Задумывались ли вы когда-нибудь, что такое фотоаппарат и как он работает, когда вы делаете фотографию? Вы не одиноки. За последние полтора столетия фотоаппараты претерпели значительные изменения. Фотография радикально изменилась. Сегодняшние современные камеры - это результат бесчисленных лет развития, но основные принципы остаются неизменными.

Так как же работает фотоаппарат? Вот наш путеводитель.

Какова роль света?

Если мы хотим понять, как работает фотоаппарат, необходимо знать, как работает свет. Фотография не могла бы существовать без нашего понимания света.

Не погружаясь дальше в дикие просторы физики, давайте проясним основы.

Свет движется по прямой траектории. Он не делает изгибов (по крайней мере, практически для нас, фотографов). Он отражается и поглощается.

Для наших глаз и камер свет - это волна. Он обладает теми же свойствами, что и звук - меняется по длине волны, частоте и амплитуде. Он различается по уровню энергии.

Задача фотографа - собрать и запечатлеть свет на свой вкус и в своей форме.

Основная концепция фотоаппаратов

За исключением самых первых камер-обскур (в которых не было стекла), две основные части фотоаппаратов - это объектив и детектор света.

Объектив камеры собирает свет и проецирует его на поверхность детектора света - пленку или цифровой сенсор.

Затем, с помощью различных способов обработки, получается конечное изображение, сформированное по вашему вкусу.

Фотография - это все, что происходит между этими этапами - и даже до них.

И вы, фотограф, контролируете это.

Объектив

Объектив - это первая встреча света с камерой.

Свет проходит через объектив. С помощью различных оптических преобразований он изменяет способ проецирования изображения. Это один из самых мощных инструментов самовыражения, поэтому очень важно понимать, как он работает.

Оптическая структура

Объектив камеры на самом деле не является одной линзой. Он состоит из множества отдельных линз и групп линз.

Эта структура является результатом тщательного проектирования и тестирования. Существуют некоторые стандартные формулы, например, 50 мм f/1,8 или f/1,4. Они очень похожи у разных производителей и были разработаны давно.

Некоторые передовые и экстремальные объективы для камер имеют формулы, которые стали возможны лишь недавно.

Оптическая формула объектива определяет изображение, которое он может проецировать на матрицу.

Фокусное расстояние

Проще говоря, фокусное расстояние определяет величину зума. Меньшее фокусное расстояние дает более широкий угол обзора. Более высокое – «длинное» - фокусное расстояние дает более узкий угол обзора.

В техническом смысле фокусное расстояние - это расстояние между точкой схождения объектива и матрицей или пленкой.

Практически невозможно сконструировать объектив так, чтобы точка схождения находилась перед передним элементом, но она может находиться за ним. Это означает, что телеобъективы на самом деле должны быть длиннее (за исключением зеркальных объективов). Тем не менее, широкоугольные объективы могут быть удивительно длинными.

Зум-объективы меняют свою точку туда-сюда. У прайм-объективов она фиксирована, и элементы перемещаются только для фокусировки.

Диафрагма

Диаметр объектива определяет максимальное количество света, которое может пройти.

В большинстве объективов есть диафрагма. Она используется для сужения диаметра и работает подобно зрачку глаза: чем он уже, тем меньше света он пропускает.

Кроме того, более узкая диафрагма обеспечивает большую глубину резкости и меньшее размытие фона.

Значение диафрагмы указывается в виде F-стопов. F-стоп - это коэффициент. Можно рассчитать его, разделив фокусное расстояние на диаметр объектива (по диафрагме).

Например, F-стоп 50-мм объектива с диаметром диафрагмы 25 мм равен f/2.

Конечно, при зумировании фокусное расстояние меняется. В объективах с постоянным минимальным значением диафрагмы - например, 24-70 мм f/2.8 - диафрагма постепенно открывается по мере увеличения. Таким образом, соотношение остается неизменным на протяжении всего времени.

Фокусировка

Как и глаз, объектив камеры видит мир в фокальных плоскостях. Эти плоскости параллельны переднему элементу объектива камеры и (в большинстве случаев) матрице. Исключение составляют тилт-шифт и сверхширокоугольные объективы.

Чтобы получить определенную плоскость в фокусе, элемент объектива должен перемещаться внутри него. Этим элементом можно управлять с помощью автофокуса или вручную, поворачивая кольцо фокусировки.

Существует диапазон фокусировки, на который способен каждый объектив. Чем ближе фокусировочный элемент к матрице, тем дальше он фокусируется.

Большинство из них фокусируется до бесконечности, за исключением объективов, предназначенных только для макросъемки. Бесконечность - это плоскость, за которой практически все находится в идеальном фокусе. Физически можно пойти дальше - но это не имеет смысла, поскольку после этого изображение снова становится размытым.

При съемке крупным планом фокусировочный элемент удаляется от матрицы. Поэтому можно сделать любой не макрообъектив способным к макросъемке, добавив удлинительные трубки между корпусом и объективом.

Обычно кольцо фокусировки физически связано с механизмом фокусировки внутри объектива. В этом случае ручная фокусировка дает вам прямой контроль. В некоторых объективах есть только электронное управление.

Это имеет место быть в тяжелых объективах (например, Canon 85mm f/1.2 II). В крошечных конструкциях, где обычное кольцо фокусировки все равно было бы непрактичным (например, объектив Canon 40mm f/2.8 pancake), оно также часто используется.

Стабилизация

В некоторых современных объективах можно найти элемент, который активно стабилизирует движение камеры. Обычно этот элемент представляет собой конструктивно обособленный блок на задней части с одной линзой.

С помощью гироскопа он измеряет и противодействует вашему воздействию рук и другим движениям.

Названия систем стабилизации различаются в зависимости от бренда. Canon называет свою систему IS (Image Stabilizer), Nikon - VR (Vibration Reduction), Sony - OSS (Optical SteadyShot) и так далее. В основном все они делают одно и то же.

Вес и эргономика

Размер и вес объективов зависят от множества факторов.

Как правило, большая диафрагма означает большие объективы. Широкий диапазон зума также приводит к тому, что при увеличении объективы становятся длиннее, но они часто бывают выдвижными.

Кроме того, чем больше размер предполагаемой матрицы, тем более громоздким должен быть объектив.

Стабилизация также сопровождается большим весом.

Чаще всего производители проектируют свои объективы так, чтобы они обеспечивали отличный баланс с камерами. Но в некоторых случаях это невозможно. Быстрые телеобъективы и супертелеобъективы (например, Canon 200mm f/2) и быстрые сверхширокоугольные объективы (например, Sigma 14mm f/1.8) должны иметь огромные передние элементы, поэтому они могут казаться несбалансированными.

Соединение с корпусом камеры

В этом смысле существует два типа объективов для фотокамер: сменные и фиксированные на корпусе.

Фиксированные в основном встречаются на компактных камерах потребительского уровня. Некоторые бренды, например, Leica, выпускают камеры высшего уровня с фиксированными объективами.

С фиксированными объективами не так много вариантов - вы получаете то, что получаете.

Однако в цифровых однообъективных зеркальных камерах (DSLR) и беззеркальных камерах со сменными объективами (MILC) можно менять оптику независимо от корпуса камеры.

Для присоединения объективов к корпусу каждый производитель (или альянс) камер имеет стандартные крепления для объективов.

Помимо надежной и устойчивой фиксации объективов, каждое крепление имеет электронный протокол. Это необходимо для обеспечения питания автофокуса и стабилизации. По каналам передачи данных также передается информация о диафрагме, фокусном расстоянии, зуме и общая информация об объективе.

Наиболее известные типы креплений для фотокамер включают Canon EF/EF-S (DSLR), EF-M (кроп-сенсорные беззеркалки) и RF (полнокадровые беззеркалки), а также Nikon F (DSLR) и Z (беззеркалки), Sony A (DSLR) и E (беззеркалки) и многие другие.

Фотоаппараты

Пройдя через объектив, свет попадает в камеру, где его регистрирует матрица или пленка.

Видоискатель

Все цифровые зеркальные и многие беззеркальные камеры имеют видоискатели. Он может быть оптическим или электронным.

В цифровых зеркальных камерах с оптическим видоискателем свет, попадая в объектив, отражается от полупроницаемого зеркала. Большая часть света отражается вверх на пентапризму, а затем в видоискатель.

Часть света отражается вниз через вторичное зеркало на датчик автофокуса.

В беззеркальной камере нет оптической связи между объективом и глазом. Свет всегда попадает непосредственно на датчик.

С датчика изображение в реальном времени передается в цифровом виде в электронный видоискатель (EVF) или на задний экран.

Затвор

Затвор - это механизм, который пропускает свет на пленку или матрицу в течение заданного времени (выдержка).

До эпохи цифровых камер единственным вариантом был механический затвор. Он физически перемещал препятствие на пути света.

Роликовый механический затвор, который есть в большинстве камер, имеет две шторки. Когда вы нажимаете кнопку спуска затвора, первая шторка сдвигается вверх и пропускает свет на сенсор камеры. Затем, по истечении заданного времени выдержки, вторая шторка захлопывается. Датчик снова блокируется.

Одним из недостатков такой системы является то, что вы не можете использовать стандартную вспышку короче определенной выдержки. Обычно это около 1/200 секунды. Ниже этого значения весь кадр не экспонируется одновременно.

Между шторками, которые перемещаются с одной стороны на другую, есть окно.

В свою очередь, вспышка действует мгновенно, поэтому, если скорость выше предельной, будет освещена только полоса кадра. Этого можно избежать, используя высокоскоростную синхронизацию.

Электронные затворы - продукт эпохи цифровых камер. Они используются для быстрого и непрерывного считывания изображения.

Практически в каждом цифровом фотоаппарате есть качающийся электронный затвор. Он работает, собирая данные с датчика блоками (обычно рядами пикселей), двигаясь вниз.

Это позволяет вести бесшумную съемку и использовать очень низкие выдержки, в некоторых случаях 1/32000 секунды. Недостатком является то, что быстро движущиеся объекты выглядят искаженными из-за асинхронного считывания.

В камерах потребительского уровня в режиме Live View и при записи видео используются электронные затворы.

В некоторых современных камерах используется глобальный электронный затвор. Он считывает данные со всего кадра одновременно, решая проблему полосатых искажений. В основном он используется для профессиональной видеосъемки.

Сенсор

Цифровые сенсоры состоят из пикселей. Пиксели - это крошечные солнечные элементы, которые преобразуют свет в электричество.

Большинство цифровых камер оснащены стандартным однослойным CMOS (КМОП) или CCD сенсором. КМОП - это более новая технология, позволяющая считывать отдельные пиксели и обеспечивающая низкое энергопотребление.

Пиксели располагаются в виде мозаики Байера с использованием цветовых фильтров. Мозаика Байера состоит из блоков по четыре пикселя: два зеленых, один красный и один синий.

Поскольку каждый пиксель чувствителен только к своему цвету, в итоге получается изображение с разбросанными красными, зелеными и синими точками.

Сенсор
Цифровые сенсоры состоят из пикселей. Пиксели - это крошечные солнечные элементы, которые преобразуют свет в электричество.

Большинство цифровых камер оснащены стандартным однослойным CMOS (КМОП) или CCD сенсором. КМОП - это более новая технология, позволяющая считывать отдельные пиксели и обеспечивающая низкое энергопотребление.

Пиксели располагаются в виде мозаики Байера с использованием цветовых фильтров. Мозаика Байера состоит из блоков по четыре пикселя: два зеленых, один красный и один синий.

Поскольку каждый пиксель чувствителен только к своему цвету, в итоге получается изображение с разбросанными красными, зелеными и синими точками.

Чтобы получить плавные тона и гладкую фотографию, процессор или программное обеспечение для редактирования должны выполнить дебайеризацию.

Чувствительность ISO

В пленочных камерах вы меняете пленку одной чувствительности на пленку другой. В цифровых камерах это другой процесс.

Когда вы (или ваша камера) устанавливаете значение ISO, может произойти несколько вещей, в зависимости от камеры и точного значения ISO.

В камерах с КМОП-сенсорами (большинство цифровых камер) есть крошечный усилитель для каждого отдельного пикселя. После экспонирования кадра он усиливает пиксели до более высокого уровня в соответствии с ISO.

До определенного значения, обычно ISO 1600, это единственное усиление.

После этого ISO - это цифровая метка, встроенная в необработанный файл, или цифровое усиление для файлов jpg.

Цифровое преобразование и обработка

После считывания данных с сенсора цифровой камеры и прохождения через усилитель, данные преобразуются в цифровые. Это задача аналого-цифрового преобразователя.

Большинство современных камер преобразуют данные в 16-битный формат, но используют только 14 бит из них. Дополнительные 2 бита обеспечивают большую гибкость при постпродакшне и фильтрации.

14 бит означает, что для каждого пикселя существует 16.384 возможных значений. Это позволяет добиться огромного цветового и тонального диапазона в современных цифровых камерах.

Затем пиксельные данные поступают в процессор обработки изображений. Процессор выполняет несколько алгоритмов, фильтрацию, дебайеризацию и сжатие, если вы выбираете формат jpg.

Затем окончательное изображение записывается на карту памяти.

Заключение

Теперь у вас есть более глубокое понимание того, как работают камеры. Вы можете применять эти знания в повседневных ситуациях, а также для решения сложных технических вопросов.

Понимание того, как работает камера, открывает больше возможностей в использовании оборудования и его возможностей.

Автор статьи: Габор Хольцер

Еще больше интересных статей читайте в нашей группе и на сайте www.pano-maker.ru. 

Если вам понравилась статья, ставьте лайки и подписывайтесь на наш канал!