Пристрій і принцип роботи фотоапарата

Фотографія є одним з найважливіших винаходів в історії — вона дійсно змінила уявлення людей про світ. Тепер кожна людина може побачити зображення речей, які насправді знаходяться на величезній відстані або вже давно не існують. Щодня мільярди фотографій публікуються в Інтернеті, перетворюючи життя в цифрові пікселі інформації.

Будова фотокамери

Фотографія дозволяє відобразити важливі моменти життя і зберегти їх на довгі роки. Прилади для створення зображень вже давно вбудовані в телефони та інші гаджети, але принцип роботи фотоапарата для багатьох залишається загадкою. Фотографія — це така ж наука, як і мистецтво, але переважна більшість не усвідомлює, що відбувається, коли натискають кнопку камери або відкривають додаток камери смартфона. Перший фотоапарат, будова і принцип роботи якого будуть розглянуті пізніше, зовсім не мав кнопок і зовсім не нагадував додаток. Але його пристрій лежить в основі сучасних гаджетів.

Наприклад, плівкова камера складається з трьох основних елементів: оптичного — об'єктива, хімічного — плівки, а також механічного — корпусу камери. Розглянемо коротко принцип роботи камери: плівка завантажується в котушку праворуч і намотується на іншу котушку зліва, проходячи перед об'єктивом по дорозі. Вона являє собою довгу стрічку з гнучкого пластику, покритого спеціальними хімічними речовинами на основі сполук срібла, чутливих до світла.

Чорно-біла плівка має один шар, а кольорова плівка — три: верхній чутливий до синього світла, центральний — до зеленого, нижній до червоного. Зображення виходило з-за хімічної реакції кожного з них. Щоб світло не зіпсував плівку, її обертають в міцний світлостійкість пластиковий циліндр, який і поміщається всередину камери. Але як відбувається об'єднання всіх компонентів таким чином, щоб вони записували чітке, впізнаване зображення? Є багато різних способів змусити працювати ці частини, але спочатку слід зрозуміти основний принцип роботи фотоапарата. Оскільки для фотозйомки не потрібно електрику, звичайна однообъективная бездзеркальна камера являє собою чудову ілюстрацію основних процесів виробництва фотографії.

Навіщо потрібний об'єктив

Почати пояснення принципів роботи фотоапарата коротко найкраще з теорії. Уявіть, що стоїте посеред кімнати без вікон, дверей або освітлення. У такому місці нічого не видно, тому що немає джерела світла. Якщо припустити, що ви дістали ліхтарик і включили його, і промінь від нього рухається по прямій лінії. Коли цей світ потрапляє на об'єкт, відбивається від нього і потрапляє в очі, дозволяючи побачити те, що знаходиться всередині кімнати.

Принцип роботи цифрового фотоапарата схожий на процес вихоплювання променем від ліхтарика предметів з темної кімнати. Оптичної складової є об'єктив камери. Його робота полягає в тому, щоб відобразити промені світла, що повернулися від об'єкта, і перенаправити їх, щоб вони зібралися разом і сформували зображення, яке виглядає як сцена перед об'єктивом. Може бути, не зовсім зрозуміло, як відбувається цей процес і чому звичайне скло здатне передати світло. Відповідь дуже проста: коли світло переходить з одного середовища в іншу, він змінює швидкість.

Як працює лінза

Світло поширюється швидше через повітря, ніж через скло, тому лінза уповільнює його. Коли промені потрапляють на неї під кутом, одна частина хвилі досягне поверхні раніше інший і, таким чином, сповільнюється першої. Коли світло входить в скло під кутом, він згинається в одному напрямку, а потім ще раз, коли виходить зі скла, тому що частини світлової хвилі потрапляють у повітря і прискорюються раніше за інших.

У стандартній опуклої лінзи вигнуті одна або обидві сторони скла. Це означає, що проходять промені світла будуть відхилятися до центру лінзи при вході. В подвійний опуклої лінзи, такий як збільшувальне скло, світло буде згинатися як на виході, так і на вході. Це ефективно змінює шлях світла від об'єкта, що пов'язано з головним принципом роботи фотоапарата. Джерело світла випромінює світло у всіх напрямках. Всі промені починаються в одній точці і потім постійно розходяться. Збираюча лінза бере ці промені і перенаправляє їх, щоб вони всі сходилися назад в одну точку. У цьому місці виходить зображення предмета.

Принцип роботи першого фотоапарата

Перша камера являла собою кімнату з невеликим отвором на одній бічній стіні. Світло проходило через нього і відбивався по прямих лініях, а зображення проектувалося на протилежну стіну в перевернутому вигляді. Вона отримала назву камери обскура і використовувалася художниками для написання художніх полотен. Винахід приписують Леонардо да Вінчі. Хоча подібні пристрої існували задовго до появи першої цієї фотографії, тільки коли хтось вирішив розмістити матеріал, чутливий до світла, в задній частині цієї кімнати, зародилася ідея отримання зображення таким способом. Принцип роботи першого фотоапарата був таким: коли промінь потрапляв на світлочутливий матеріал, хімічні речовини реагували і витравлювали зображення на поверхні. Оскільки ця камера не вловлювала занадто багато світла, на те, щоб зробити одну фотографію, потрібно вісім годин. Зображення виходило доволі розмитим.

Відмінність дзеркальних фотоапаратів

Професіонали часто віддають перевагу дзеркальним камерам. Вважається, що якість знімка виходить краще, тому що фотограф бачить у видошукачі реальне зображення об'єкта, не спотворене оцифруванням і фільтрами. Якщо описати коротко принцип роботи фотоапарата з дзеркальним видошукачем, то сенс зводиться до того, що в такій камері фотограф бачить реальне зображення. Він також може регулювати всі деталі, повертаючи і натискаючи кнопки. Це відбувається завдяки подвійному дзеркала — пентапризме. Але в конструкції фотоапарата є ще одне — напівпрозоре, розташоване перед матрицею, яку також називають датчиком або сенсором. Принцип роботи затвора фотоапарата полягає в тому, що при натисканні кнопки він піднімає дзеркало і змінює кут його нахилу. У цей момент потік світла потрапляє на датчик, після чого зображення обробляється і виводиться на екран.

Принцип роботи дзеркального фотоапарата пов'язаний з діафрагмою, яка поступово відкривається для пропуску променів. Вона складається з пелюсток, від стану яких залежить діаметр центрального кола і кількість світла, що пропускається. Промінь потрапляє на лінзи, а потім на дзеркало, фокусировочный екран і пентапризму, де і перевертається зображення, а потім у видошукач. Саме там фотограф бачить реальне зображення. Принцип роботи бездзеркального фотоапарата відрізняється тим, що в ньому немає такого видошукача. Часто він замінюється екраном або електронною версією. Фазовий автофокус також є тільки у дзеркальних фотоапаратів. Ще одна відмінність в тому, що світло при натисканні кнопки затвора відразу потрапляє на матрицю камери.

Фокусування на об'єкті

Якість зображення змінюється в залежності від того, як світло проходить через об'єктив фотоапарата. Воно пов'язане з тим, під яким кутом світловий промінь входить в нього і яка його структура. Цей шлях залежить від двох основних факторів. Перший — кут входу світлового променя в об'єктив. Другий — структура об'єктива. Кут входу світла змінюється при переміщенні об'єкта ближче або далі від нього. Промені, які входять під більш гострим кутом, будуть виходити під більш тупим, і навпаки. Об'єктив фотоапарата вловлює всі відбиті промені світла і використовує скло, щоб змусити їх в одну точку, створюючи чітке зображення. Загальний «кут вигину» у будь-якій конкретній точці залишається постійним.

Якщо світло не потрапляє в потрібну, зображення буде виглядати розмитим або не у фокусі. По суті, вигин лінзи збільшує відстань між різними точками на ній. Промені з більш близької точки сходяться далі від лінзи, ніж з тією, яка знаходиться далі. Тобто реальне зображення більш близького об'єкта формується далі від лінзи, ніж від більш віддаленого. Загальний «кут вигину визначається структурою лінзи. Об'єктив камери обертається, щоб сфокусуватися, переміщаючись ближче або далі від поверхні плівки або матриці. Лінза з більш круглою формою буде мати більш гострий кут вигину. Це збільшує кількість часу, протягом якого одна частина світлової хвилі рухається швидше, ніж інша частина, тому світло робить більш різкий поворот. В результаті сфокусоване реальне зображення формується далі від об'єктива, коли об'єктив має більш плоску поверхню.

Розмір об'єктива і розмір фотографії

З збільшенням відстані між об'єктивом і реальним зображенням промені світла розширюються, формуючи картинку більшого розміру. Плоска лінза проектує велике зображення, але плівка експонується лише в його середній частині. По суті, об'єктив зосереджений на середині кадру, збільшуючи невелику ділянку перед глядачем. Коли передня частина скла відсувається від датчика камери, об'єкти стають ближче. Фокусна відстань — це вимірювання відстані між тим, де промені світла вперше потрапляють на об'єктив, і тим, де вони досягають датчика камери. Професійні камери дозволяють встановлювати різні об'єктиви, з різним збільшенням. Ступінь збільшення описується фокусною відстанню. В камерах воно визначається як відстань між об'єктивом і реальним зображенням об'єкта на далекій відстані.

Відмінності між лінзами

Більш високе число фокусних відстаней вказує на збільшення зображення. Різні лінзи підходять для різних ситуацій. Якщо знімати гірський масив, то можна використовувати об'єктив з особливо великою фокусною відстанню. Вони дозволяють зосередитися на певних елементах на віддалі. Якщо потрібно зробити портрет крупним планом, то підійде ширококутний об'єктив. У нього набагато більше короткий фокусна відстань, тому він стискає сцену перед фотографом.

Хроматична аберація

Об'єктив камери — це насправді кілька об'єктивів, об'єднаних в один блок. Одна сходиться лінза може сформувати реальне зображення на плівці, але воно буде спотворено поруч аберацій. Одним з найбільш значних факторів деформації є те, що різні кольори спектру по-різному згинаються при русі через об'єктив. Ця хроматична аберація, по суті, створює зображення, де відтінки не збудовані правильно. Камери компенсують це, використовуючи декілька лінз з різних матеріалів. Кожна лінза обробляє кольори по-різному, і, коли вони певним чином комбінуються, кольору перебудовуються. У зум-об'єктив є можливість переміщати різні елементи об'єктива взад і вперед. Змінюючи відстань між окремими об'єктивами, можна регулювати силу збільшення об'єктива в цілому.

Плівка і датчики зображення

Пристрій і принцип роботи фотоапарата пов'язані також з записом інформації на носій. Історично фотографи були також свого роду хіміками. Плівка складається з світлочутливих матеріалів. Коли на ці матеріали потрапляє світло від лінзи, вони фіксують форму об'єктів і деталі, наприклад, скільки світла виходить від них. У темній кімнаті плівка проявлялася, піддаючись впливу і серії хімічних ванн, щоб з'явилося зображення. Принцип роботи фотоапарата з датчиком дещо відрізняється від роботи плівкового. Хоча об'єктиви, методи і терміни збігаються, матриця цифрової камери більше нагадує сонячну панель, ніж смугу плівки. Кожен датчик розділений на мільйони червоних, зелених і синіх пікселів або мегапікселів. Коли світло потрапляє на піксель, датчик перетворює його в енергію, а вбудований в камеру комп'ютер зчитує, скільки енергії виробляється.

Чому важливі мегапікселі

Принцип роботи матриці фотоапарата полягає у вимірюванні того, скільки енергії має кожен піксель і дозволяє їй визначити, які області зображення світлі і темні. А оскільки кожен піксель має значення кольору, комп'ютер камери може оцінювати кольору в сцені, переглядаючи, які інші сусідні пікселі зареєстровані. Зібравши воєдино інформацію з усіх пікселів, комп'ютер здатний наблизити форми і кольору об'єкту, що знімається. Якщо кожен піксель збирає світлову інформацію, то датчики камери з великою кількістю мегапікселів можуть захоплювати більше деталей.

Ось чому виробники часто рекламують мегапікселі камери, додаючи коротке пояснення принципів роботи фотоапарата. Хоча це в деякій мірі вірно, розмір сенсора також важливий. Великі матриці будуть збирати більше світла, що допоможе отримати кращу якість знімка слабкому освітленні. Упаковка великої кількості мегапікселів в маленький датчик фактично погіршує якість зображення, тому що окремі пікселі дуже малі. Стандартний об'єктив об'єктива з фокусною відстанню 50 мм не дозволяє значно збільшити або зменшити зображення, що робить його ідеальним для зйомки об'єктів, які розташовані не занадто близько або далеко.

Як працює "Полароїд"

Переносна фотостудія, знімки в якій можна отримувати майже миттєво, — довгий час це було просто мрією. Поки не з'явилася незвичайна фотокамера, що дозволяє не чекати тижнями роздруківки зображень. Едвін Ленд створив першу камеру "Полароїд". У нього була ідея про створення миттєвої фотографії, і він попросив компанію Kodak про фінансування. Але у фірмі це сприйняли як жарт і лише посміявся над ним. Едвін Ленд пішов додому і почав працювати над іншими проектами, щоб зібрати гроші. Він створив Polaroid Lens, а потім винайшов свою знамениту переносну фотостудію.

Принцип роботи фотоапарати "Полароїд" схожий з механізмом роботи звичайної плівкової камери, всередині якої перебувала пластикова основа, покрита частками сполуки срібла, чутливих до світла. У кожної заготівлі під фотографію є такі ж світлочутливі шари, розташовані на пластиковому аркуші. Вони містять всі необхідні хімічні речовини для проявлення фотографії. Під кожним кольоровим шаром знаходиться ще один, з барвником. Всього на картці більше 10 різних верств, у тому числі непрозорий базовий, що представляють собою заготовку для хімічної реакції. Компонент, який запускає процес — це реагент, суміш дезактиваторів, луги, білого пігменту та інших елементів. Він знаходиться в шарі трохи вище світлочутливих шарів і трохи нижче шару з зображенням.

Принцип роботи фотоапарати "Полароїд" у тому, що перед створенням знімка весь матеріал реагенту збирається у вигляді кульки на кордоні пластикового листа, вдалині від світлочутливого матеріалу. Після натискання кнопки край плівки виходить з камери через пару роликів, які розподіляють матеріал реагенту в центрі кадру. Коли реагент розподіляється між шаром зображення і світлочутливими шарами, він реагує з іншими хімічними елементами. Непрозорий матеріал запобігає фільтрацію світла на нижні шари, тому плівка не повністю експонується, перш ніж проявиться.

Хімічні реагенти рухаються вниз через шари, перетворюючи відкриті частки кожного шару в металеве срібло. Потім хімікати барвник розчиняють проявника, тому він починає проникати вгору на шар зображення. Області металевого срібла в кожному шарі, які були на світлі, захоплюють барвники, щоб вони перестали рухатись вгору. Тільки фарби з неекспонованих шарів будуть переміщатися до шару зображення. Світло, що відбивається від білого пігменту у реагенте, проходить через ці кольорові шари. Кислотний шар у плівці вступає в реакцію з лугом і дезактиваторами в реагенте, в результаті чого поступово проявляється зображення. Йому потрібне світло, щоб проявитися до кінця, і зазвичай фотограф, витягуючи картку, бачить останній хімічний процес, пов'язаних з проявом плівки.