В последнее время уже сложно представить себе жизнь без фотоаппарата, так прочно он влился в нашу жизнь. Почти все уже привыкли фотографировать какие-либо моменты своей жизни «на будущее». Но что же это за волшебная коробочка, которая позволяет запечатлеть важные моменты жизни?
По своей сути, фотоаппарат является устройством регистрации изображения. Изобрели их всего 2 века назад. Художественный рисунок не совсем является фотографией, ведь изображение получено вручную, а не зарегистрировано как-либо механически. Первые опыты по гелиографии были проведены Нисефором Ньепсом в 20-х годах 19 века.
Они заключались в свойстве камеры обскура проецировать изображение на стенку, где изображение на матрице выцветало от солнечного света. Камерой обскура по своей сути является любое длинное и тёмное помещение с небольшим отверстием для света в одном из концов. Свет, проходя через маленькое отверстие как-то засвечивает комнату, а именно проецируется на обратную стенку, где располагался фотохимический раствор (т.е. раствор, реагирующий на свет). Т.к. в разных точках количество света было разное, мы и получали изображение, наблюдаемое за камерой. Подобным образом работали дагеротипные камеры (прожили они недолго, их почти вскоре заменили более совершенными устройствами): изображение, с помощью линзы проецировалось на матрицу, покрытую йодистым серебром, и постепенно проявлялось. Далее, в течении 19-го и начала 20-го века постепенно улучшалась и уменьшалась светочувствительная пластинка и повышалась четкость изображения фотокамер.
В 1969 году была изобретена первая ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью). В последствии, данная технология развилась и полностью вытеснила привычные аналоговые фотоаппараты. Но как же работает ПЗС-матрица?
Даже из названия уже понятно, что она как-то связана с зарядами. По своей сути, у нас есть какая-то матрица некоторого физического размера, разбитая на некоторое количество пикселей. Проводя несложную математику, можно получить физический размер 1 пикселя (обычно, они квадратные), который будет порядка 1-10 микрометров. Во время съёмки, изображение проецируется через объектив на матрицу (в другое время она закрыта) и на пиксель проецируется свет. Грубо говоря, с помощью маленькой призмы, он раскладывается на 3 основных составляющих: красную, зелёную и синюю, каждая из которых проецируется на субпиксели. В таких субпикселях находится маленькая линза, проецирующая свет на определённой длине волны на кремниевый конденсатор, в котором происходит явление фотоэффекта. Оно заключается в том, что фотон, влетевший в атом, передаёт свою энергию и может выбить электрон, т.е. создаётся небольшой ток. Таким образом, конденсаторы каждой строки матрицы с помощью зарядовой связи (т.е. подачи напряжения на строчку матрицы, сдвигающего заряды на 1 пиксель) и передаёт информацию на процессор, который считает, соответственно, количество красного, зелёного и синего цвета на каждом пикселе, строя изображение, которое уже наблюдаем мы на экране.
В связи с этим, у процессора на моменте обработки могут быть некоторые настройки для преобразования полученного сигнала. Например, светочувствительность может заставлять сильнее или слабее обрабатывать получаемый сигнал. Но в силу компактности фотоаппарата, процессор греется и выбивает на матрице «тепловой» шум, т.е. примерно одинаковое количество электронов с малой энергией, т.е. в красной области. Из-за этого, тепловой шум на фотографиях выглядит красным.
Кроме этого, есть выдержка – т.е. то время, в течении которого матрица будет накапливать свет для постобработки. Обычно используется в двух случаях: 1) когда мы хотим запечатлеть собственное движение объекта (либо движение Земли вокруг своей оси) или 2) когда мы ставим объект на часовой механизм, чтобы убрать вращение Земли и снимаем очень тусклый объект. Баланс белого настраивает обработку на процессоре количества приходящего света.
Кроме того, в астрономии есть такое немаловажное понятие, как отношение сигнал/шум. Так как кроме теплового шума матрицы есть шум излучения фона неба, который равен 22 звёздным величинам на угловую секунду, при долгой экспозиции тусклых объектов уже становится сложно понять, где сигналы от звезды, а где фон неба. Поэтому, для регистрации научного открытия, отношение сигнал/шум в наблюдательных данных должно быть не меньше 5, для олимпиадных задач можно честно принимать сигнал/шум равным как минимум 3 для регистрации объекта. Такие значения связаны с тем, что распределение приходящей энергии от объекта располагается на кривой Гаусса и при отношении сигнал/шум пор=3 вероятность того, что это не какой-то случайный шум так «выстрелил» 99%, а при = 5 мы получаем, что вероятность того, что это реальный объект порядка 99.99%
А астрономии есть специальный раздел, так называемая «астрофотография». Обычно, к ним относят все целенаправленные фотографии неба, т.е. когда мы специально снимаем именно космос и его объекты. Для улучшения качества наблюдений на телескопе, в фокальную плоскость ставят ПЗС-матрицу (например, крепят фотоаппарат или располагают специально сделанную матрицу), которая собирает свет и мы получаем какое-то статичное изображение для наблюдательной обработки. На самой заре создания фотокамер, пластинки сразу догадались разместить в телескопах, сделав огромное количество новых открытий, которые раньше могли просто не замечать.