2. Фотоаппарат и видеокамера

Определения и обозначения

Фотоаппарат — оптический прибор, формирующий действительное изображение предмета на светочувствительном носителе для получения фотографии. Действительное изображение можно получить на экране или матрице, потому что в этой области сходятся лучи света. Фотоаппарат нужен, чтобы зафиксировать один выбранный момент.

Видеокамера — прибор, который последовательно формирует изображения на светочувствительном носителе и записывает их как видеоряд. Она сохраняет не один момент, а много отдельных кадров, снятых один за другим. Это позволяет передать изменение положения предметов и движение.

Объектив — система линз, собирающая свет от предмета и создающая его изображение. Линзы направляют лучи так, чтобы изображение можно было получить на матрице. От объектива зависят, в частности, резкость и масштаб изображения.

Светочувствительная матрица — устройство, преобразующее падающий свет в электрические сигналы, из которых создаётся изображение. Её множество чувствительных элементов реагирует на свет, попадающий на разные участки. Матрица нужна, чтобы камера могла записать изображение в цифровом виде.

Как это устроено

Свет от каждой точки предмета проходит через объектив и преломляется в его линзах. Лучи от одной точки после объектива сходятся в соответствующей точке за ним, поэтому на плоскости матрицы возникает действительное изображение. Лучи от верхней и нижней частей предмета пересекаются, из-за чего изображение оказывается перевёрнутым; обычно оно меньше предмета, поскольку предмет находится далеко от объектива.

Чтобы изображение было резким, лучи от точек предмета должны собраться именно на поверхности матрицы. Если они сходятся перед ней или за ней, на матрице вместо чётких точек получаются размытые пятна. При фокусировке изменяют положение объектива или матрицы, подстраивая расстояние между ними под расстояние до предмета.

Матрице необходимо получить подходящее количество света: слишком слабый сигнал даёт тёмное изображение, а чрезмерное освещение может сделать его слишком светлым. Диафрагма регулирует размер отверстия в объективе, а значит, и поток света, проходящий через него. Затвор в фотоаппарате задаёт время, в течение которого свет попадает на матрицу; в цифровых устройствах эту задачу также выполняет электронное управление экспозицией.

При фотографировании камера записывает отдельный кадр, то есть изображение, полученное за время одного снимка. При видеосъёмке кадры сохраняются один за другим с заданной частотой, например 25 раз в секунду. Благодаря небольшим промежуткам между кадрами изображение меняется плавно, и зритель воспринимает последовательность как движение.

Каждый чувствительный элемент матрицы преобразует полученный свет в электрический сигнал. Электроника камеры считывает сигналы с разных участков и обрабатывает их, чтобы получить цифровое изображение. Для фотографии результат сохраняется как отдельный снимок, а для видео — как данные множества кадров, часто вместе со звуком.

Устройство и назначение элементов фотоаппарата и видеокамеры

Таблица помогает проследить, какие элементы есть у обеих камер и какую задачу каждый из них решает. При сравнении особенно важно отличать получение изображения объективом от его регистрации матрицей. Основная разница в записи состоит в том, что фотография сохраняет выбранный кадр, а видео — последовательность кадров.

Разбор задач

1. Какое изображение образуется на матрице?

Предмет находится перед собирающей линзой фотоаппарата. Нужно определить, будет ли изображение действительным или мнимым, прямым или перевёрнутым. Важно учитывать, что матрица должна принять на себя изображение, а не просто наблюдать его через линзу.

1. Матрица располагается там, где лучи после линзы действительно сходятся, поэтому изображение на ней действительное.
2. Для собирающей линзы предмет дальше фокуса даёт изображение, которое можно получить на экране.
3. Лучи от верхней и нижней частей предмета пересекаются, поэтому изображение перевёрнутое.

Ответ: изображение на матрице действительное и перевёрнутое. Его размер зависит от расстояний до предмета и изображения.

2. Найти расстояние от объектива до матрицы

Фокусное расстояние объектива F = 5 см, расстояние до предмета d = 2 м. Требуется найти расстояние f от объектива до матрицы. Используем формулу тонкой линзы 1/F = 1/d + 1/f, предварительно приведя все величины к сантиметрам.

1. Переведём расстояние до предмета: 2 м = 200 см.
2. Выразим обратное расстояние до изображения: 1/f = 1/F − 1/d = 1/5 − 1/200 = 39/200 см⁻¹.
3. Найдём f: f = 200/39 см ≈ 5,13 см.
4. Проверим разумность результата: предмет далеко, поэтому изображение образуется около фокальной плоскости, то есть расстояние чуть больше 5 см.

Ответ: матрица должна находиться примерно в 5,13 см от объектива. Здесь F — фокусное расстояние, а d — расстояние от предмета до объектива; это разные величины.

3. Сколько кадров запишет камера?

При видеосъёмке камера записывает 25 кадров в секунду в течение 2 минут. Нужно найти число кадров, а затем выяснить, сколько их будет при частоте 50 кадров в секунду. Частота показывает, сколько кадров записывается за одну секунду.

1. Переведём время в секунды: 2 мин = 120 с.
2. При 25 кадрах в секунду получим 25 × 120 = 3000 кадров.
3. При 50 кадрах в секунду получим 50 × 120 = 6000 кадров.
4. Частота удвоилась, поэтому за то же время число записанных кадров тоже удвоилось.

Ответ: при 25 кадрах в секунду камера запишет 3000 кадров, а при 50 — 6000. При достаточно частой смене изображений зрение воспринимает их как плавное непрерывное движение.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что объектив создаёт на матрице мнимое изображение, потому что предмет виден через линзы. Такое смешение возникает, когда изображение в видоискателе принимают за изображение, которое строится на матрице. Проверь себя: изображение, попадающее на матрицу, должно быть действительным, то есть образованным сходящимися лучами.

Ошибка: путать фокусное расстояние с расстоянием от предмета до объектива. Оба расстояния измеряют от объектива, поэтому их легко перепутать в формуле тонкой линзы. Проверь обозначения: фокусное расстояние F идёт от оптического центра до фокуса, а расстояние до предмета d — от предмета до объектива.

Ошибка: думать, что фокусировка изменяет размер предмета. Это заблуждение появляется потому, что при настройке камеры изображение иногда немного меняется по масштабу. Главная цель фокусировки — получить резкое изображение на поверхности матрицы; проверяй, стали ли контуры предмета чёткими.

Ошибка: считать видеозапись одним непрерывным изображением. При просмотре отдельных кадров обычно не замечают, что запись состоит из множества снимков. Проверь себя, вспомнив частоту кадров: камера сохраняет отдельные изображения через небольшие промежутки времени, а движение возникает при их быстрой смене.

Связь с другими темами

Для понимания работы камеры нужно знать свойства собирающей линзы, понятия фокуса и фокусного расстояния, а также формулу тонкой линзы. Пригодится умение строить изображение главными лучами и различать действительное и мнимое изображения. Эти знания помогают разбираться и в других оптических приборах.

Тема связывает оптику с устройством цифровых датчиков и записью информации. Те же принципы получения и смены изображений используются в фотографии и кинематографе. Понимание работы камеры также помогает объяснить, как свет превращается в цифровые данные.

Что запомнить

• Объектив фотоаппарата или видеокамеры создаёт изображение предмета на матрице.
• Изображение на матрице является действительным и перевёрнутым.
• Резкость получают изменением положения объектива или матрицы.
• Диафрагма регулирует количество света, а затвор или электронное управление задаёт время экспозиции.
• Фотоаппарат фиксирует отдельный снимок, а видеокамера записывает последовательность кадров.
• Матрица преобразует световое изображение в электрические сигналы.
• Частая смена кадров создаёт впечатление непрерывного движения.