Как устроен фотоаппарат. Два мира — один свет

Когда мы нажимаем на кнопку спуска, внутри корпуса происходит маленькое чудо. Свет, который отразился от лица, дерева или облака, собирается линзами, проходит через систему преград и оседает на кремниевой пластине. Всё это занимает доли секунды.

Но способов организовать этот путь два. И разница между ними не в качестве снимков, а в том, как вы видите объект до съемки и как быстро аппарат реагирует на ваше движение.

Зеркальный фотоаппарат

Он устроен почти как старый киносъемочный аппарат. Внутри, прямо за объективом, под углом 45 градусов стоит зеркало. Оно отражает свет вверх, в пятиугольную призму, а призма разворачивает картинку и направляет ее прямо вам в глаз. Вы смотрите в видоискатель и видите настоящий, немодифицированный свет. Без перекодировки, без задержки.

Когда вы нажимаете на спуск, зеркало подпрыгивает вверх, освобождая путь к матрице. Затвор открывается на то время, которое вы задали может, на тысячную долю секунды, а может, на пару секунд. Свет падает на матрицу, и она запоминает эту картину. Потом затвор закрывается, зеркало возвращается на место.

Это движение слышно: щелчок металла. Для многих это часть магии, но у механики есть обратная сторона. Зеркало весит достаточно, чтобы при резком подъеме создавать микровибрацию. Если снимать с рук на длинной выдержке, кадр может слегка смазаться. Поэтому у зеркалок есть режим, когда зеркало поднимается заранее, за секунду-две до съемки, чтобы вибрация успела утихнуть.

Еще один приятный момент: батарея в зеркалке живет долго. Экран включается только когда вы смотрите отснятое. В остальное время вы смотрите через видоискатель, а ему энергия не нужна. На одном заряде спокойно умещается 800-1000 кадров.

Беззеркальный фотоаппарат

У беззеркалки все иначе. Там нет ни зеркала, ни призмы. Свет проходит через объектив и сразу попадает на матрицу, как в обычный цифровой аппарат. Процессор считывает сигнал с матрицы и выводит картинку на маленький экранчик внутри видоискателя.

Вы смотрите в глазок, а видите не свет, а его цифровую копию, которую процессор пересчитал и показал вам. Это похоже на то, как вы смотрите через камеру смартфона. Но у этого подхода есть преимущество: вы видите готовый кадр еще до того, как нажали на кнопку. Перекрутили баланс белого - картинка стала теплее. Сделали выдержку длиннее - изображение посветлело. Что на экране, то и получится.

Задержка у такого видоискателя есть, но мизерная — сотые доли секунды. Для большинства сюжетов ее не замечаешь. Но если бегает ребенок или летит мяч, эта микро-задержка может сбить с ритма.

Беззеркалки позволяют снимать сериями по 20-30 кадров в секунду. Механика не мешает, потому что нет зеркала, которое нужно поднимать и опускать. Процессор просто считывает матрицу с максимальной скоростью.

Но электронный видоискатель и экран потребляют энергию постоянно. Батарея садится быстрее: 350-500 кадров —и уже нужна розетка. Зато сама камера легче и компактнее.

Матрица. Кремниевая пленка

Матрица — это пластинка из кремния, на которой расположены миллионы крошечных датчиков. Каждый датчик —фотодиод. На него падает фотон, и фотодиод вырабатывает электрический сигнал. Чем больше фотонов попало за время выдержки, тем сильнее сигнал.

Но фотодиод не различает цвета. Он видит только яркость. Чтобы получать цветное изображение, на матрицу наносят крошечные цветные фильтры. Обычно используют три цвета: красный, зеленый и синий. Зеленых фильтров делают в два раза больше, потому что глаз человека лучше различает оттенки зеленого.

Каждый пиксель видит только один цвет. А остальные два процессор вычисляет по соседним пикселям. Это называется демозаика. Алгоритм смотрит на соседние красный, зеленый и синий датчики и достраивает недостающие цвета для каждой точки.

Размер матрицы имеет значение.

Полнокадровая матрица, примерно 36 на 24 миллиметра, такая же, как кадр на пленке. Она собирает больше света, потому что площадь больше. Матрицы поменьше, кропнутые, площадью около 23 на 15 миллиметров, умещаются в более дешевые корпуса. Крупные пиксели дают меньше шума при плохом освещении —это главное, за что платят деньги.

Что внутри у всех

Неважно, зеркальный аппарат или беззеркальный — в любом есть три общих узла.

Объектив. Это набор линз внутри тубуса. Его задача — собрать расходящийся свет в одну точку на матрице. Качество стекла, количество линз и покрытие влияют на резкость, контраст и блики.

Затвор. Заслонка, которая открывается на нужное время. В зеркалках он чаще механический - шторки из тонкого металла или углепластика раздвигаются и сдвигаются. В беззеркалках всё чаще используют электронный затвор - матрица просто включается на нужную долю секунды, а потом отключается. Бесшумно.

Процессор. Он берет сырые сигналы с матрицы, применяет к ним настройки, сжимает и записывает на карту памяти. Современные процессоры работают с глубиной 14 или 16 бит на канал. Это значит, что для каждого цвета (красного, зеленого и синего) записывается число от 0 до 16383 или до 65535. В сумме получается до 68 миллиардов оттенков. В JPEG, который мы видим на экранах, остается всего 256 оттенков на канал. Поэтому профессионалы снимают в RAW - это сырой файл, который потом можно тянуть в редакторе, вытаскивая детали из теней и пересветов.

Кому что подходит

Зеркальные фотоаппараты обычно выбирают те, кому важна живая картинка в видоискателе и долгая жизнь батареи. Им нравится предсказуемость механики и обилие старой оптики на вторичном рынке. Камеры тяжелее, громче, но за годы работы фотографы привыкли к их характеру.

Беззеркальные берут ради компактности, бесшумной съемки и возможности видеть итоговый кадр до нажатия на кнопку. У них выше скорость серийной съемки и точнее фокусировка по глазам. Но за комфорт приходится платить более частой зарядкой и более высокой ценой.

Простая техника с маленькой матрицей и пластиковым объективом продается в больших магазинах. У нее нет ни того, ни другого - ни зеркала, ни дорогого процессора. Но она тоже работает, и для миллионов людей этого достаточно: нажать, увидеть, улыбнуться, забыть. Каждому своё.

Автор: Мария Морякова, МГУ имени М.В. Ломоносова