Что такое камера, Виды, принцип работы

Что такое камера?

"Камеры - это оптические приборы для записи неподвижных или движущихся изображений..." 

Полезные статьи:

Освещение при видеосъемке

Что такое линзы

Все статьи

Основные принципы

Поскольку функция визуализации никогда не может быть идеальной, результаты изображения имеют различные недостатки. Например, ограниченное разрешение, геометрические искажения, отклоняющиеся цвета и недостаточная резкость. Для записи неподвижных изображений эффекты камеры конечного времени записи, например, размытие изображений, связанных с движениями объекта. Изображение от объективной сцены до какого-либо детектора света, например, фотопленки или электронного датчика изображения.

Как правило, система визуализации имеет ограниченную глубину резкости. Это ограниченный диапазон расстояний, на которых возможно четкое изображение. Глубина резкости уменьшается для объективов с большим фокусным расстоянием. Чем меньше глубина резкости, тем важнее настройка фокуса на определенное расстояние до объекта. Многие камеры имеют функцию автофокусировки, которая выполняет эту настройку автоматически.

Как правило, существуют определенные компромиссы, которые необходимо учитывать при принятии решений по различным параметрам камеры. Например, системы визуализации с большой апертурой могут собирать больше света, но имеют меньшую глубину резкости. 

Объектив с большим фокусным расстоянием может собирать больше света, но также и с уменьшенной глубиной резкости. Например, миниатюрные камеры для смартфонов обычно имеют высокую глубину резкости, но ограниченную мощность сбора света, поэтому у них больше проблем с плохим окружающим освещением, чем, например, у обычных фотокамер.

Оптические методы визуализации

Генерация оптического изображения часто означает, что свет, полученный от точек объекта, направляется в точки на некоторой плоскости. В более общем плане визуализация может означать, что точки в определенной плоскости (содержащие какие-либо объекты или нет) отображаются на точки в некоторой другой плоскости. В некоторых случаях выполняется трехмерная визуализация, собирая информацию о точках объекта не только в одной плоскости.

Самый простой вид оптического изображения достигается с помощью камеры-обскуры (camera obscura), требующей только точечного отверстия и никаких других оптических элементов, таких как линзы или зеркала. Поскольку этот принцип работы довольно ограничен, особенно из-за компромисса между разрешением и эффективностью сбора света, в большинстве случаев применяются другие методы визуализации.

Наиболее распространенным принципом оптического изображения является получение изображения с помощью одной линзы или аналогично с системой из нескольких линз, также называемой объективом. 

Существуют и другие методы визуализации, не требующие линз, но определенные амплитудные или фазовые маски перед электронным датчиком изображения. Здесь изображения должны быть вычислены на основе необработанных данных с использованием сложных алгоритмов. Некоторые устройства работают путем точечного сканирования объектов и объединения этих данных для получения полных изображений. В некоторых случаях выполняется линейное сканирование только в одном измерении.

Есть методы визуализации, которые подходят для получения трехмерных изображений. Это возможно с помощью голографии и некоторых методов сканирования, таких как оптическая когерентная томография.

Разрешение, достижимое при оптической визуализации, в большинстве случаев ограничено дифракцией порядка половины оптической длины волны. Тем не менее, существует несколько методов получения со сверхразрешением за пределами дифракционного предела. Например, существуют методы микроскопии ближнего поля и некоторые методы флуоресцентной микроскопии.

В некоторых случаях визуализация выполняется не с помощью традиционной оптики, такой как линзы, а на основе волоконной оптики. Например, существуют волоконные пучки для визуализации и волоконно-оптические пласттины (лицевые панели), которые могут обеспечивать передачу изображения один к одному, иногда также включая некоторое увеличение при использовании конических структур.

Визуализация возможна не только с помощью видимого света, но и с помощью электромагнитного излучения и других частотных областей, а также с другими типами излучения:

• Инфракрасный свет широко используется для визуализации; существуют специальные инфракрасные камеры, например, для тепловизионной съемки и ночного видения.
• В некоторых случаях используется ультрафиолетовый свет, например, в контексте лазерной литографии.
• Существуют различные методы рентгеновской визуализации. Трудность в этой области заключается в том, что трудно создавать эффективные зеркала, за исключением случаев остекления. Например, телескопы используются в космосе для рентгеновского наблюдения звезд.
• Терагерцовая визуализация использует проникновение излучения через вещества.

Фотокамеры

Фотокамеры широко используются для захвата неподвижных изображений, хотя некоторые из них также позволяют записывать видео. С точки зрения качества изображения и разрешения, фотокамеры часто превосходят видеокамеры.

Например, простые потребительские камеры типа “наведи и снимай” обеспечивают приемлемое качество изображения и различные автоматические настройки для удобства использования. Их можно использовать с минимальным пониманием оптики и фотографии. 

Для более высоких целей существуют однообъективные зеркальные камеры (и камеры, основанные на некоторых модифицированных концепциях), которые часто предлагают более высокое оптическое качество и значительно больший контроль со стороны фотографа. Для полного использования их потенциала необходимо получить хорошее представление о различных вопросах. Например, касающихся использования различных целей и типичных компромиссов в параметрах работы, а также некоторое базовое понимание оптики.

Видеокамеры

Это камеры для записи движущихся изображений, например, для телевидения и наблюдения.

При обычной частоте кадров (24 или 50 изображений в секунду) объем собираемых данных в минуту намного больше, чем у фотографии. Тем не менее, даже видеокамеры потребительского класса в настоящее время могут сохранять видео значительной длины, например, на компактной карте памяти SD. Для этого достижения важны следующие аспекты:

• Разрешение изображения часто ограничено значением, значительно меньшим, чем используемое в фотографии. Например, для онлайн-видео часто требуется менее одного мегапикселя, в то время как для фотографии в основном используется по крайней мере несколько мегапикселей. Даже для больших мультимедийных дисплеев разрешение предварительно менее критично, чем для фотографий из-за движения.
• Передовые электронные чипы и алгоритмы сжатия позволяют применять эффективное сжатие изображения даже в компактных и дешевых камерах. Помимо сжатия отдельных кадров, можно использовать тот факт, что изображения часто значительно изменяются только в ограниченных областях. Сжатие обычно приводит к некоторой потере качества изображения, что часто можно легко допустить в качестве цены за существенное сокращение объема данных.
• Емкость компактных и дешевых электронных устройств, обычно основанных на флэш-памяти, значительно увеличилась.

Видеокамеры - это легкие портативные камеры, которые получили широкое распространение и предлагают расширенные функции даже при довольно умеренных ценах. В настоящее время обычные смартфоны позволяют записывать видео, которое обеспечивает значительно более высокое качество изображения.

Для наблюдения видеокамеры часто обеспечивают непрерывный поток мультимедийных данных в компьютерную сеть. Можно использовать непрерывную запись, но всегда стирая или сильно уменьшая данные через ограниченное время. Если обнаружен какой-либо критический инцидент, данные изображения могут быть сохранены, чтобы оставаться доступными для более тщательного изучения. 

Продвинутые компьютерные алгоритмы с распознаванием изображений могут автоматически выдавать предупреждения при обнаружении определенных ситуаций. Кроме того, возможно сильное сжатие изображения, если наблюдаемая сцена демонстрирует незначительные изменения.

Очень компактные видеокамеры с относительно простой конструкцией используются, например, в ноутбуках или в качестве отдельных веб-камер USB. Обычно они имеют довольно небольшое фокусное расстояние, отсутствие оптического увеличения и умеренное разрешение изображения. Из-за малого фокусного расстояния они демонстрируют большую глубину резкости, а также перспективу обзора, которая не особенно привлекательна. Вряд ли можно использовать такую камеру для создания портретной фотографии, но для таких приложений, как видеочаты, их обычно считается достаточно.

Камеры микроскопа

Некоторые оптические микроскопы оснащены камерой для записи микроскопических изображений. Это может быть пленочная камера или основанная на каком-либо цифровом электронном датчике изображения, обеспечивающая видеопоток.

Цифровые камеры обычно подключаются к компьютеру с помощью USB-кабеля. Затем можно не только использовать компьютер для хранения большого количества изображений, но и использовать большой экран компьютера для удобного просмотра.

Оптическая когерентная томография (ОКТ)

Это широко используемый метод оптической визуализации с высоким разрешением. Обычно применяется к прозрачным или полупрозрачным объектам ограниченной глубины - в частности, к биологическим тканям. Она подходит для различных применений в медицинской визуализации, таких как:

• офтальмология (например, визуализация сетчатки для диагностики таких состояний, как глаукома или дегенерация желтого пятна),
• дерматология;
• онкология (выявление рака) и кардиология. возможность получения изображений в реальном времени с высоким разрешением (возможно, субмикрометром) делает ОКТ ценным инструментомдля диагностики многих различных заболеваний;
• а также для медицинских исследований.

Принципы работы ОКТ

Оптическая когерентная томография имеет некоторое сходство с лазерной микроскопией, хотя во многих случаях лазерный источник не используется. В двух поперечных измерениях разрешение изображения получается путем сканирования плотно сфокусированного светового луча над образцом и выполнения измерений на обратно рассеянном свете. 

В третьем (продольном) измерении используется принцип низкокогерентной интерферометрии. Трехмерный характер полученных изображений является существенным преимуществом. В то же время пространственное разрешение может быть намного выше, чем при использовании методов ультразвуковой визуализации.

Применение ОКТ

Медицинская визуализация является особенно важной областью применения ОКТ. Наиболее важным применением в медицинской диагностике является визуализация сетчатки с высоким разрешением. Это может быть очень полезно для оценки таких состояний, как дегенерация желтого пятна, повреждение вследствие диабета, рассеянный склероз, дефект фоторецепторов, глаукома и другие. Разрешение по глубине является интересным преимуществом по сравнению с обычными методами фотографирования сетчатки.

Другой важной областью является дерматология, где есть прямой доступ к коже и можно получить изображение ее верхних слоев. Для выявления рака кожи (меланомы) требуются методы с особенно высоким разрешением.

В сочетании с эндоскопом можно также исследовать структуры внутри тела. Например, можно исследовать коронарные артерии с помощью ангиографии высокого разрешения, чтобы оценить сердечные риски. Эндоскопическая ОКТ также может иногда применяться для диагностики рака.

ОКТ также полезна для фундаментальных биологических и медицинских исследований. Например, он используется для визуализации мозга мышей через прозрачное оптическое окно, которое имплантируется в череп.

Существуют также немедицинские применения ОКТ, такие как криминалистика, анализ произведений искусства и композитных искусственных материалов. Наконец, можно использовать для проверки промышленных продуктов. Например, при изготовлении микротехнологий и полупроводниковой электроники, детали, состоящие из керамики или полимеров, а также различные типы покрытий, могут быть исследованы с помощью ОКТ. Часто с использованием света с относительно длинными длинами волн, чтобы избежать проблем с рассеянием.

Инфракрасные камеры

Инфракрасные камеры со значительно более длинными длинами волн могут обеспечивать ночное видение без активного освещения, используя только тепловое излучение объектов. Однако для комнатной температуры тепловизионная съемка требует значительной чувствительности для относительно длинных волн в несколько микрометров. Это возможно только со специальными инфракрасными датчиками изображения. 

Они сравнительно дороги и демонстрируют показатели производительности, которые явно уступают показателям устройств с более короткими длинами волн. Кроме того, такие камеры требуют специальных инфракрасная оптика, которая является относительно дорогой и частично также менее надежной. Высокопроизводительные длинноволновые инфракрасные камеры содержат полупроводниковые датчики, которые необходимо охлаждать.

Штрих-код камеры

Камеры являются исключением в том смысле, что они не являются устройствами визуализации. Вместо этого они используются как сверхбыстрые осциллографы для изучения очень быстрых сигналов, зависящих от времени.

"Штриховые камеры" - это устройства для измерения временной эволюции оптической мощности или интенсивности оптических импульсов. В отличие от других типов камер, штриховые камеры не являются устойствами формирования изображения.

Основной принцип работы заключается в том, что падающий свет генерирует пятно, которое быстро отклоняется в течение некоторого короткого промежутка времени. Пространственное распределение, возникающее в результате движущегося пятна (называемое штриховым изображением), затем отражает временную эволюцию оптической мощности, поскольку каждая временная позиция сопоставляется с пространственной позицией. 

Изображение с полосами (штрих-код) представляет собой линейную структуру с различной интенсивностью света, в отличие от изображения осциллографа, которое является двумерным. Он часто используется для измерения длительности импульса и / или пиковой мощности.

Простейший вид штрих-код камеры основан на некоторых средствах отклонения падающего светового луча – например, вращающемся зеркале. Такие устройства довольно ограничены с точки зрения временного разрешения, поскольку скорость движущихся частей ограничена.

Наиболее распространенным типом таких камер является оптоэлектронное устройство, в котором падающий свет попадает на фотокатод в вакуумной трубке. Электроны, испускаемые этим катодом, ускоряются высоким напряжением, образуя импульсный электронный пучок, где интенсивность пучка примерно линейно зависит от оптической интенсивности. Этот электронный луч отклоняется дополнительной парой электродов, на которые подается быстро меняющееся электрическое напряжение. Он может попасть на люминофорный экран для создания видимого штрихового изображения. 

Альтернативно, луч может попадать на устройство с зарядовой связью для получения электронного сигнала, который может обрабатываться компьютером, как в цифровом осциллографе; такое устройство может отображать кривую на экране компьютера так же, как это делает цифровой осциллограф. 

Самые быстрые оптоэлектронные камеры достигают временного разрешения порядка 100 фемтосекунд – однако только для довольно слабых входных сигналов. Для более сильных сигналов, необходимых для более высокого отношения сигнал / шум, временное разрешение уменьшается из-за взаимного отталкивания электронов.

Как и в осциллографе, механизм отклонения в камере должен быть точно запущен в подходящее время, например, непосредственно перед тем, как короткий оптический импульс попадет на фотокатод. Могут быть реализованы как однократные, так и повторяющиеся операции; последнее часто желательно для использования, например, с лазером с блокировкой режима.

Для импульсов с более короткими длительностями для характеристики импульса используются другие устройства – например, автокорреляторы и установки для оптического стробирования с частотным разрешением или спектральной фазовой интерферометрии. Даже для более длинных оптических импульсов такие методы стали более распространенными, поскольку их проще изготовить и частично позволяют получить полную характеристику импульса, включая спектральную фазу.

Однако такие камеры имеют то преимущество, что их фотокатоды могут работать в очень широком диапазоне оптических длин волн; некоторые штриховые камеры даже используются для ультрафиолетового излучения или для импульсов рентгеновского излучения.