Jak to działa? Część 1. - Lustrzanka
Poznaj budowę lustrzanki
- Tekst:Marcin Górko
- Zdjęcia:Nikon Polska
- Zobacz: Dyskusje o tym temacie
01 Wstęp
Fotografia to dziedzina sztuki (co do tego nikt już chyba nie ma wątpliwości) oraz medium współczesnej komunikacji. Jednak dla wielu osób fotografia, ze swoim dynamicznym rozwojem w ostatnich latach, to także technologia i technika – dla jednych onieśmielająca swoją złożonością, dla innych fascynująca z tego samego powodu. Niniejszy artykuł
rozpoczyna cykl poświęcony zagadnieniom „śrubkologicznym”, czyli temu, co i z czego jest zrobione, do czego służy i jak działa. Mamy nadzieję, że dzięki niemu osoby trzymające się z dala od problemów technicznych posiądą choćby podstawy wiedzy, a fachowcy uporządkują sobie pewne fakty.
Kiedy bierzemy do ręki nowoczesną lustrzankę cyfrową, myślimy od razu: „Fotografować! Fotografować!”. Dopiero z biegiem czasu zdajemy sobie sprawę z ogromnego zaawansowania technologicznego tego typu aparatu. Zapewne tylko nieliczni zadadzą sobie pytania: „Jak to właściwie działa? Jak jest zbudowane?”.
Okaże się wtedy, że lustrzanka cyfrowa to jedno z najbardziej skomplikowanych i zaawansowanych urządzeń powszechnie stosowanych w życiu codziennym. Mimo że w linii prostej wywodzi się od doskonale znanych lustrzanek analogowych, to w ostatnich latach mieliśmy do czynienia z bardzo szybkim rozwojem tego typu aparatów. Jeśli przeanalizujemy, jakie zadania spełniać musi lustrzanka, dość szybko dojdziemy do wniosku, że można je podzielić na mechaniczne i elektroniczne. Skupmy się na mechanice.
Metalowy szkielet zaawansowanej lustrzanki składa się z głównego odlewu, stanowiącego trzon korpusu, oraz zewnętrznych elementów nadających kształt korpusowi.
Tylko dokładne uszczelnienie najważniejszych elementów aparatu pozwala na pełne uodpornienie lustrzanki na niesprzyjające warunki pogodowe i ciężkie warunki pracy.
02 Budowa mechaniczna korpusu
Każdy aparat (cyfrowy, analogowy, małoobrazkowy, średnio- lub wielkoformatowy) jest przede wszystkim idealnie zaciemnionym pudełkiem, które z jednej strony ma obiektyw rzucający obraz. Z drugiej znajduje się materiał światłoczuły, który ten obraz rejestruje: film lub matryca.
W wypadku lustrzanek, przeznaczonych dla różnych użytkowników i stosowanych w różnych warunkach, niezwykle istotna jest mechaniczna wytrzymałość pudełka, zwanego fachowo komorą lustra. Obecnie szkielet lustrzanki wykonuje się jako ciśnieniowy odlew ze stopu zwanego silumin. Jego głównym składnikiem jest lekkie i wytrzymałe aluminium, ale stop ten jest znacznie odporniejszy na utlenianie się niż czyste aluminium, co ma istotne znaczenie dla trwałości aparatu.
Dlaczego odlew? W ten sposób powstaje jednoelementowa struktura przestrzenna, wyróżniająca się ogromną sztywnością. Jest znacznie sztywniejsza niż konstrukcja o podobnym kształcie, ale skręcona śrubkami z pojedynczych płaskich elementów. Wyraźnie więc widać, że struktura lustrzanek w pewnym sensie wzoruje się na budowie karoserii samochodowej, która poprzez odpowiednią sztywność nadwozia gwarantuje bezpieczeństwo pasażerom. W lustrzance takich „pasażerów” jest sporo: matryca światłoczuła (przez niektórych producentów wyposażona w precyzyjny, ale delikatny mechanizm stabilizacji obrazu), mechanizm migawki, dziesiątki płytek z obwodami drukowanymi, monitor LCD, wyświetlacze LCD, gniazdo kart pamięci i wiele innych. To wystarczający powód, by zapewnić lustrzance mechaniczną solidność. Oczywiście wygląd szkieletu aparatu zależy od jego przeznaczenia. W prostych modelach amatorskich, które zwykle nie podlegają silnym obciążeniom i nie są stosowane z ciężkimi obiektywami, szkielet korpusu jest znacznie cieńszy i zredukowany do najpotrzebniejszych tylko elementów. W aparatach zawodowych, które muszą przetrwać wszystko i wszędzie, szkielet jest bardziej masywny. Inne gabaryty wpływają oczywiście zarówno na masę, jak i na cenę lustrzanki, ale „pancerność” korpusu jest zawsze dostosowana do jego przeznaczenia.
Poza szkieletem lustrzanki ważne funkcje spełnia również jej zewnętrzne poszycie. Po pierwsze – zapewnia odpowiednią ergonomię. O ile lustrzanki budowane do lat 80. ubiegłego wieku były po prostu kanciastymi puszkami, to późniejsze konstrukcje powoli zaczęły dopasowywać się do kształtu i rozmiarów ludzkiej dłoni. Odpowiednio wymodelowane powierzchnie, wykończone właściwą fakturą gwarantują, że aparat dobrze leży w ręku, wygodnie trzyma się go przy oku, a wszystkie elementy obsługi zostały odpowiednio rozmieszczone. Dobra ergonomia to także szybki dostęp do komory akumulatora i gniazda kart pamięci.
Kolejną istotną funkcją zewnętrznej obudowy jest ochrona wnętrza aparatu przed szkodliwymi czynnikami zewnętrznymi, szczególnie takimi jak kurz i wilgoć. Na nic bowiem zda się bardzo wytrzymały korpus, jeśli elektronika aparatu zostanie uszkodzona przez zwarcia wywołane wilgocią lub zdjęcia będą rejestrowane przez zabrudzoną kurzem matrycę. O ile w prostych lustrzankach szczelność zapewnia jedynie odpowiednio ciasne spasowanie sąsiadujących ze sobą elementów, o tyle w lustrzankach bardziej zaawansowanych producenci nie szczędzą wysiłków, by każde połączenie, przełącznik, przycisk i pokrętło zostało zabezpieczone odpowiednią uszczelką. Nie możemy oczywiście mówić o wodoszczelności, niemniej każda lustrzanka z wyższej półki bez problemów zniesie sesję fotograficzną w ulewnym deszczu.
03 Bagnet, czyli łączymy korpus
z obiektywem
Newralgicznym miejscem każdej lustrzanki jest mocowanie bagnetowe obiektywów. Nie tylko pozwala przytwierdzić obiektyw do korpusu – przez połączenie bagnetowe przekazywane są liczne polecenia, takie jak ustawienie ostrości, domknięcie przysłony lub zmiana ustawienia palnika lampy błyskowej na skutek zmiany ogniskowej. Część tych funkcji jest realizowana w sposób mechaniczny, np. domykanie przysłony, informowanie światłomierza o przysłonie ustawionej na obiektywie z pierścieniem przysłon, ustawianie ostrości silnikiem wbudowanym w korpus.
Jednak znacznie więcej informacji jest wymienianych na drodze elektronicznej, czyli poprzez kontakty CPU. Skrót ten pochodzi od angielskiego Central Processing Unit, czyli określenia głównego procesora, czuwającego nad działaniem danego urządzenia. Przez wspomniane styki CPU obiektywu „dogaduje się” z CPU aparatu i dzięki temu oba te urządzenia, mimo swojego znacznego skomplikowania, współgrają nienagannie. To dzięki CPU obiektywu korpus dowiaduje się o aktualnie ustawionej odległości i wybranej ogniskowej, a część obiektywów pozwala na zablokowanie ekspozycji przyciskiem AE-L. To również przez CPU korpus steruje pracą silników autofocusu, coraz częściej wbudowanych w obiektywy. Wreszcie praca układów redukcji drgań wbudowanych w obiektyw również jest sterowana przez CPU.
Bagnet
Mocowanie bagnetowe w korpusie ma zazwyczaj postać stalowego pierścienia, przykręconego bezpośrednio do wspomnianej powyżej aluminiowej komory lustra. Tylko w ten sposób można zapewnić odpowiednią sztywność połączenia obiektywu z korpusem, a więc i brak jakichkolwiek luzów, ugięć czy przesunięć. Najprostsze korpusy amatorskie, które i tak będą używane z lekkimi zoomami dołączanymi w zestawach handlowych, mają pierścień bagnetu wykonany z twardego tworzywa sztucznego.
Lustro
Zobacz interaktywną animację
04 Mechanizm lustra, czyli dlaczego
właśnie „lustrzanka”
Kiedy zajrzymy do wnętrza lustrzanki przez bagnet, zobaczymy lustro – niezwykle charakterystyczny element, od którego lustrzanka wzięła swoją nazwę. Mechanizm ruchu lustra, obok mechanizmu migawki, jest najbardziej obciążonym podzespołem lustrzanki i przy jego produkcji, montażu i kalibracji wymagana jest niezwykła precyzja. Tuż przed każdą ekspozycją lustro unosi się ku górze, umożliwiając naświetlenie obrazem matrycy. Natychmiast po ekspozycji lustro opada, pozwalając na kontynuowanie obserwacji obrazu na matówce, pomiar ekspozycji i automatyczne ustawianie ostrości.
Napęd mechanizmu lustra stanowi silniczek elektryczny; w starych lustrzankach stosowany był napęd czysto mechaniczny, którego praca opierała się na odpowiednio napiętej sprężynie. We współczesnych lustrzankach środkowa część lustra jest półprzepuszczalna – ta część lustra oglądana z zewnątrz wydaje się ciemniejsza. Zdecydowana większość światła jest odbijana ku górze, gdzie promienie światła tworzą obraz na matówce. Jednak niewielka część światła przechodzi przez lustro i za nim trafia na kolejne, mniejsze lustro, które kieruje światło na moduł czujników odpowiedzialnych za automatyczne ustawianie ostrości. Im więcej pól ostrości ma aparat, tym większy musi był moduł pól AF. Potrzebne jest też większe lustro pomocnicze i większy półprzepuszczalny obszar na lustrze głównym.
Budowa mechanizmu lustra (a właściwie: mechanizmu luster) to dla konstruktorów twardy orzech do zgryzienia. Ideałem byłby mechanizm podnoszący się jak najszybciej i najciszej, który dodatkowo zatrzymuje się w górnej pozycji, nie powodując wstrząsów. Takie mechanizmy stosowane są jedynie w najdroższych, profesjonalnych modelach, w przypadku których istotną rolę gra szybkość pracy aparatu. Modele amatorskie są wyposażone w nieco prostsze systemy, które doskonale spisują się przy zdjęciach wykonywanych z mniejszą częstotliwością. Warto też zwrócić uwagę, że lustrzanki pełnoklatkowe wymagają znacznie większego lustra głównego niż konstrukcje z matrycami wielkości APS-C.
05 Mechanizm migawki, czyli kontrolujemy czas naświetlania
Za lustrami znajduje się migawka, czyli mechanizm decydujący o czasie naświetlania zdjęcia. Składa się ona z dwóch zestawów niezwykle cienkich i lekkich segmentów (lamelek), których zadaniem jest całkowite zasłonięcie matrycy przed i po ekspozycji. W każdym zestawie lamelki połączone są w sposób umożliwiający im poruszanie się w pionie. Przed otwarciem migawki lamelki jednej grupy pozostają w pozycji rozsuniętej i zasłaniają cały kadr, zaś lamelki drugiej grupy znajdują się w pozycji złożonej, w całości pod kadrem. Po wyzwoleniu migawki lamelki zasłaniające kadr rozpoczynają ruch ku górze, stopniowo od dołu odsłaniając kadr i umożliwiając jego naświetlenie. Po osiągnięciu założonego czasu ekspozycji ruch rozpoczynają lamelki drugiej grupy, zasłaniając kadr od dołu. Dla długich czasów migawki (w zależności od modelu – dłuższe od około 1/250, 1/125 s) dolne lamelki rozpoczynają swój ruch dopiero po całkowitym schowaniu się lamelek pierwszej grupy ponad kadrem, co umożliwia naświetlenie kadru błyskiem flesza. Przy krótszych czasach otwarcia dolne lamelki ruszają ku górze, gdy pierwsza grupa lamelek nie zdąży się jeszcze całkowicie schować ponad kadrem – kadr naświetlany jest przez szczelinę węższą niż wysokość kadru i ekspozycja pojedynczym błyskiem przy takim czasie otwarcia nie jest możliwa.
Migawka
Zobacz interaktywną animację.
Układ celowniczy
Zobacz interaktywną animację.
06 Układ celowniczy, czyli droga swiatła do oka
Ostatnim charakterystycznym składnikiem lustrzanki jest układ celowniczy. Jego najistotniejsze elementy to: matówka, soczewka skupiająca, zwana kondensorem, oraz pryzmat pentagonalny (lub odpowiedni układ luster). Matówkę doskonale widać po zdjęciu obiektywu – czy to jej odbicie w głównym lustrze, czy gdy spojrzymy w stronę górnej części aparatu. Matówka to płaska, lekko zmatowiona płytka szklana, na którą rzucany jest obraz. Jej precyzyjne ustawienie względem lustra jest istotne dlatego, że ostry obraz na matówce musi odpowiadać ostremu obrazowi zarejestrowanemu przez matrycę. Na matówce naniesione jest koło pomiaru centralnie ważonego, mogą być także wyświetlane aktywne pola ostrości, linie kadrowania, ostrzeżenie o rozładowanym akumulatorze lub braku karty pamięci. Tego typu informacje podawane są w technologii LCD bezpośrednio na matówce.
Jeśli dobrze przyjrzeć się powierzchni matówki, można na niej zauważyć koncentryczne okręgi – w rzeczywistości górna powierzchnia matówki posiada nacięty specjalny raster podobny do soczewki Fresnela, który zapewnia równomierną jasność obrazu na całej powierzchni matówki. Bez tego rastra narożniki kadru byłyby zdecydowanie ciemniejsze, szczególnie przy użyciu obiektywów szerokokątnych. Zadaniem kolejnego elementu, czyli kondensora, jest skierowanie całej wiązki światła z matówki w stronę pryzmatu pentagonalnego.
Obraz powstający na matówce jest zamieniony stronami (góra–dół i lewo–prawo). Aby użytkownik widział w wizjerze kadr w sposób poprawny, konieczna jest zamiana obrazu stronami. Odpowiada za to pryzmat pentagonalny. Od precyzji jego wykonania oraz od jakości powłok przeciwodblaskowych na części jego powierzchni zależy jasność i ogólna jakość obrazu w wizjerze. Pryzmat pentagonalny używany jest również do wprowadzenia obrazu do wyświetlacza LCD widocznego pod kadrem (w niektórych modelach również obok).
W tańszych lustrzankach zamiast szklanego pryzmatu stosuje się układ czterech luster ustawionych identycznie jak ściany pryzmatu. Rozwiązanie takie pozwala zaoszczędzić koszty i ograniczyć masę aparatu, ale wizjery tego typu nie dają tak jasnego obrazu jak szklany pryzmat. Amator fotografujący w dobrym oświetleniu nie odczuje tej różnicy, ale fotograf zawodowy, który często fotografuje w słabym oświetleniu, potrzebuje możliwie najjaśniejszego obrazu, dlatego w lustrzankach z wysokiej półki stosuje się tylko to droższe rozwiązanie.
Obserwacja obrazu odbywa się przez okular, który zawsze jest wyposażony w możliwość kompensacji wady wzroku. Ogniskowa okularu wynosi około 70 mm, wskutek czego powiększenie obrazu dla obiektywu 50 mm wynosi zazwyczaj około 0,7× w stosunku do obrazu widzianego nieuzbrojonym okiem. Bardzo istotnym parametrem okularu jest odsunięcie źrenicy wyjściowej (tzw. punkt oczny, z ang. eyepoint), które decyduje, z jakiej odległości możliwe jest objęcie okiem całego kadru i wszystkich wyświetlaczy LCD. Od lat 80. ubiegłego wieku w lustrzankach klasy średniej i wyższej stosuje się wizjery typu „wysoki punkt oczny” (z ang. high eyepoint), które wyróżniają się szczególnie dużym odsunięciem źrenicy oka. Umożliwia to wygodną obserwację całej matówki z dość znacznej odległości, co ma znaczenie np. dla osób stale noszących okulary. Z kolei wizjery o większych powiększeniach wymagają mocniejszego zbliżenia oka do okularu, ale większe powiększenie pozwala na bardziej precyzyjne ręczne ustawienie ostrości (obraz widoczny w wizjerze jest po prostu większy).
07 Podsumowanie
Niniejszy artykuł to zaledwie pobieżny przegląd budowy lustrzanki cyfrowej. Omówiłem podstawowe podzespoły odpowiedzialne za kształt mechaniczny aparatu (odlewany szkielet, poszycie zewnętrzne) oraz najważniejsze podzespoły mechaniczne i optyczne, które znajdują się w bezpośrednim „sąsiedztwie” światła tworzącego obraz. Skoro poznaliśmy mechanikę urządzenia rejestrującego obraz, w następnym artykule spróbujemy przyjrzeć się bliżej urządzeniom tworzącym go, a więc obiektywom. Dwa kolejne odcinki poświęcimy na zgłębienie tajników budowy obiektywów. Jak się wkrótce okaże, rzecz będzie nie tylko o optyce.
Na kolejny artykuł z tego cyklu
zapraszamy 22 stycznia 2010.
Natomiast już 22 grudnia 2009 pierwszy artykuł z cyklu
