Nowe pomysły w dziedzinie wykorzystania systemów mechanicznych, elektroniki, układów sterowania i oprogramowania w projektach
Mamo, nie zabieraj mi mojego Kodachroma!
Dr Kevin C. Craig, przewodniczący Engineering Design, College of Engineering, Marquette University. Więcej wiadomości z dziedziny mechatroniki można znaleźć na stronie www.mechatronicszone.com
Fotografie naprawdę dobrze oddają ciepłe kolory i zieleń lata oraz sprawiają wrażenie, że słońce świeci na całym świecie. Ale nie potrzebujemy już filmu Kodachrome, bo cyfrowy czujnik obrazu (rysunek poniżej) – serce wszystkich aparatów cyfrowych – zajął miejsce filmu. Jest to podzespół, który przetwarza światło pochodzące od fotografowanego obiektu na sygnał elektroniczny.
Technika przekształciła magię rejestrowania pięknych chwil i aparaty cyfrowe naprawdę stają się częścią codziennego życia. Połączenie czujników, serwomotorów, elektroniki, materiałów, mikroprocesorów i układów sterowania z soczewkami, aperturą i migawką aparatu – czyli mechatronika – sprawiła, że tak się stało.
Aby dowiedzieć się czegoś więcej o aparatach cyfrowych, zwróciłem się do dwóch źródeł. Mark Nagurka, znajomy profesor mechatroniki na Marquette University, jest fotografem i zapewnił mi pomoc, a także udzielił mi wyjaśnień, podczas gdy książka Rona White’a „Jak działa fotografia cyfrowa” („How Digital Photography Works”) dostarczyła mi kilku najlepszych ilustracji i opisów, jakie w życiu widziałem.
W jaki sposób mechatronika umożliwiła skonstruowanie kamery cyfrowej? Autofokus niemal całkowicie wyeliminował nieostre zdjęcia. Powszechnie występujące, aktywne systemy nastawiania ostrości posiadają nadajnik i detektor, i działają na zasadzie wysyłania sygnału i odbioru echa, czyli technologii wykorzystywanej w radarach i sonarach lub na zasadzie triangulacji używanej w dalmierzach. Pasywny autofokus wykorzystuje światło pochodzące z obrazu do ustawienia ostrości. Każdy aparat wyposażony w funkcję automatycznego nastawiania ostrości musi posiadać silnik, poruszający elementy soczewek, by można było wyostrzyć obraz obiektu. Konieczna jest prędkość, dokładność i precyzja, a miejsca jest tak mało. Jednak silnik ultradźwiękowy spełnia te wymagania. Wykorzystuje on zjawisko zwane efektem piezoelektrycznym. Gdy do paska piezoelektrycznego materiału, np. PZT (cyrkonian-tytanian ołowiu), przyłoży się napięcie, materiał ten rozszerza się z jednej strony, a z drugiej kurczy. Jeśli odwróci się przyłożone napięcie, zmieni się kierunek odkształcenia mechanicznego. PZT przyklejony jest z obu stron, na przemian u góry i na dole, do elastycznego elementu, któremu następnie nadaje się kształt okręgu. Elastyczny materiał, w którym umieszczono także elastyczne wypukłości, zostaje przyklejony do obrzeża okręgu, dzięki czemu powstaje stojan (nieruchoma część silnika), poruszający wirnik silnika, w tym przypadku – soczewkę. Po dostarczeniu prądu przemiennego, zmieniającego biegunowość, do naprzemiennie ułożonych odcinków obrzeża okręgu, wygląda ono, jakby falowało. Sąsiadujące ze sobą odcinki zginają się najpierw w jedną, a potem w drugą stronę, przypominając fale, które poruszają się w górę i w dół, ale nie w poprzek. Podczas gdy pasek materiału piezoelektrycznego powoduje powstawanie fal, stopka naciska na wirnik, powodując obrót elementów soczewki (na dole kolumny).
Nieuchwytnym celem fotografa jest wykonanie ostrego zdjęcia, ale nawet, jeśli ognisko i głębia ostrości zostały ustawione prawidłowo, ręce fotografa nadal lekko drżą. Jeśli aparat został ustawiony na statywie, powiew wiatru lub przejeżdżająca w pobliżu ciężarówka mogą sprawić, że zdjęcie będzie rozmazane. Układ redukcji drgań musi przeciwdziałać wibracji pionowej i odchyleniu w poziomie, a także wszystkim drganiom w kierunkach pośrednich, zaś korekty trzeba wprowadzać w ciągu kilku milisekund. Każdy system, którego przeznaczeniem jest redukcja rozmycia spowodowanego ruchem aparatu, musi sprawić, by wiązki promieni świetlnych, zanim dotrą do czujnika obrazu, znalazły się z powrotem na właściwej ścieżce. W jaki sposób aparat wykrywa ruch i w jaki sposób koryguje drogę promieni świetlnych? Gdy system jest aktywny i coś potrąci aparat, ruch ten wykrywają dwa czujniki żyroskopowe: jeden rejestruje odchylenie boczne, a drugi, odchylony o 90 stopni od pierwszego, odchylenie w pionie. Mikroprocesor oblicza dystans i kierunek, w którym przesunęła się soczewka. Istnieją dwie metody, odpowiadające mniej więcej odchylaniu toru lotu strzały w drodze do celu – korekta orientacji soczewki lub przesunięcie tarczy w miejsce, w które zmierza strzała – korekta położenia czujnika obrazu. Oczywiście, zawsze istnieje opcja korekty rozmycia, za pomocą oprogramowania, już po wykonaniu zdjęcia, ale w ten sposób nie zawsze uzyska się zdjęcie dobrej jakości.
dn
