Фотография является одним из самых важных изобретений в истории — она действительно изменила представление людей о мире. Теперь каждый человек может увидеть изображения вещей, которые на самом деле находятся на огромном расстоянии или уже давно не существуют. Каждый день миллиарды фотографий публикуются в Интернете, превращая жизнь в цифровые пиксели информации.
Строение фотокамеры
Фотография позволяет запечатлеть важные моменты жизни и сохранить их на долгие годы. Приборы для создания изображений уже давно встроены в телефоны и другие гаджеты, но принцип работы фотоаппарата для многих остается загадкой. Фотография — это такая же наука, как и искусство, но подавляющее большинство не осознает, что происходит, когда нажимают кнопку камеры или открывают приложение камеры смартфона. Первый фотоаппарат, строение и принцип работы которого будут рассмотрены позже, вовсе не имел кнопок и совсем не напоминал приложение. Но его устройство лежит в основе современных гаджетов.
Например, пленочная камера состоит из трех основных элементов: оптического — объектива, химического — пленки, а также механического — корпуса камеры. Рассмотрим кратко принцип работы фотоаппарата: пленка загружается в катушку справа и наматывается на другую катушку слева, проходя перед объективом по пути. Она представляет собой длинную ленту из гибкого пластика, покрытого специальными химическими веществами на основе соединений серебра, чувствительных к свету.
Черно-белая пленка имеет один слой, а цветная пленка — три: верхний чувствителен к синему свету, центральный — к зеленому, а нижний — к красному. Изображение получалось из-за химической реакции каждого из них. Чтобы свет не испортил пленку, ее оборачивают в прочный светостойкий пластиковый цилиндр, который и помещается внутрь камеры. Но как происходит объединение всех компонентов таким образом, чтобы они записывали четкое, узнаваемое изображение? Есть много разных способов заставить работать эти части, но сначала следует понять основной принцип работы фотоаппарата. Поскольку для фотосъемки не требуется электричество, обычная однообъективная беззеркальная камера представляет собой отличную иллюстрацию основных процессов производства фотографии.
Зачем нужен объектив
Начать объяснение принципов работы фотоаппарата кратко лучше всего с теории. Представьте, что стоите посреди комнаты без окон, дверей или освещения. В таком месте ничего не видно, потому что нет источника света. Если предположить, что вы достали фонарик и включили его, и луч от него движется по прямой линии. Когда этот свет попадает на объект, то отражается от него и попадает в глаза, позволяя увидеть то, что находится внутри комнаты.
Принцип работы цифрового фотоаппарата похож на процесс выхватывания лучом от фонарика предметов из темной комнаты. Оптической составляющей камеры является объектив. Его работа состоит в том, чтобы отразить лучи света, вернувшиеся от объекта, и перенаправить их, чтобы они собрались вместе и сформировали изображение, которое выглядит как сцена перед объективом. Может быть, не совсем понятно, как происходит этот процесс и почему обычное стекло способно перенаправить свет. Ответ очень прост: когда свет перемещается из одной среды в другую, он меняет скорость.
Как работает линза
Свет распространяется быстрее через воздух, чем через стекло, поэтому линза замедляет его. Когда лучи попадают на нее под углом, одна часть волны достигнет поверхности раньше другой и, таким образом, замедляется первой. Когда свет входит в стекло под углом, он изгибается в одном направлении, а затем еще раз, когда выходит из стекла, потому что части световой волны попадают в воздух и ускоряются раньше других.
В стандартной выпуклой линзе изогнуты одна или обе стороны стекла. Это означает, что проходящие лучи света будут отклоняться к центру линзы при входе. В двойной выпуклой линзе, такой как увеличительное стекло, свет будет изгибаться как на выходе, так и на входе. Это эффективно меняет путь света от объекта, что связано с главным принципом работы фотоаппарата. Источник света излучает свет во всех направлениях. Все лучи начинаются в одной точке и затем постоянно расходятся. Собирающая линза берет эти лучи и перенаправляет их, чтобы они все сходились обратно в одну точку. В этом месте получается изображение предмета.
Принцип работы первого фотоаппарата
Первая камера представляла собой комнату с небольшим отверстием на одной боковой стене. Свет проходил через него и отражался по прямым линиям, а изображение проецировалось на противоположную стену в перевернутом виде. Она получила название камеры обскура и использовалась художниками для написания художественных полотен. Изобретение приписывают Леонардо да Винчи. Хотя подобные устройства существовали задолго до появления первой настоящей фотографии, только когда кто-то решил разместить материал, чувствительный к свету, в задней части этой комнаты, зародилась идея получения изображения таким способом. Принцип работы первого фотоаппарата был таким: когда луч попадал на светочувствительный материал, химические вещества реагировали и вытравливали изображение на поверхности. Поскольку эта камера не улавливала слишком много света, на то, чтобы сделать одну фотографию, требовалось восемь часов. Изображение также получалось довольно размытым.
Отличие зеркальных фотоаппаратов
Профессионалы часто отдают предпочтение зеркальным камерам. Считается, что качество снимка получается лучше, потому что фотограф видит в видоискателе реальное изображение объекта, не искаженное оцифровкой и фильтрами. Если описать кратко принцип работы фотоаппарата с зеркальным видоискателем, то смысл сводится к тому, что в такой камере фотограф видит реальное изображение. Он также может регулировать все детали, поворачивая и нажимая кнопки. Это происходит благодаря двойному зеркалу — пентапризме. Но в конструкции фотоаппарата присутствует еще одно — полупрозрачное, расположенное перед матрицей, которую также называют датчиком или сенсором. Принцип работы затвора фотоаппарата состоит в том, что при нажатии кнопки он приподнимает зеркало и меняет угол его наклона. В этот момент поток света попадает на датчик, после чего изображение обрабатывается и выводится на экран.
Принцип работы зеркального фотоаппарата связан с диафрагмой, которая постепенно приоткрывается для пропуска лучей. Она состоит из лепестков, от положения которых зависит диаметр центрального круга и количество пропускаемого света. Луч попадает на линзы, а потом на зеркало, фокусировочный экран и пентапризму, где и переворачивается изображение, а затем в видоискатель. Именно там фотограф видит реальное изображение. Принцип работы беззеркального фотоаппарата отличается тем, что в нем нет такого видоискателя. Часто он заменяется экраном или электронной версией. Фазовый автофокус также есть только у зеркальных фотоаппаратов. Еще одно отличие в том, что свет при нажатии кнопки затвора сразу попадает на матрицу камеры.
Фокусировка на объекте
Качество картинки меняется в зависимости от того, как свет проходит через объектив фотоаппарата. Оно связано с тем, под каким углом световой луч входит в него и его какова структура. Этот путь зависит от двух основных факторов. Первый — угол входа светового луча в объектив. Второй — структура объектива. Угол входа света изменяется при перемещении объекта ближе или дальше от него. Лучи, которые входят под более острым углом, будут выходить под более тупым, и наоборот. Объектив фотоаппарата улавливает все отраженные лучи света и использует стекло, чтобы перенаправить их в одну точку, создавая четкое изображение. Общий «угол изгиба» в любой конкретной точке остается постоянным.
Если свет не попадает в нужную, изображение будет выглядеть размытым или не в фокусе. По сути, изгиб линзы увеличивает расстояние между разными точками на ней. Лучи из более близкой точки сходятся дальше от линзы, чем из той, которая находится дальше. То есть реальное изображение более близкого объекта формируется дальше от линзы, чем от более отдаленного. Общий «угол изгиба» определяется структурой линзы. Объектив камеры вращается, чтобы сфокусироваться, перемещаясь ближе или дальше от поверхности пленки или матрицы. Линза с более круглой формой будет иметь более острый угол изгиба. Это увеличивает количество времени, в течение которого одна часть световой волны движется быстрее, чем другая часть, поэтому свет совершает более резкий поворот. В результате сфокусированное реальное изображение формируется дальше от объектива, когда объектив имеет более плоскую поверхность.
Размер объектива и размер фотографии
С увеличением расстояния между объективом и реальным изображением лучи света расширяются, формируя картинку большего размера. Плоская линза проецирует большое изображение, но пленка экспонируется только в его средней части. По сути, объектив сосредоточен на середине кадра, увеличивая небольшой участок перед зрителем. Когда передняя часть стекла отодвигается от датчика камеры, объекты становятся ближе. Фокусное расстояние — это измерение расстояния между тем, где лучи света впервые попадают на объектив, и тем, где они достигают датчика камеры. Профессиональные камеры позволяют устанавливать разные объективы, с разным увеличением. Степень увеличения описывается фокусным расстоянием. В камерах оно определяется как расстояние между объективом и реальным изображением объекта на дальнем расстоянии.
Отличия между линзами
Более высокое число фокусных расстояний указывает на большее увеличение изображения. Различные линзы подходят для разных ситуаций. Если снимать горный массив, то можно использовать объектив с особенно большим фокусным расстоянием. Они позволяют сосредоточиться на определенных элементах в отдалении. Если нужно сделать портрет крупным планом, то подойдет широкоугольный объектив. У него гораздо более короткое фокусное расстояние, поэтому он сжимает сцену перед фотографом.
Хроматическая аберрация
Объектив камеры — это на самом деле несколько объективов, объединенных в один блок. Одна сходящаяся линза может сформировать реальное изображение на пленке, но оно будет искажено рядом аберраций. Одним из наиболее значительных факторов деформации является то, что различные цвета спектра по-разному изгибаются при движении через объектив. Эта хроматическая аберрация, по существу, создает изображение, где оттенки не выстроены правильно. Камеры компенсируют это, используя несколько линз из разных материалов. Каждая линза обрабатывает цвета по-разному, и, когда они комбинируются определенным образом, цвета перестраиваются. В зум-объективе есть возможность перемещать различные элементы объектива взад и вперед. Изменяя расстояние между отдельными объективами, можно регулировать силу увеличения объектива в целом.
Пленка и датчики изображения
Устройство и принцип работы фотоаппарата связаны также с записью информации на носитель. Исторически фотографы были также своего рода химиками. Пленка состоит из светочувствительных материалов. Когда на эти материалы попадает свет от линзы, они фиксируют форму объектов и детали, например, сколько света исходит от них. В темной комнате пленка проявлялась, подвергаясь воздействию и серии химических ванн, чтобы появилось изображение. Принцип работы фотоаппарата с датчиком несколько отличается от работы пленочного. Хотя объективы, методы и термины совпадают, матрица цифровой камеры больше напоминает солнечную панель, чем полосу пленки. Каждый датчик разделен на миллионы красных, зеленых и синих пикселей или мегапикселей. Когда свет попадает на пиксель, датчик преобразует его в энергию, а встроенный в камеру компьютер считывает, сколько энергии вырабатывается.
Почему важны мегапиксели
Принцип работы матрицы фотоаппарата состоит в измерении того, сколько энергии имеет каждый пиксель и позволяет ей определить, какие области изображения светлые и темные. А поскольку каждый пиксель имеет значение цвета, компьютер камеры может оценивать цвета в сцене, просматривая, какие другие соседние пиксели зарегистрированы. Собрав воедино информацию из всех пикселей, компьютер способен приблизить формы и цвета снимаемого объекта. Если каждый пиксель собирает световую информацию, то датчики камеры с большим количеством мегапикселей могут захватывать больше деталей.
Вот почему производители часто рекламируют мегапиксели камеры, добавляя краткое объяснение принципов работы фотоаппарата. Хотя это в некоторой степени верно, размер сенсора также важен. Большие матрицы будут собирать больше света, что поможет получить лучшее качество снимка слабом освещении. Упаковка большого количества мегапикселей в маленький датчик фактически ухудшает качество изображения, потому что отдельные пиксели слишком малы. Стандартный объектив объектива с фокусным расстоянием 50 мм не позволяет значительно увеличить или уменьшить изображение, что делает его идеальным для съемки объектов, которые расположены не слишком близко или далеко.
Как работает "Полароид"
Переносная фотостудия, снимки в которой можно получать почти мгновенно, — долгое время это было просто мечтой. Пока не появилась необычная фотокамера, позволяющая не ждать неделями распечатки изображений. Эдвин Лэнд создал первую камеру "Полароид". У него была идея о создании мгновенной фотографии, и он попросил компанию Kodak о финансировании. Но в фирме это восприняли как шутку и лишь посмеялся над ним. Эдвин Лэнд пошел домой и начал работать над другими проектами, чтобы собрать деньги. Он создал Polaroid Lens, а потом изобрел свою знаменитую переносную фотостудию.
Принцип работы фотоаппарата "Полароид" схож с механизмом работы обычной пленочной камеры, внутри которой находилась пластиковая основа, покрытая частицами соединения серебра, чувствительных к свету. В каждой заготовке под фотографию есть такие же светочувствительные слои, расположенные на пластиковом листе. Они содержат все необходимые химические вещества для проявки фотографии. Под каждым цветным слоем находится еще один, с красителем. Всего на карточке более 10 различных слоев, в том числе непрозрачный базовый, представляющих собой заготовку для химической реакции. Компонент, который запускает процесс — это реагент, смесь дезактиваторов, щелочи, белого пигмента и других элементов. Он находится в слое чуть выше светочувствительных слоев и чуть ниже слоя с изображением.
Принцип работы фотоаппарата "Полароид" в том, что перед созданием снимка весь материал реагента собирается в виде шарика на границе пластикового листа, вдали от светочувствительного материала. После нажатия кнопки край пленки выходит из камеры через пару роликов, которые распределяют материал реагента в центре кадра. Когда реагент распределяется между слоем изображения и светочувствительными слоями, он реагирует с другими химическими элементами. Непрозрачный материал предотвращает фильтрацию света на нижележащие слои, поэтому пленка не полностью экспонируется, прежде чем проявится.
Химические реагенты движутся вниз через слои, превращая открытые частицы каждого слоя в металлическое серебро. Затем химикаты растворяют краситель проявителя, поэтому он начинает проникать вверх на слой изображения. Области металлического серебра в каждом слое, которые были на свету, захватывают красители, чтобы они перестали двигаться вверх. Только краски из неэкспонированных слоев будут перемещаться до слоя изображения. Свет, отражающийся от белого пигмента в реагенте, проходит через эти цветные слои. Кислотный слой в пленке вступает в реакцию со щелочью и дезактиваторами в реагенте, в результате чего постепенно проявляется изображение. Ему нужен свет, чтобы проявиться до конца, и обычно фотограф, извлекая карточку, видит последний химический процесс, связанным с проявкой пленки.
