании света в электрический сигнал,
не все датчики устроены одинаково. Узнав больше о том, как работают датчики изображения и как они относятся к категории
, вы сможете лучше выбрать правильный.
- Домашняя страница
- Технические обзоры
- Знакомство с датчиками изображения
Сенсоры можно классифицировать по нескольким признакам, таким как тип структуры (ПЗС или КМОП), тип цветности (цветной или монохроматический) или тип затвора (глобальный или скользящий затвор). Их также можно классифицировать по разрешению, частоте кадров, размеру пикселя и формату сенсора. Понимание этих терминов может помочь лучше понять, какой датчик лучше всего подходит для их применения.
Как бы они ни классифицировались, назначение датчиков изображения одинаково; для преобразования входящего света (фотонов) в электрический сигнал, который можно просмотреть, проанализировать или сохранить.
Датчики изображения представляют собой твердотельные устройства и служат одним из наиболее важных компонентов внутри камеры машинного зрения. Каждый год производятся новые разновидности датчиков с улучшенными размерами, разрешением, скоростью и светочувствительностью. В этой статье мы обсудим некоторые основы технологии датчиков изображения, используемые в камерах машинного зрения, и то, как они соотносятся с их классификациями.
СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ
Компоненты датчика изображения
Изображение кремниевые пластины
Функции датчиков внутри камеры
Различия между CCD и CMOS
MONO и цветовые датчики
Формат изображений. Ответ
Типы Global и Rolling Shutter
Компоненты датчика изображения
Ниже приведен типичный датчик изображения CMOS. Чип датчика находится в упаковке с защитным стеклом. На упаковке есть контактные площадки, которые соединяют датчик с платой.
Примечание сбоку
Различные датчики поставляются в разных упаковках.
Например, на фото выше датчик с керамическим корпусом PGA.
Вверху: схема датчика изображения CMOS
Чип твердотельного датчика изображения содержит пиксели, состоящие из светочувствительных элементов, микролинз и микроэлектрических компонентов. Чипы производятся полупроводниковыми компаниями и вырезаются из пластин. Проволочные соединения передают сигнал от матрицы к контактным площадкам на задней стороне датчика. Упаковка защищает микросхему датчика и проводные соединения от физического и экологического вреда, обеспечивает рассеивание тепла и включает в себя соединительную электронику для передачи сигнала. Прозрачное окно в передней части упаковки, называемое защитным стеклом, защищает микросхему датчика и провода, позволяя свету достигать светочувствительной области.
Датчики изображения из кремниевых пластин
Матрицы датчиков производятся большими партиями на кремниевых пластинах. Пластины разрезаются на множество частей, каждая из которых содержит один кристалл датчика.
Чем больше размер кристалла датчика, тем меньшее количество датчиков на пластину. Обычно это приводит к более высоким затратам. Одиночный дефект на пластине с большей вероятностью повлияет на датчик изображения большего размера.
Вверху: матрицы датчиков удаляются с пластины с помощью прецизионной резки
Примечание
Производственный процесс от голой кремниевой пластины до отдельных элементов датчика изображения может занять до нескольких месяцев.
Функции датчика внутри камеры
В системе камеры датчик изображения принимает падающий свет (фотоны), который фокусируется через линзу или другую оптику. В зависимости от того, является ли датчик ПЗС или КМОП, он будет передавать информацию на следующий этап либо в виде напряжения, либо в виде цифрового сигнала. Датчики CMOS преобразуют фотоны в электроны, затем в напряжение, а затем в цифровое значение с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Вверху: типичная компоновка камеры CMOS.
В зависимости от производителя камеры общая компоновка и используемые компоненты могут различаться. Основная цель этого макета — преобразовать свет в цифровой сигнал, который затем можно проанализировать, чтобы вызвать какое-то действие в будущем. Камеры потребительского уровня будут иметь дополнительные компоненты для хранения изображений (карта памяти), просмотра (встроенный ЖК-дисплей), а также ручки управления и переключатели, которых нет у камер машинного зрения.
Различия между ПЗС и КМОП
Датчики ПЗС (устройство с заряженной парой) запускают и останавливают экспозицию для всех пикселей одновременно. Это известно как глобальный затвор. Затем ПЗС передает этот экспозиционный заряд в сдвиговый регистр горизонтальной развертки, откуда он затем направляется в плавающий диффузионный усилитель. Примечание. В 2015 году Sony объявила о планах прекратить производство ПЗС-матриц и прекратить поддержку ПЗС-матриц к 2026 году.
0014 Характеристики ПЗС:
• Глобальный затвор
• Низкий уровень шума
• Высокий динамический диапазон
• Средняя частота кадров
• Возможны размытия изображения
Современные характеристики CMOS:
• Модели с глобальным затвором и скользящими затворами
• От низкого до очень низкого уровня шума
• От высокого до очень высокого динамического диапазона
• Очень высокая частота кадров
• Без смазывания
Монохромные и цветные датчики
Датчики видимого света (кроме инфракрасного, ультрафиолетового или рентгеновского) бывают двух основных типов; цвет и моно. Датчики цвета имеют дополнительный слой, расположенный под микролинзой, называемый цветным фильтром, который поглощает нежелательные цветовые длины волн, так что каждый пиксель чувствителен к определенной цветовой длине волны. Для моносенсоров цветной фильтр отсутствует, поэтому каждый пиксель чувствителен ко всем длинам волн видимого света.
Вверху слева: плоскость моносенсора. Справа вверху: плоскость датчика цвета с шаблоном Байера.
Для примера с датчиком цвета, показанного выше справа, используемая матрица цветовых фильтров представляет собой шаблон фильтра Байера. Этот шаблон фильтра использует массив 50% зеленого, 25% красного и 25% синего. В то время как большинство цветных камер используют шаблон фильтра Байера, существуют и другие доступные шаблоны фильтров с другим расположением шаблонов и разбивкой RGB.
Примечание сбоку
Для некоторых датчиков, особенно датчиков с меньшим размером пикселя, используются дополнительные микролинзы, помогающие направлять фотоны в фотодиод.
Формат датчика изображения (размер)
Датчики изображения бывают разных форматов (также называемых оптическим классом, размером или типом датчика) и упаковок. Разрешение и размер пикселя определяют общий размер датчика, при этом датчики большего размера имеют либо более высокое разрешение, либо больший размер пикселей, чем датчики меньшего размера. Знание формата сенсора важно для выбора объектива и оптики для камеры. Все объективы предназначены для определенных форматов датчиков и разрешений. Обратите внимание, что форматы датчика описывают только область чипа датчика, а не весь корпус датчика.
Выше размеры сенсора (слева направо): 1/6″, 1/3″, 2/3″, 1″
тип формата 2/3″. Однако фактический размер диагонали кристалла составляет всего 0,43 дюйма (11 мм). Текущие дюймовые типы датчиков НЕ являются фактическим размером диагонали датчика. Хотя может показаться, что типы форматов датчиков определены несколько неоднозначно, на самом деле они основаны на трубках старых видеокамер, где размер в дюймах относится к внешнему диаметру видеотрубки. Ниже приведена таблица с наиболее распространенными типами форматов датчиков и их реальными размерами диагоналей датчиков в мм.
Примечание
Вот пример трубки старой видеокамеры. Диаметр этих старых трубок служит классификацией формата датчика для сегодняшних современных датчиков.
Формат датчика против фактического размера
| Формат датчика изображения (тип) | 1 « | 2/3″ | 1/1,8 « | 1/3″ | 1/1.8 « | 1/3″ | 1/1,8 « | 1/3″ 3 « | . мм) | 16 мм | 11 мм | 8,9 мм | ~6 мм |
Размер пикселя сенсора
Размер пикселя измеряется в микрометрах (мкм) и включает всю площадь как фотодиода, так и окружающей электроники. Пиксель CMOS состоит из фотодиода, усилителя, затвора сброса, затвора переноса и плавающей диффузии. Однако эти элементы не всегда могут быть внутри каждого пикселя, поскольку они также могут быть общими для разных пикселей. На приведенной ниже диаграмме показана упрощенная компоновка монохромного и цветного пикселя CMOS.
Вверху, упрощенная CMOS монохромная и цветная компоновка пикселей
Как правило, больший размер пикселя лучше для повышения светочувствительности, так как на фотодиоде больше площади для приема света. Если формат сенсора остается прежним, а разрешение увеличивается, размер пикселя должен уменьшаться. Хотя это может снизить чувствительность сенсора, улучшения в структуре пикселей, технологии шумоподавления и обработки изображений помогли смягчить это. Чтобы получить более точное представление о чувствительности датчика, лучше всего обратиться к спектральному отклику датчика (квантовая эффективность), а также к другим результатам работы датчика.
Монохромный и цветной спектральный отклик
Из-за физических различий между монохромными и цветными датчиками, а также различий между технологиями производителей датчиков и структурой пикселей, разные датчики воспринимают свет в разной степени. Один из способов получить более точное представление о чувствительности датчика к свету — прочитать его спектральную диаграмму отклика (также известную как диаграмма квантовой эффективности).
Две приведенные ниже таблицы представляют собой черно-белую и цветную версии одной и той же модели датчика. Слева показана спектральная характеристика моносенсора, а справа — цветового сенсора. По оси X отложена длина волны (нм), а по оси Y отложена квантовая эффективность (%). В большинстве цветных камер машинного зрения установлены ИК-фильтры, блокирующие длины волн ближнего ИК-диапазона. Это удаляет ИК-шум и цветовой переход из изображения, лучше всего соответствуя тому, как человеческий глаз интерпретирует цвет. Тем не менее, в ряде приложений может быть полезно получать изображения без ИК-фильтра. Независимо от того, установлен ИК-фильтр или нет, цветовой датчик никогда не будет таким же чувствительным, как монохромный датчик.
Вверху: 2 примера кривых спектрального отклика с использованием одного семейства датчиков.
Монохромный датчик (слева) и датчик цвета без ИК-фильтра (справа)
Чем выше квантовая эффективность, тем лучше датчик воспринимает свет. Приведенные выше диаграммы являются одним из многих результатов производительности, основанных на стандартах измерения EMVA 1288. Стандарт EMVA 1288 определяет, как тестировать и отображать результаты производительности, чтобы пользователи могли лучше сравнивать и сопоставлять модели разных поставщиков. Посетите сайт EMVA 1288 для получения дополнительной информации.
Global Shutter и Rolling Shutter
Важной функцией датчика является его тип затвора. Двумя основными типами электронных затворов являются глобальный затвор и скользящий затвор . Эти типы затворов различаются по своей работе и конечным результатам изображения, особенно когда камера или цель находятся в движении. Давайте подробно рассмотрим, как они работают и как это влияет на визуализацию.
Глобальная синхронизация затвора
На диаграмме слева показана экспозиция датчик глобального затвора . Все пиксели начинают и заканчивают экспозицию одновременно, но считывание по-прежнему происходит построчно. Эта синхронизация создает неискаженные изображения без колебания или перекоса. Датчики глобального затвора необходимы для визуализации движущихся с высокой скоростью объектов.
Синхронизация скользящего затвора
На схеме слева показана синхронизация экспозиции датчика скользящего затвора . Время экспозиции отличается построчно, при этом сброс и считывание происходят в сдвинутое время. Эта экспозиция ряд за рядом приводит к искажению изображения, если цель или камера находятся в движении. Датчики со скользящим затвором обеспечивают превосходную чувствительность для визуализации статических или медленно движущихся объектов.
Заключение
Если вы только начинаете познавать мир камер машинного зрения, приведенная выше информация является отличным началом для понимания того, как индустрия машинного зрения классифицирует датчики. Понимание терминов и технологии цифровых датчиков позволит вам лучше выбрать подходящую камеру для вашего приложения. Например, определенные характеристики сенсора, такие как размер пикселя и формат сенсора, будут играть важную роль при выборе правильного объектива. Кроме того, по мере появления новых сенсорных технологий вы будете лучше подготовлены к пониманию того, полезны ли они для вашего приложения. Если вы готовы обсудить требования к вашей камере, пожалуйста, свяжитесь с нашим квалифицированным персоналом по продажам Lucid.
Zh2 — функциональная 35-мм пленочная камера, сделанная из деталей LEGO. беспроводная камера снимает неизведанный океан
03 августа 2022 г.
новая редкая медуза, снятая аквалангистом, имеет размер футбольного мяча0263 20 июня 2022 г. Фотограф использует инструмент искусственного интеллекта для создания камер в качестве необычного смешения поп-культуры назад ретро-консоль и видеоигры 80-х 06 июня 2022 г.
19 апреля 2022 г.
LEGO добавляет орхидею и суккуленты в свою ботаническую коллекцию, вдохновленную природой21 марта 2022 г.
LEGO представляет набор «Назад в будущее» с фигурками Дока и Марти Макфлая. напрямую от производителя и служит богатым ориентиром при разработке проекта или схемы.DESIGN NEWS
13 октября 2022 г.
съемных модульных стульев от 1/pinth studio привносят новую ценность в промышленные конвейерные ленты 9Стальные компоненты 0014 от перепрофилированных конвейерных лент собраны в съемные модульные рамы, чтобы представить серию стульев CNVYR.связи: +530
4 октября 2022 г.
Зена Холлоуэй запускает коллекцию биодизайна, полностью выращенного из корней проект исследует многообещающие возможности выращенного на корнях текстиля и представляет будущее, в котором мода будет устойчивой и компостируемой.
