На рубеже 50 - 60-х гг. с целью миниатюризации устройств стали развиваться гибридная и полупроводниковая технологии изготовления элементов и схем. монолитных полупроводниковых интегральных микросхем (ИС), гибридных схем на тонких и толстых пленках. Монолитная ИС формируется на одном монокристалле полупроводника (обычно кремния) и после присоединения к ней выводов и корпусирования представляет собой законченное функциональное устройство. Основной функцией, выполняемой ИС является обработка (преобразование) информации, заданной в виде электрического сигнала (напряжения или тока). Применение ИС в фотоаппаратуре позволило уйти от электромеханических вычислительных устройств, в которых экспозиция, управление диафрагмой и затвором в основном контролировались механически, что не обеспечивало желаемой точности параметров, а также решения проблем «памяти» фотоаппарата. Вместо системы рычагов в фотоаппарате появились миниатюрные электромагниты, а пружины остались практически только в механизме зеркала.
Использование тонко- и толстопленочной технологии, обеспечивающей пассивную часть ИС (конденсаторы, резисторы, контактные площадки, межсоединения); применение гибких плат, служащих коммутационными элементами электрической схемы, конструктивной основой крепления электроэлементов; развитие полупроводниковых элементов; приборов с зарядовой связью (ПЗС), представляющих вид полупроводникового прибора, в котором возможно пространственное накопление и сохранение зарядов при их перемещении в определенном направлении (используются в запоминающих устройствах, а также для фотоэлектрического преобразования сигналов изображения и в системах отработки сигналов) дали возможность реализации новых и улучшенных принципов действия, которые повысили надежность, экономичность, оперативность и удобство обслуживания.
Успехи физики, технологии и схемотехники позволили повысить степень интеграции ИС, создать на одном кристалле полупроводника цифровые устройства (БИС и СБИС - сверхбольшие ИС), которые превосходят по сложности и функциональным возможностям ЭВМ на дискретных компонентах. Повысилась надежность фотоаппарата, так как уменьшилось количество элементов и их соединений.
Полупроводниковые элементы нашли широкое применение в качестве светоприемных элементов для излучений в видимой части спектра, инфракрасного излучения, приемников ультразвуковых сигналов в системах автофокуса; для реализации функциональных задач в устройствах управления экспонированием, моторном приводе, импульсном фотоосветителе, в индикаторных устройствах (светодиоды).
Электронные устройства на базе микропроцессорных БИС резко расширили функциональные возможности фотоаппарата, позволили автоматизировать операции выбора экспозиции, замены и хранения в «памяти» фотоаппарата условий экспонирования, фокусирования объектива, индикации условий экспонирования, режима автоспуска и др.
Применяемые в фотоаппарате аналоговые устройства имели ряд недостатков. В частности, они плохо сочетались с БИС, что затрудняло выполнение сложных операций по управлению фотоаппаратом, не позволяли реализовать разные программы без соответствующих физических изменений в цепи, т. е. ограничивали количество автоматизированных функций, отличались меньшей надежностью (например, переменный резистор менее надежен, чем выключатель цифровой системы), большими габаритными размерами (например, конденсатор, накапливающий критическое значение напряжения, которое определяется резистором, значительно больше полупроводниковых устройств, используемых в цифровых системах).
Подлинный переворот в фотоаппаратостроении произвел фотоаппарат «Канон А-1» (1976), в котором была реализована цифровая компьютерная система (рис. 29), построенная на одной ИС и четырех БИС.
Электрическая схема фотоаппарата состояла из следующих частей: основная часть; устройство для преобразования вида представления экспозиционных параметров (выдержка, диафрагма); устройство для преобразования вида представления светочувствительности фотоматериала и поправки экспозиции; цепь цифровой индикации.
Основная цепь включала аналогово-цифровой преобразователь, процессорное устройство, контроллер, который регулировал временную последовательность всех операций механического контроля, светоприемник и преобразователь его сигнала.
Цепь индикации содержала цифровые семисегментные индикаторы на светодиодах, сигналы к которым подавались с помощью мультиплексора, обеспечивающего одновременную независимую работу по нескольким каналам.
Как известно, цифровая система состоит из устройства ввода - вывода, операционного, запоминающего и управляющего устройств. Поступившая в систему информация преобразуется в требуемый вид представления с помощью кодирующего устройства. Как правило, для этого используется двоичный код, который имеет в каждой своей позиции значение «0» или «1», что делает удобным его применение в вычислительной технике. Для сжатия информации с целью передачи ее по меньшему числу линий связи используется шифратор. Обратное преобразование выполняется дешифратором. Для преобразования кодированной информации в позиционное представление применяется устройство, называемое декодером. Количество информации измеряется в двоичных единицах - битах, которые представляют собой количество информации, содержащееся в одном из двоичных разрядов кода.
Во многих фотоаппаратах зеркало в верхнем положении перекрывает световой поток, направленный к светоприемнику, который расположен в видоискателе, и тем самым прерывает сигнал в момент экспозиции. Кроме того, при съемке в необычных световых условиях, например съемке против света, съемке ярких (темных) предметов на темном (ярком) фоне, затруднено определение экспозиции сюжетно важной детали. Применение цифровых систем, имеющих запоминающее устройство, предназначенное для записи, хранения и выборки данных, позволило решить указанные задачи.
Запоминающее устройство состоит из физических ячеек памяти, которые обеспечивают хранение элемента данных (бит, байт, слово). В качестве статических элементов памяти используются бистабильные ячейки, которые представляют собой два инвертирующих логических элемента, соединенных перекрестно. Динамические элементы памяти состоят из устройства, которое накапливает заряд (конденсатор, транзистор и др.), и транзисторных ключей (логических элементов), управляющих процессом зарядки и разрядки. На основе указанных элементов памяти строятся триггеры - электронные схемы, сохраняющие в течение заданного времени сигналы. Создание электронных устройств запоминания яркости объекта позволило приступить к выпуску автоматизированных зеркальных фотоаппаратов со шторным затвором с электромеханическим управлением.
В набор операций, выполняемых цифровой системой, входят арифметические и логические операции: ввод и вывод информации, передача информации между элементами системы, операции для автоматического управления программой и др. Программа представляет собой формализованное описание, реализуемое в системе алгоритма обработки информации, приведенное в виде последовательных команд, которые управляют процессом обработки. Команда представляет собой двоичный код, задающий действие системы по выполнению какой-либо одной операции. Последовательность операций задается алгоритмом, который представляет собой набор предписаний, однозначно определяющих содержание и последовательность выполнения операций для решения определенной задачи.
Основная обрабатывающая часть цифровой системы, состоящая из управляющего и операционного устройств, называется процессором. Микропроцессор (МП) реализуется в виде одной или нескольких БИС. Отличительной особенностью МП является возможность функциональной перестройки его посредством изменения внешней программы.
В фотоаппарате с цифровой системой МП представляет собой как бы мозг камеры, собирающий сигналы информации об измерении света, вычислении экспозиции, введении параметров в память фотоаппарата, предупреждающие и блокирующие сигналы. После их обработки МП выдает команды по оптимальному управлению фотоаппаратом в любых условиях съемки. Введение МП в фотоаппарат позволило контролировать практически все функциональные характеристики (экспозиционные параметры, транспортирование фотопленки, работу ЭЛВ, контроль питания и др.).
И, наконец, подлинной революцией стало применение в фотоаппарате мини-ЭВМ - ЭВМ, в которой в качестве процессора применен МП. Мини-ЭВМ располагается на одной-двух печатных платах (одноплатные) или на одном кристалле полупроводника (однокристальная). Примером фотоаппарата со встроенной мини-ЭВМ может служить «Контакс 139».
В последние годы появились фотоаппараты, представляющие собой гибрид аналоговой и цифровой систем. Например, схема фотоаппарата «Практика Б-2» состоит из трех схем. Две - аналоговые (для расчета данных экспонирования), третья - цифровая (для регулировки времени экспонирования). Схема обрабатывает результаты„ полученные на выходе аналоговой схемы.
В фотоаппарате «Канон АЕ програм» фотометрические функции представлены аналоговой цепью, математические вычисления, сохранение памяти и контроль операций - цифровой.
При схемотехническом проектировании ИС выбор элементной базы производится из числа разработанных вариантов схем логических элементов или аналоговых каскадов. Они включают: диодные матрицы, переключатели ввода светочувствительности фотоматериала, устройства задания режимов экспонирования, переключатели ввода t и n, микропрограммное устройство управления семисегментным индикатором, семисегментный индикатор, микропроцессор, восьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь, светоприемное устройство и др.
Принципиальные схемы устройств автоматической установки экспозиции в процессе их развития показаны на рис. 30 - 33.
Рис. 30. Структурные схемы фотоаппаратов с электронным управлением экспозицией
Рис. 31. Фотоаппарат «Канон АЕ-1»: 1 - шкала выдержек, 2 - шкала светочувствительности фотоматериала, 3 - спусковая кнопка, 4 - интегральная схема, 5 - микропроцессор, 6 - светоприемник с усилителем, 7 - устройство сохранения энергии в батарее, 8 - электромагниты, 9 - рычаг диафрагмы, 10 - коммутатор, 11 - батарея
Рис. 32. Схема фотоаппарата с электронным затвором: 1 - шкала выдержек, 2 - печатная плата, 3 - светоприемник, 4 - экспонометрическое устройство, 5 - шкала светочувствительности фотоматериала, 6 - соединитель, 7 - базовая плата, 8 - электромагнит первой шторки, 9 - электромагнит второй шторки, 10 - источник питания
Рис. 33. Структурная схема управления экспозицией и электронной фокусировкой («Канон АЛ-1»)
Ввод параметров. В фотоаппарате ввод экспозиционных параметров (светочувствительность фотоматериала, выдержка, диафрагма, в том числе начальное значение ее) производится либо вручную, либо автоматически. При этом используют следующие способы технической реализации: механический, электрический, оптический.
Наиболее точным является оптический ввод параметров, при котором изменение светового потока, приходящегося на светоприемник, осуществляется либо с помощью светофильтра, либо посредством оптического клина. Это обеспечивает работу светоприемника в постоянном диапазоне освещенности.
При механическом способе ввод светочувствительности фотоматериала в фотоэлектрический узел выполняется посредством поворота корпуса гальванометра, изменением передаточных отношений в механизме кинематической связи между фотоэлектрическим узлом и органом установки значений выдержки и диафрагмы; ввод начального значения диафрагмы (светосилы) объектива - за счет разной длины установочного штока, размещенного на заднем опорном торце объектива.
При электрическом способе ввод светочувствительности производится с помощью переменного резистора (в компенсационной схеме). Известны устройства, в которых информация о светочувствительности фотоматериала вводится с помощью контактов, расположенных на корпусе кассеты.
Электрический ввод начальной диафрагмы осуществляется путем использования сопротивления сравнения. В этом случае поводок кольца диафрагмы подводится под кольцо ввода диафрагмы на фотоаппарате.
В качестве элементов для электрического ввода параметров применяют логарифмические линейные потенциометры. Так, например, в фотоаппарате «Практика Б-200» диафрагма и светочувствительность вводятся линейным делителем напряжения.
Наиболее сложным является ввод начальной диафрагмы в фотоаппаратах с резьбовым креплением объектива (М42 х 1), так как затруднена точная установка объектива относительно корпуса фотоаппарата. В этом случае значение погрешности установки объектива учитывается равновеликим поворотом корпуса потенциометра и его движка. Сопротивление, вводимое в ЭУ, при этом остается неизменным.
