Устройство и принципы работы фотоаппаратов

В кремниевой подложке р-типа создаются  каналы из полупроводника n-типа.

Сверку наносится изолирующий  слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала последний генерирует электрон, который хранится в потенциальной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может накопить потенциальная яма, тем больший диапазон освещенности можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависим динамический диапазон (о нем более подробно будет рассказано ниже). Все, что требуется сделать, - считать значение этого заряда и усилить его.

Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на усилитель. Таким устройством можно считать значение строки ПЗС-элементов.

В нашем же случае требуется определить заряд каждого из элементов матрицы.

При этом используется способность  ПЗС к перемещению потенциальной  ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться  потенциальная яма. При этом яма из-под соседнего электрода, в свою очередь, смещается под слёдующий электрод и так далее до регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы, подаваемые на электроды, а также работу регистров сдвига.

Поэтому используются два дополнительных устройства: во-первых, управляющая микросхема, обеспечивающая подачу импульсов на электроды матрицы, и во- вторых, тактовый генератор.

Одним из первых типов ЭОП были полнокадровые ПЗС-матрицы. После  того как отработал затвор фотоаппарата и все пикселы накопили заряд, эквивалентный световому потоку, упавшему на них, происходит процесс считывания зарядов.

3.5.Устройства хранения информации

Итак, световой поток прошел через оптическую подсистему, попав на электронно-оптический преобразователь. Полученное аналоговое изображение посредством преобразователей стало цифровым. Как было сказано ранее, подавляющее большинство фотоаппаратов использует схему с чередованием элементов, которая требует дополнительной обработки встроенным программным обеспечением для получения полноценного кадра. Также требуется обработка изображения с целью его сжатия (об этом будет рассказано далее). Кроме того, скорость считывания кадра с ПЗС-матрицы значительно выше скорости записи на устройство долговременного хранения информации, какого бы типа оно ни было. Для промежуточного хранения и обработки изображения используется буферная память.

Буферная память - этот тип памяти аналогичен ОЗУ, используемому в персональных компьютерах.

Основное отличие в том, что  при выборе тек или иных микросхем основное внимание уделяется не столько быстродействию (хотя и оно немаловажно), сколько надежности и малому энергопотреблению. До недавнего времени размеры буфера были сравнительно невелики, пока кому-то из производителей не пришла в голову мысль увеличить объем этой памяти. При этом в буфер может помещаться и обрабатываться не один, а несколько кадров. Таким образом, значительно сокращается интервал, необходимый для подготовки камеры к следующейсъемке, практически время затрачивается только на зарядку вспышки.

Если не использовать вспышку, то становится доступным режим непрерывной  сьемхи, когда камера делает несколько (до 10) кадров с высокой скоростью

(до 3 кадров в секунду) и помещает  их в буфер, где они обрабатываются  и потом записываются в долговременную память. Если АЦП матрицы обеспечивает высокую пропускную способность, то возможен режим видеосъемки - затвор при этом остается открытым на все время съемки. Характеристики получаемого видеоролика в основном такие: разрешение 320х240, частота 15 кадров в секунду, продолжительность до 30 секунд.

После того как программное обеспечение  камеры создало на основе данных с

ПЗС-матрицы полноцветное изображение, возникает задача его сохранения.

Графические файлы очень велики и поэтому требуется их дополнительная обработка - сжатие. При этом используется алгоритм JPEG (Joint Photographic

Experts Group). Суть этого алгоритма  сводится к трем основным шагам.  На первом шаге кодировка RGB, основанная на представлении  каждого цвета сочетанием красного, синего и зеленого оттенков, заменяется на кодировку

YUV. В этом формате компонент  У отвечает за яркость, а  U и V - за цветовой оттенок. Подобная  схема применяется в телевещании  - как уже было сказано, человеческий  глаз больше реагирует на яркостные  характеристики изображения, чем на цветовые.

На втором шаге следует разбиение  изображения на отдельные участки  размером

8х8 пикселов, затем над каждым  участком производится математическая  операция - дискретное косинус-преобразование. В результате изображение представляется в виде гармонических колебаний разной частоты и амплитуды.

А на третьем шаге происходит то, из-за чего компрессия JРЕС называется сжатием  с потерями качества» - частотно-амплитудные  характеристики каждого блока анализируются  с учетом повторяемости цветов в изображении и особенностей человеческого зрения, в частности меньшей чувствительности глаза к верхней части спектра. При этом удается исключить до половины яркостной информации и до 3/4 цветовой. Естественно, что даже при минимальном сжатии, когда человеческий глаз не в состоянии отличить изображение в формате JPEG от оригинала, восстановить изображение с точностью до пиксела невозможно (а, в общемто, и не нужно). Чем выше коэффициент сжатия, тем большее количество яркостных и цветовых характеристик исключается, тем меньше получаемый файл и тем больше шансов обнаружить при просмотре визуальные искажения (артефакты) JPEG. Эти искажения проявляются в виде размытая контрастных границ, проявления блочной структуры кадра и других нежелательных явлений.

В качестве альтернативы формату JPEG в некоторых камерах используется так называемый формат RAW когда в долговременную память записывается отпечаток»

ПЗС-матрицы. При этом размер изображения  в десятки раз больше кадра JPEG, и для его просмотра требуется  специальная программа, поставляемая фирмой- производителем камеры. Не всегда эти программы обладают достаточным количеством операций по обработке изображения, иногда у них неудобный интерфейс. Данные обстоятельства привели к появлению у фотокамер функции записи в формате TIFF. Он тоже позволяет производить сжатие кадра, но в отличие от JPEG потери информации при этом не происходит. Но даже с минимальным сжатием файл JPEG в несколько раз меньше файла TIFF.

 

3.6.Устройства долговременного хранения

 

К устройствам долговременного хранения предъявляется ряд жестких требований. Во-первых, необходима возможность продолжительного хранения без источников питания. Во-вторых, требуется минимальное энергопотребление при операциях записи/считывания/стирания. В-третьих, время записи/считывания/стирания должно быть как можно меньше. В-четвертых, габариты должны быть минимальными. И наконец, самое главное - устройство обязано быть стопроцентно надежным. Перечисленным требованиям в наиболее полной мере удовлетворяют конструкции, использующие так называемую флэш- память.

 

Флэш-память - Этот тип памяти является промежуточным между ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, в англоязычной литературе - АОМ, read-оn1у memory), которое хранит информацию без источников питания, но не позволяет ее модифицировать, и ОЗУ, которое допускает информацию модифицировать, но хранить ее не может. Флэш-память использует питание только при считывании данных и их модификации, причем для считывания необходимо менее высокое напряжение, а для записи – повышенное.

 

Существуют следующие виды хранения информации:

 

- Карты PCMCIA

- CompactFlash

- SmartMedia

- M ultiMedia Card

- Memory Stick

- xD – Picture Card

 

 

Другие виды носителей

Среди альтернативных методов хранения информации преобладают разнообразные  устройства с магнитными методами записи. Условно их можно разделить на две группы. В первой группе используются различные сменнъсе носители - от обычного гибкого диска 3,5 дюйма до магнитооптического картриджа. При этом не очень высокая емкость носителя компенсируется ценой и доступностью. Во второй группе используются миниатюрные жесткие диски («винчестеры»).

Сравнительно высокая цена этих устройств частично оправдывается  большой емкостью и высокими скоростями записи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

С началом XX столетия начинается интенсивное развитие науки и техники. Часы с калькулятором, фонарь с радиоприемником, пылесос с ионизатором воздуха – все эти вещи давно стали привычными. И сам этот факт столь широкого развития говорит о том, что это направление прошло период начального развития и уже сейчас представляет собой мощную базу со сложившимся рынком. Модельный ряд обновляется с достойной восхищения скоростью. Тем важнее для пользователя не ошибиться при выборе фотоаппарата и не разочароваться при его эксплуатации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перечень ссылок

 

1. «Цифровые фотоаппараты» Марин  Милчев.

 

2. Учебный справочник школьника.