Skip to main content
Global

2.7: الكاميرا

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196771

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

    • وصف بصريات الكاميرا
    • قم بتمييز الصورة التي تم إنشاؤها بواسطة الكاميرا

    الكاميرات شائعة جدًا في حياتنا اليومية. بين عامي 1825 و 1827، نجح المخترع الفرنسي Nicéphore Niépce في تصوير صورة تم إنشاؤها بواسطة كاميرا بدائية. منذ ذلك الحين، تم إحراز تقدم هائل في تصميم الكاميرات وأجهزة الكشف القائمة على الكاميرا.

    في البداية، تم تسجيل الصور باستخدام التفاعل الحساس للضوء للمركبات القائمة على الفضة مثل كلوريد الفضة أو بروميد الفضة. كان ورق التصوير الفوتوغرافي المستند إلى الفضة شائعًا حتى ظهور التصوير الرقمي في الثمانينيات، والذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بأجهزة الكشف عن الأجهزة المقترنة بالشحن (CCD). باختصار، CCD هي شريحة أشباه الموصلات التي تسجل الصور كمصفوفة من وحدات البكسل الصغيرة، كل بكسل موجود في «حاوية» في السطح. كل بكسل قادر على اكتشاف شدة الضوء الذي يؤثر عليه. يتم تشغيل اللون عن طريق وضع فلاتر باللون الأحمر والأزرق والأخضر فوق وحدات البكسل، مما ينتج عنه صور رقمية ملونة (الشكل\(\PageIndex{1}\)). في أفضل دقة، يتوافق بكسل CCD واحد مع بكسل واحد من الصورة. لتقليل الدقة وتقليل حجم الملف، يمكننا «دمج» عدة وحدات بكسل CCD في واحدة، مما يؤدي إلى صورة أصغر ولكن «منقطة».

    يتم عرض صورة لجهاز مقترن بالشحن. يتم تكبير جزء صغير من هذا ويعرض عدة وحدات بكسل بمربعات حمراء وزرقاء وخضراء. يُطلق على هذا اسم «مستشعرات الأطوال الموجية للضوء الأحمر أو الأزرق أو الأخضر» و «التحويل إلى الفولتية». تظهر صورة فوتوغرافية للزهور تحمل اسم «إخراج الصورة».
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يقوم الجهاز المقترن بالشحن (CCD) بتحويل إشارات الضوء إلى إشارات إلكترونية، مما يتيح المعالجة الإلكترونية وتخزين الصور المرئية. هذا هو أساس التصوير الإلكتروني في جميع الكاميرات الرقمية، من الهواتف المحمولة إلى كاميرات الأفلام. (اليسار الأيسر: تعديل العمل من قبل بروس تورنر)

    من الواضح أن الإلكترونيات هي جزء كبير من الكاميرا الرقمية؛ ومع ذلك، فإن الفيزياء الأساسية هي البصريات الأساسية. في الواقع، فإن بصريات الكاميرا تشبه إلى حد كبير تلك الموجودة في عدسة واحدة بمسافة جسم أكبر بكثير من المسافة البؤرية للعدسة (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

    يوضح الشكل المنظر الجانبي للكاميرا الرقمية. يوجد في الجزء الأمامي من الكاميرا قرص يحمل علامة الفتحة، تليها عدسة ثنائية المحدبة، وعدسة ثنائية المقعرة، ومرآة مائلة تحمل علامة المرآة القابلة للطي، ومصراع، ومستشعر. يظهر مسار الضوء بحيث يدخل الضوء الكاميرا من خلال الفتحة والعدسات ويضرب المرآة. ينعكس ذلك صعودًا على نظام المشاهدة. هنا ينعكس من مرآتين أخريين قبل المرور عبر عدسة ثنائية المحدبة والخروج من الكاميرا.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): تحتوي الكاميرات الرقمية الحديثة على عدة عدسات لإنتاج صورة واضحة مع الحد الأدنى من الانحراف واستخدام مرشحات حمراء وزرقاء وخضراء لإنتاج صورة ملونة.

    على سبيل المثال، دعونا نفكر في الكاميرا في الهاتف الذكي. تم تجهيز كاميرا الهاتف الذكي المتوسطة بعدسة ثابتة ذات زاوية عريضة بطول بؤري يبلغ حوالي 4-5 مم. (هذا البعد البؤري يساوي تقريبًا سمك الهاتف.) تركز الصورة التي تم إنشاؤها بواسطة العدسة على كاشف CCD المثبت على الجانب الآخر من الهاتف. في الهاتف الخلوي، لا يمكن للعدسة وجهاز CCD التحرك بالنسبة لبعضهما البعض. إذن كيف نتأكد من التركيز على كل من صور الكائن البعيد والقريب؟

    تذكر أن العين البشرية يمكن أن تستوعب الصور البعيدة والقريبة عن طريق تغيير المسافة البؤرية. لا يمكن لكاميرا الهاتف الخلوي القيام بذلك لأن المسافة من العدسة إلى الكاشف ثابتة. هنا تصبح المسافة البؤرية الصغيرة مهمة. لنفترض أن لدينا كاميرا بمسافة بؤرية 5 مم. ما هي مسافة الصورة لصورة ذاتية؟ تبلغ مسافة الكائن لصورة ذاتية (طول اليد التي تحمل الهاتف) حوالي 50 سم. باستخدام معادلة العدسة الرقيقة، يمكننا الكتابة

    \[\frac{1}{5mm}=\frac{1}{500mm}+\frac{1}{d_i} \nonumber \]

    ثم نحصل على مسافة الصورة:

    \[\frac{1}{d_i}=\frac{1}{5mm}−\frac{1}{500mm} \nonumber \]

    لاحظ أن مسافة الكائن أكبر 100 مرة من المسافة البؤرية. يمكننا أن نرى بوضوح أن مصطلح 1/ (500 مم) أصغر بكثير من 1/ (5 مم)، مما يعني أن مسافة الصورة تساوي إلى حد كبير البعد البؤري للعدسة. يمنحنا الحساب الفعلي مسافة الصورة d i = 5.05 مم. هذه القيمة قريبة جدًا من المسافة البؤرية للعدسة.

    الآن دعونا ننظر في حالة كائن بعيد. لنفترض أننا نود التقاط صورة لشخص يقف على بعد حوالي 5 أمتار منا. باستخدام معادلة العدسة الرقيقة مرة أخرى، نحصل على مسافة الصورة 5.005 mm. كلما كان الكائن أبعد عن العدسة، كلما كانت مسافة الصورة أقرب إلى المسافة البؤرية. في الحالة المحددة لجسم بعيد للغاية، نحصل على مسافة الصورة التي تساوي تمامًا المسافة البؤرية للعدسة.

    كما ترى، فإن الفرق بين مسافة الصورة لصورة ذاتية ومسافة الصورة لكائن بعيد هو حوالي 0.05 مم أو 50 ميكرون. حتى مسافة الجسم القصيرة مثل طول يدك تكون أكبر بدرجتين من حيث الحجم من البعد البؤري للعدسة، مما يؤدي إلى اختلافات دقيقة في مسافة الصورة. (فرق 50 ميكرون أصغر من سمك ورقة متوسطة.) يمكن استيعاب هذا الاختلاف الصغير بسهولة من خلال نفس الكاشف، الذي يتم وضعه على المسافة البؤرية للعدسة. يمكن أن يساعد برنامج تحليل الصور في تحسين جودة الصورة.

    غالبًا ما تستخدم كاميرات التوجيه والتصوير التقليدية عدسة متحركة لتغيير مسافة العدسة إلى الصورة. تسمح العدسات المعقدة لكاميرات الانعكاس المرآتية الأكثر تكلفة بصور فوتوغرافية عالية الجودة. إن بصريات عدسات الكاميرا هذه خارج نطاق هذا الكتاب المدرسي.