Подробно про объектив и матрицу цифрового фотоаппарата

К основным компонентам цифровой фотокамеры относят объектив, светочувствительную матрицу, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), систему управления камерой, элементы питания и флэш-карту. Существуют также различные дополнительные устройства, которые могут поставляться с камерой, а могут быть приобретены отдельно.

Линзы и объектив
Объектив - немаловажный компонент, который часто недооценивают. Тем не менее именно объектив отвечает за формирование изображения, и никакая повышенная чувствительность матрицы не сможет компенсировать неправильно сформированное изображение.
Отдельным элементом объектива является линза. Линзы производятся из стекла, но в недорогих камерах, как правило, используют линзы из пластика. Естественно, это хуже, потому что диапазон света, пропускаемого пластиковой линзой, меньше, чем у стеклянной.
Линзы объединяются в группы по несколько элементов в каждой. Обычно в объективе смонтировано не меньше трех линз. В сложных объективах может быть до 10-15 элементов в трех-четырех группах. Увеличение количества элементов позволяет компенсировать искажения, вносимые объективом, т.е. как правило, чем сложнее объектив, тем более качественное изображение он формирует.
Искажения, привносимые объективом, называются аберрацией. Аберрация может быть геометрической, например бочкообразные и подушкообразные искажения изображения, а может быть хроматической, т.е. искажением цветопередачи. К таким искажениям относится синяя или пурпурная кайма на границе сильно контрастных областей изображения. Данные дефекты иногда наблюдаются в дешевых камерах.
Геометрическая аберрация возникает из-за искажения направления движения света при проходе через линзы. Свет частично поглощается материалом линз, частично рассеивается, частично преломляется. Все это влияет на количество и качество света, проходящего через объектив и попадающего на матрицу.
Хроматическая аберрация вызвана тем, что волны разной длины с различной скоростью проходят через стекло: одни быстрее, другие - медленнее. В результате происходит разложение света по спектру. Этот эффект всем знаком на примере прохождения света через призму. Как раз для компенсации хроматической аберрации используют множество линз в объективах. Теоретически, чем больше линз, тем лучше они компенсируют хроматическую аберрацию. Но на самом деле при увеличении их количества возникает множество потерь, связанных с поглощением, рассеянием и искажением. К тому же такая система требует тщательной сборки объектива и точности изготовления линз, что приводит к существенному увеличению цены.
Объективы ничем не различаются у пленочных и цифровых фотокамер, кроме электронной системы управления. Принципы работы со светом никак не зависят от метода фиксирования изображения. Основными характеристиками объективов являются фокусное расстояние, апертура, выдержка, чувствительность и светосила.

Фокусное расстояние
Этот термин многим знаком еще со школы. Под фокусным расстоянием объектива понимается расстояние, измеряемое в миллиметрах, от линзы до фокальной плоскости объектива. Фокальная плоскость параллельна плоскости линзы и проходит через ее фокус. Фокус - точка, в которой собираются лучи, проходящие через линзу (для выпуклой, собирающей линзы). В фотоаппарате в фокальной плоскости располагается либо пленка, либо матрица. Таким образом, объектив собирает свет и фокусирует его на светочувствительную поверхность. От фокусного расстояния прямо зависит коэффициент увеличения линзы (или объектива). Чем больше фокусное расстояние, тем больше увеличение объектива и тем меньше угол зрения.
В зависимости от фокусного расстояния объективы бывают широкоугольными или длиннофокусными. Широкоугольные объективы зрительно отдаляют объект, делают его меньше, но угол охвата изображения у них больше, поэтому они и называются широкоугольными. Длиннофокусные объективы приближают объект и сужают поле зрения.

Фокусировка в камере зависит от размера светочувствительного элемента. Для традиционных камер этот размер соответствует ширине пленки - 35 мм. Теперь размеры матриц не только меньше, но еще и различны для разных камер. Поэтому параметры фокусного расстояния объектива цифровой камеры часто приводятся относительно стандартных 35 мм. Это позволяет сравнивать различные объективы по фокусному расстоянию, не принимая во внимание размеры матрицы, а также позволяет однозначно определить следующее:
• Объектив с фокусным расстоянием 50 мм примерно соответствует нормальному углу зрения человека и подходит для съемок средних планов, например па улице.
• Фокусное расстояние 90-130 мм подходит для портретной съемки. Снимать ими можно с достаточно большого расстояния, и из-за небольшой глубины резкости они «скрадывают» мелкие морщины.
• С 200 мм начинаются телеобъективы. Их назначение - съемка на большом расстоянии, например, спортивных состязаний, пугливых птиц и животных. Они имеют сложную оптическую систему с большими линзами для обеспечения минимальных искажений.
• Объективы с 28-35 мм фокусного расстояния называются «средними широкоугольннками» и обеспечивают приемлемые искажения при увеличенном угле зрения. Они подходят для съемки в помещениях с ограниченной свободой перемещения. Часто используются в недорогих камерах.
• При фокусном расстоянии менее 20 мм искажения уже явно заметны. Такие объективы называют «рыбий глаз» из-за кажущегося трехстороннего «охвата» объекта съемки. Используются только как особый художественный прием.

В цифровых камерах обычно используются объективы с переменным фокусным расстоянием, т.е. они могут быть и широкоугольными, и длиннофокусными в зависимости от установленного значения фокусного расстояния. Часто эта возможность называется зум (Zoom - увеличение). Увеличение может быть оптическим и цифровым. Оптическое увеличение достигается возможностями оптики объектива, как раз изменением фокусного расстояния, поэтому оно не приводит к ухудшению качества. Максимальное значение зума легко рассчитать, прочитав на объективе диапазон доступных фокусных расстояний. Например, если на объективе указан диапазон 5,4-16,2 мм, то максимальное увеличение будет 16,2/5,4=3 - трехкратный зум.
Цифровой зум позволяет повысить кратность увеличения, но приводит к ухудшению качества, поэтому не рекомендуется к применению. Точно такое же увеличение вы можете впоследствии сделать на компьютере. Механизмы цифрового зума и увеличения фотографии на компьютере идентичны. В обоих случаях процессор рассчитывает, пиксели каких цветов и в каких местах надо добавить при увеличении изображения. Ухудшение происходит из-за того, что эти пиксели не были восприняты светочувствительной матрицей изначально, т.е. их не было в исходном изображении. А процессор вычисляет их с помощью аппроксимации (вычисление среднего значения), анализируя соседние существующие пиксели.

Апертура и выдержка
Каждый объектив регулирует интенсивность и продолжительность воздействия света на матрицу или пленку. Интенсивность регулируется с помощью ирисовой диафрагмы, которая состоит из тонких металлических лепестков. Эти лепестки могут уменьшать и увеличивать отверстие, через которое проходит свет в объективе, тем самым увеличивая или уменьшая его количество. Степень открытия диафрагмы иногда называется апертурой. В русскоязычной литературе по фотографии используется термин диафрагма. Измеряется диафрагма в единицах отношения фокусного расстояния к диаметру открытия диафрагмы. Соответственно, чем больше икдекс диафрагмы, тем меньше диаметр.
Диафрагма обозначается посредством чисел, которые являются членами некой фиксированной последовательности, например f4, f8, П6 и т.п. В пленочных камерах использовались механические затворы, которые открывали отверстие объектива на определенное время для засветки пленки. При этом длительность облучения пленки светом зависит от времени, в течение которого затвор остается открытым. Это время называется выдержкой. Выдержка измеряется в секундах и долях секунды. Значения выдержки тоже образуют стандартный ряд: 1/500, 1/250, 1/125, 1/60, 1/30, 1/15, 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8 и т.д.
При съемке неподвижных объектов можно использовать большие значения выдержки, а при низкой освещенности объекта выдержка сильно возрастает. Ведь необходимо время, чтобы нужное количество света попало на пленку. И, наоборот, при съемке движущихся объектов или при хорошей освещенности выдержка должна быть маленькой, чтобы успеть заснять объект или чтобы количество попавшего света не было слишком большим. Таким образом, между выдержкой и диафрагмой существует связь. Разберем это на примере и заодно посмотрим, когда автоматическая работа камеры может не дать нужного результата.
Современные камеры имеют встроенные средства измерения для автоматического замера экспозиции и выдержки. Предположим, вы снимаете спортивные состязания и автоматические измерения при этих условиях дали вам диафрагму П6 и выдержку 1/60. Эти параметры пригодны для съемки неподвижных изображений, поэтому выдержка слишком большая. Если же вы собираетесь снимать бегуна с такой выдержкой, то его фотография получится размазанной. За то время, пока затвор будет открыт, бегун переместится, и это движение успеет зарегистрировать ваша камера. Поэтому выдержку надо уменьшить, например, в 2 раза. Уменьшаем ее вручную до 1/125. Но теперь затвор будет открыт очень ненадолго, и света может не хватить для экспонирования пленки. Чтобы избежать этого, надо увеличить отверстие диафрагмы в два раза - до f8. Теперь количество света будет в 2 раза больше. Таким образом вы сможете получить не смазанный снимок спортсмена с правильно подобранной экспозицией.
Хотя мы привели пример для пленочной камеры, для цифрового аппарата выбор правильной экспозиции проводится аналогичным образом.

Чувствительность
Для пленочных фотоаппаратов выпускались пленки с различной чувствительностью. Под этим термином понимается восприимчивость пленки к свету. Более чувствительная пленка воспринимает даже небольшое количество света. Это особенно полезно при плохом освещении. Традиционно чувствительность измеряется в единицах ISO: ISO100, ISO 200, ISO 400, ISO 800. Чем больше число ISO, тем чувствительнее пленка. Большая чувствительность плоха тем, что пленка имеет большую зернистость, которая впоследствии дает шумы на фотографии. К сожалению, этот недостаток имеется не только в пленочных, но и в цифровых камерах. Хотя эти фотоаппараты и не имеют пленки, чувствительность в них существует. Она либо выставляется вручную, либо определяется камерой автоматически. И недостаток сохранился - чем больше чувствительность, тем больше шумов дает матрица.
Параметр чувствительности связан с диафрагмой и выдержкой. Чем больше чувствительность, тем меньше надо света, чтобы проэкспонировать пленку или матрицу, а значит, можно уменьшить диафрагму или выдержку. И наоборот. Если вы хотите уменьшить чувствительность, чтобы сократить шумы матрицы, то увеличьте либо диафрагму, либо выдержку.

Светосила
Под светосилой объектива понимается отношение освещенности на светочувствительной матрице к яркости снимаемого объекта. Чем выше светосила, тем габариты камеры больше и тем выше ее чувствительность. Естественно, камеры с большей светосилой более дорогие. Светосила указывает максимально возможное значение диафрагмы при конкретном значении фокусного расстояния. Если на объективе встретилась вот такая маркировка: 7-21мм /2,0-2,8 диафрагма 2,0-8,0, то это расшифровывается таким образом:
• Объектив имеет переменное фокусное расстояние от 7 до 21 мм.
• При фокусном расстоянии 7 мм он имеет диапазон диафрагм f2-f8, соответственно светосила - 2 (максимально возможное значение диафрагмы).
• При фокусном расстоянии 21 мм он имеет диапазон диафрагм f2,8-f8, светосила-2,8.

Некоторые особенности объективов
Объективы могут иметь резьбу на торце для крепления насадок и фильтров. Некоторые фирмы используют корпуса объективов для размещения различных органов управления камерой. Фирма Sony сделала объектив, меняющий угол наклона в вертикальной плоскости относительно корпуса самой камеры. В профессиональных и дорогих любительсикх камерах есть возможность смены объективов. Для этого корпус камеры имеет отверстие с резьбой, в которое ввинчивается объектив или фиксируется другим способом. Более простые камеры имеют объективы, втягивающиеся в корпус. Это удобно для недорогих камер, которые можно всегда носить с собой и не бояться повредить объектив. Однако стоит отметить, что характеристики таких объективов не высоки.

Матрица и мегапиксели
Разрешение камеры тесно связано со светочувствительной матрицей. Под разрешением понимают максимальное количество пикселей воспринимаемых матрицей. Чем больше разрешение, тем точнее цветопередача. Но с увеличением разрешения растет количество паразитных шумов, возникающих из-за влияния светочувствительных элементов друг на друга. В современных любительских и полупрофессиональных цифровых камерах значение разрешения составляет 7 и более млн. пикселей, или мегапикселей (Мп), а у профессиональных камер разрешение может достигать 16 Мп и более. К разрешению камеры относятся с излишним вниманием. Производители убеждают покупателей, что большое количество мегапикселей несомненное достоинство и дает увеличение качества изображения. На самом деле все не так просто.
По более точному определению, разрешение - это количество мелких деталей, которое может передать снимок. Но если, например, смазать жиром объектив 8-Мп камеры, то количество мелких деталей будет гораздо меньше, чем даже у З-Мп. Мерой определения разрешения служит мира - тест-объект, состоящий из штрихов разной ширины исходящих из одной точки.
Средний глаз человека на фотографии форматом 15x20 см способен различить максимум до 1000 линий по высоте снимка. А чтобы воспроизвести 1000 линий, кадр должен иметь примерно 1500 линий в высоту снимка. И это связано с тем, что вероятность попадания штриха миры на ряд пикселей очень мала. Принято считать, что на отображение 2 штрихов необходимо 3 ряда пикселей. Исходя из этого, можно рассчитать размер кадра и разрешение для различных камер (см. табл.).

Мегапиксели Размер кадра Разрешение по короткой стороне
3 1500x1200 1000
4 1700x2350 1150
5 1900x2600 1300
8 2450x3250 1650

По этой таблице вы можете примерно оценить реальное разрешение своей камеры и понять, какого максимального размера отпечатки вы можете получить с ее помощью.