Принципы работы фотоаппаратов

ТЕМА 3. Принципы работы фотоаппаратов.

Экспози́ция (в фотографии) — произведение освещенности светочувствительной матрицы (фотоплёнки) на время освещения.

Это техническая характеристика каждой светочувствительной матрицы (фотоплёнки).

Экспозиция должна быть такой величины, чтобы позволить фотоматериалу с заданной чувствительностью получить количество света, нужное для сохранения изображения. Чем больше светочувствительность (ISO 50/100/200/400/800/1600/3200) матрицы (фотоплёнки), тем меньшая требуется экспозиция. Экспопара (выдержка и диафрагма) – технический синоним термина экспозиция.

Измерение экспозиции (синонимы «замер экспозиции», «экспозамер») - это получение правильной для данных условий и для данной сцены экспопары.

Экспопара (выдержка и диафрагма в фотографии) вычисляется по результатам экспозамера с учетом эквивалентной чувствительности матрицы (чувствительности фотоплёнки), а иногда и других параметров кадра: контрастности, расстояния до объекта, фокусного расстояния.

Выдержка - время, в течение которого свет от объекта фотографирования воздействует на матрицу (в цифровой фотографии) или светочувствительную эмульсию фотоплёнки (в аналоговой фотографии). В фотографии выдержку отрабатывает затвор.

Освещенность фокальной плоскости (плотность светового потока) регулируется диафрагмой объектива.

Диафра́гма (от греч. διάφραγμα — перегородка) — устройство объектива фотокамеры, позволяющее регулировать относительное отверстие, то есть изменять светосилу объектива — соотношение яркости оптического изображения фотографируемого объекта к яркости самого объекта.

Рекомендуемые материалы

В фотографии стандартные значения диафрагменных чисел: 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; ..., образованы геометрической прогрессией со знаменателем √2, т.е. увеличение диафрагмы на одну ступень (1EV – 1exposure value) равносильно увеличению выдержки в 2 раза или допускает уменьшение светочувствительности ISO в 2 раза.

Численное значение диафрагмы определяет следующие элементы фотографического процесса:

1. экспозиция — с уменьшением отверстия на одну ступень поток света уменьшается вдвое, что требует увеличения вдвое времени выдержки, для сохранения правильной экспозиции;

2. глубина резкости — чем меньше отверстие, тем больше глубина резкости;

3. аберрации — чем меньше отверстие, тем ниже уровень аберраций и выше резкость, но только до определённого предела (обычно 1/8 — 1/11), далее резкость опять падает из-за влияния дифракции;

4. виньетирование — чем меньше отверстие, тем меньше виньетируется фотография.

Различают несколько видов диафрагм: ирисовую, прыгающую, нажимную.

Устройство ирисовой диафрагмы. Обычно состоит из нескольких (от 3 до 20) поворотных серповидных лепестков, приводимых в движение кольцом на оправе объектива или (в большинстве современных объективов) электроприводом, управляемым фотокамерой. При полностью открытой диафрагме лепестки формируют круглое отверстие, при частично закрытой — фигуру, близкую к многоугольнику. Этот «многоугольник» влияет на вид т. н. «боке» в части бликов от не попавших в глубину резкости точечных источников света. Считается, что чем больше лепестков в устройстве диафрагмы, тем более «красивое» получается «боке», на другие параметры «красивости» устройство диафрагмы не влияет.

Все остальные конструктивные особенности диафрагмы повышают удобство, оперативность и точность работы.

Прыгающая диафрагма — особенность устройства диафрагмы и системы управления ею в современных зеркальных фотоаппаратах. До съёмки фотограф рассматривает изображение и производит фокусировку объектива при максимальном относительном отверстии (тем самым достигается максмальное удобство кадрирования и точность фокусировки), при нажатии на спусковую кнопку и перед срабатыванием фотографического затвора диафрагма скачкообразно с помощью пружины закрывается до заданного органами управления или автоматикой диафрагменного числа.

Механические сложности изготовления быстродействующего многолепесткового механизма прыгающей диафрагмы привели к тому, что некоторые объективы с прыгающей диафрагмой имеют намного меньше лепестков, чем их «непрыгающие» и тем более, «дальномерные» родственники.

Нажимная диафрагма — если отверстие диафрагмы изменяется под воздействием спусковой кнопки за счёт усилия её нажатия, без дополнительной пружины, такая диафрагма называется «нажимной». В остальном принцип её действия и применение идентичны прыгающей.

Репетир диафрагмы — орган управления фотоаппаратом (кнопка, рычажок), осуществляющий закрытие прыгающей диафрагмы до заданного значения без съёмки. Такое действие требуется для правильной оценки фотографом глубины резкости.

Доводчик диафрагмы, кольцо закрытия диафрагмы — до появления и стандартизации механики прыгающей диафрагмы многие объективы для зеркальных камер снабжались кольцом, позволяющим быстро изменить значение диафрагмы с полностью открытой на заданное кольцом диафрагмы значение. В этом случае отградуированное кольцо обычно называется «кольцом предустановки».

Некоторые объективы  имеют одно кольцо, служащее как для установки значения, так и для «доводки» диафрагмы. В этом случае предустановка осуществляется с нажатием на кольцо в осевом направлении.

Для передачи всего диапазона яркостей снимаемой сцены фотографическим процессом фотографическая широта должна быть больше диапазона сцены. Если это невозможно, экспопару надо выбирать так, чтобы фотографическая широта фотоматериала перекрывала диапазон яркостей сюжетно важной части сцены. Для этого применяют экспокоррекцию - сдвигают экспопару относительно результатов экспозамера, либо производят «точечный замер» нужной части сцены. Экспокоррекция измеряется в единицах EV (англ. exposure value - величина экспозиции). Экспокоррекция предусмотрена у большинства цифровых фотоаппаратов и меняется, как правило, в диапазоне: ±2 EV с шагом 1/3EV.

В современных любительских фотоаппаратах экспозамер и расчет экспопары автоматизированы.

В профессиональных фотоаппаратах автоматика экспозамера отключаема (полностью и частично), либо отсутствует (обычно в студийных камерах).

ГРИП (глубина резко изображаемого пространства, или глубина резкости) в фотографическом деле — расстояние между ближней и дальней границами пространства, измеренное вдоль оптической оси, при нахождении в пределах которого объекты находятся в фокусе (на снимке получаются достаточно резко).

ГРИП — понятие не строго математическое, поскольку плоскость фокусировки всегда одна. Любая точка любой другой плоскости пространства будет отображаться пятном нерезкости. Чем больше диаметр такого пятна, тем нерезче объект. Считается, что если пятно нерезкости меньше 0,1 мм при рассматривании изображения с расстояния 25 см, человеческий глаз воспринимает его как резкое. Если при печати изображение увеличивалось, что обычно и бывает на практике, то при расчётах диаметр пятна нерезкости (0,1 мм) нужно уменьшить во столько раз, во сколько раз изображение увеличивается относительно негатива (или размера матрицы цифрового аппарата).

На глубину резко изображаемого пространства влияет значение установленной диафрагмы, фокусное расстояние объектива, формат плёнки (или размер светочувствительной матрицы) и расстояние до объекта фокусировки (съёмки).

При больших значениях диафрагмы, глубина резкости будет меньше. При одинаковых значениях диафрагмы, глубина резкости будет больше у объектива с меньшим фокусным расстоянием (широкоугольный объектив). Меньший формат плёнки (меньший размер матрицы) даёт большую глубину резкости. И наконец, чем больше расстояние до объекта съёмки, тем больше глубина резкости.

Бала́нс бе́лого цве́та (также кратко называемый баланс белого) — один из параметров метода передачи цветного изображения, определяющий соответствие цветовой гаммы изображения объекта цветовой гамме объекта съёмки.

Обычно употребляется как изменяемая характеристика фотографического процесса, фотоматериала, систем цветной печати и копирования, телевизионных систем и устройств воспроизведения графической информации (например, мониторов).

Человек при любом освещении видит объект белого цвета как белый, потому что необходимую «цветокоррекцию» «автоматически» проводят человеческий глаз и мозг.

Если источник освещения имеет непрерывный спектр тепловой природы, то этому спектру можно поставить в соответствие некоторую температуру, до которой надо нагреть абсолютно чёрное тело, чтобы его излучение имело такой же спектральный состав. Эта температура получила название цветовой температуры. Цветовую температуру измеряют в градусах Кельвина (°К).

Пламя свечи имеет цветовую температуру около 1800 °К, лампы накаливания — 2500 °К, восход солнца — 3800 °К, лампа-вспышка — 5500 °К, голубое безоблачное небо в летний день — 11000 °К и выше.

Корректное определение цветовой температуры по спектру источника для флуоресцентных, многих ртутных и низкотемпературных газоразрядных ламп, люминофорных источников света и большиинства светодиодов дать невозможно, так как значительная доля излучённой энергии приходится на «линейчатую» часть спектра. Так как в природе такое освещение встречается крайне редко, глаз человека не имеет эффективных средств адаптации к таким источникам. Однако и в этих случаях мозг создаёт «ощущение белого цвета» для соответствующих объектов (например, снега или листа белой бумаги). В таких случаях говорят о «псевдобелом» источнике света и определяют его «цветовую температуру» путём визуального сравнения с образцами.

Наиболее сложная ситуация для «баланса белого» — наличие двух и более разных источников с различной цветовой температурой. В этом случае глаз и мозг человека всё равно «увидят» правильные цвета предметов, однако и плёнка, и телекамера, и цифровой фотоаппарат воспроизведут часть предметов как «цветные».

Например, если мы выставили баланс белого в цифровом аппарате на «дневной свет», то часть кадра, освещённая лампами накаливания, будет выглядеть жёлтой, флуоресцентными лампами — зелёной, розовой или фиолетовой (для разных типов ламп), освещённые безоблачным небом тени будут голубыми.

Установка баланса белого в современном (2005—2008 год) аппарате может осуществляться следующими способами:

1. Съёмка в формате RAW позволяет выставлять баланс белого после съёмки на компьютере. В этом случае установка баланса белого на аппарате полезна для правильного показа превью на экране аппарата после съёмки или при работе электронного видоискателя.

2. Во многих цифровых фотоаппаратах фотограф с помощью специальной кнопки или в меню может вручную устанавливать тип освещения кадра — солнце, дневной свет, голубое (тень) и облачное небо, люминесцентная лампа, лампа накаливания с вольфрамовой нитью, фотовспышка и т. д. и камера делает поправку на соответствующую цветовую температуру.

3. Другой ручной режим — цветокоррекция «по белому листу», требует некоторого времени и ухудшает оперативность съемки, но результаты обычно получаются наилучшие. В этом режиме фотограф помещает рядом с объектом съемки лист белой бумаги и, прежде чем начать собственно съемку, калибрует камеру по этому листу.

4. Некоторые «продвинутые» аппараты позволяют задать источник освещения непосредственно в градусах Кельвина — это полезно при студийной съемке, когда цветовая температура осветительных приборов заранее известна из их паспортов или может быть измерена колориметром.

5. Автоматический баланс белого. Логика процессора исходит из предположения, что усреднено кадр нейтрален в цвете, и самые яркие фрагменты кадра имеют нейтрально — белый цвет, а все остальные цвета корректируются относительно них. Для цветокоррекции в цифровой технологии достаточно изменить коэффициенты усиления в нужных цветовых каналах. Мало синего? — повышаем коэффициент усиления синего канала и получаем снимок, как бы сделанный не в свете ламп накаливания, а при дневном освещении. Подобный алгоритм работает хорошо в некотором диапазоне цветовых температур и при тепловом характере спектра освещения. Но в сложных условиях, когда яркий цвет не является белым, кадр имеет искаженную цветопередачу.

Бре́кетинг, или экспозиционная ви́лка — автоматическая съёмка нескольких кадров с разным значением некоего параметра (выдержки, относительного отверстия диафрагмы и т.д.)

Фотографы, даже профессиональные, часто теряют хорошие кадры из-за неудачного подбора параметров съёмки (например, фотография получается недодержанной или передержанной). С появлением цифровой фотографии эта проблема усугубилась: фотографическая широта матрицы меньше, чем фотоплёнки, и если недо/переэкспонированный плёночный кадр можно «вытянуть» в процессе проявки или фотопечати, то цифровой кадр, скорее всего, получится безнадёжно испорченным.

В некоторых случаях с цифровым фотоаппаратом можно подготовиться к съёмке, сделав несколько пробных снимков, но это не всегда приемлемо (во время уличной или репортажной съёмки, или когда встроенного в фотоаппарат экрана недостаточно, чтобы оценить качество снимков). Здесь помогает режим брекетинга: фотоаппарат автоматически делает три кадра с разными значениями параметров. В дальнейшем фотограф из этих кадров может выбрать наиболее удачный.

Типы брекетинга

1. Брекетинг выдержки: сначала делается кадр с той выдержкой, которую установил фотограф или автоматика, затем с выдержкой на одну ступень меньшей и на одну ступень большей.

2. Брекетинг диафрагмы: сначала делается кадр с установленной диафрагмой, затем с диафрагмой на одну ступень меньшей и на одну ступень большей.

3. Брекетинг фокусировки: варьируется расстояние, на которое фокусируется объектив. Особенно помогает в макросъёмке, когда глубина резкости мала по сравнению с размерами изображаемых объектов.

4. Брекетинг баланса белого: варьируется баланс белого; один снимок делается таким, каким его установил фотограф или автоматика, остальные два делают снимок «более жёлтым» и «более синим». Для фотоаппаратов, не умеющих снимать в RAW.

5. Фотографирование объекта со вспышкой и без неё.

Режимы работы фотоаппарата

Режимы базовой зоны

1. Портрет. В данном режиме размывается фон, что позволяет выделить фотографируемого.

2. Пейзаж. Режим предназначен для съёмки широких перспектив, ночных сцен и т. д.

3. Крупный план.

4. Спорт. Режим предназначен для съёмки быстродвижущихся объектов, если вы хотите заморозить движение.

5. Ночной портрет. Режим предназначен для съёмки людей в сумерки и ночью. Вспышка освещает фотографируемый объект, при этом за счёт синхронизации вспышки при длительной выдержке обеспечивается требуемая экспозиция фона, что придаёт ему естественный вид на фотографии.

6.  Вспышка выключена.

Режимы творческой зоны.

1. Полностью автоматический режим. Необходимо лишь направить фотоаппарат на объект и нажать кнопку спуска затвора.

2. Программная автоэкспозиция. Подобно полностью автоматическому режиму данный режим съёмки является режимом общего назначения. Выдержка затвора и величина диафрагмы устанавливается камерой автоматически в соответствии с яркостью объекта (программная автоэкспозиция). В данном режиме в отличие от полностью автоматического можно настраивать некоторые пользовательские функции (например, установка чувствительности, выбор параметров записи изображения и пр.).

3. Режим автоматической установки экспозиции с приоритетом выдержки. В этом режиме пользователь устанавливает выдержку затвора, а камера в соответствии с яркостью объекта устанавливает величину диафрагмы (автоэкспозиция с приоритетом выдержки). С помощью короткой выдержки можно «заморозить» движение быстродвижущегося объекта. Использование длительной выдержки позволяет размыть объект и создать впечатление движения.

4.  Режим автоматической установки экспозиции с приоритетом диафрагмы. В этом режиме пользователь устанавливает величину диафрагмы, а камера в соответствии с яркостью объекта устанавливает выдержку затвора (автоэкспозиция с приоритетом диафрагмы). Большее отверстие диафрагмы (меньшее диафрагменное число) приведёт к размытому фону и наоборот (связано с глубиной резкости).

5. Режим ручной установки экспозиции. В этом режиме пользователь вручную устанавливает требуемые выдержку затвора и величину диафрагмы.

6. Автоматическая установка экспозиции с контролем глубины резкости. Этот режим предназначен для автоматического получения большей глубины резкости между ближним и удалённым объектом.

Фотовспышка (импульсный источник искусственного света)

Источником света в фотовспышке является импульсная газоразрядная лампа. Основными параметрами фотовспышек являются: ведущее число, электрическая энергия вспышки, угол рассеивания светового потока, продолжительность импульса.

Ведущее число (Guide Number (GN)) - основная характеристика вспышки. Ведущее число является постоянной величиной для не зуммированной вспышки и выражается формулой:

GN = расстояние до объекта в метрах * апертура

Обычно в описании вспышек ведущее число должно даваться для фокусного расстояния 50мм (но некоторые фирмы, продавая зуммируемые вспышки дают GN для F=80мм и более, что является рекламным трюком, ведь в этом случае GN значительно больше.) об этом надо помнить и не обольщаться большими цифрами GN при неуказанном фокусном расстоянии. Так же следует помнить, что в некоторых странах расстояние измеряется в футах и соответственно GN будет приблизительно в 3,3 раза больше.

max. GN : 40 (при ISO 100)

пересчитываем для ISO 400:= ~1.4 * ~1.4 =2 -> GN = 2 * 40 = 80

выбираем апертуру: например, 5.6

max. расстояние до объекта = 80 / 5.6 = ~14.2 meters

Световая энергия вспышки определяется произведением светового потока вспышки на ее длительность и косвенно может быть выражена электрической энергией заряженного конденсатора.

Одним из основных свойств современной фотовспышки является угол рассеивания светового потока (угол освечивания). Угол освечивания отечественных вспышек обычно не определён. Продвинутые современные вспышки оснащены системой зуммирования т.е. изменяемым углом освечивания, который обычно привязан к углу зрения применяемого объектива и косвенно выражается в миллиметрах его фокусного расстояния. Величина угла рассеивания светового потока должна быть больше, чем угол поля зрения объёктива.

Продолжительность импульса. При горении внутреннее сопротивление лампы мало, и поэтому продолжительность импульса незначительна, от десятых долей до единиц миллисекунд. Длительность вспышки - это время, в течение которого световой поток уменьшается до 35% своего максимального значения. В основном зависит от свойств самой лампы и величины ёмкости накопительного конденсатора. Чем мощнее лампа, тем длиннее импульс.

Методы измерения экспозиции при съёмке со вспышкой

1. Простейший метод рассчёта экспозиции. При съёмке «вспышка в лоб» делим ведущее число фотовспышки на расстояние до объекта в метрах - в результате получаем значение апертуры (диафрагмы). Ведущее число даётся для плёнки с чувствительностью ISO 100. Для каждого следующего значения светочувствительности ведущее число умножаем на 1,4 или делим на 1,4 для предыдущего.

2. Измерение экспозиции с помощью флэшметра.

3.  Метод Through The Lens (TTL) измерения экспозиции состоит в измерении света прошедшего через объектив. При нормальном дневном освещении экспозицию можно измерить непосредственно перед съёмкой. При съёмке со вспышкой это абсолютно невозможно потому, что нет постоянного света, который можно замерить (разве что при помощи флешметра измеряющего тестовую вспышку перед съёмкой в студии). При TTL-методе свет от вспышки измеряется одним или более сенсоров установленных внизу за зеркалом и перед шторками затвора. После поднятия зеркала и полного открытия затвора загорается вспышка, свет от которой, пройдя через объектив и отразившись от плёнки, попадает на вспышечный сенсор, который передаёт данные о количестве вспышечного света в компьютер. Компьютер камеры подсчитывает количество поступившего света и гасит вспышку, когда считает, что для правильного экспонирования света достаточно.

Виды синхронизаци фотокамеры и фотовспышки

1. Стандартная синхронизация. При стандартной синхронизации вспышка происходит в момент, когда кадровое окно полностью открыто. Напомним, что большинство зеркальных камер снабжено шторно-щелевым затвором. Это означает, что полностью кадровое окно открывается только при достаточно длинных выдержках (в случае Nikon F100, F90X до 1/250 с, для F5 до 1/300 с, Canon 350D, 400D до 1/200, Зенит АПК 1/125, механические Зениты 1/30) при более коротких выдержках перед плоскостью плёнки пробегает щель той или иной величины. При этом проэкспонирована вспышечным светом будет только часть кадра.

2. Высокоскоростная синхронизация (FP flash). Иногда случается, что нужно сфотографировать объект при полностью открытой диафрагме, например для создания размытого заднего фона, а высокочувствительная плёнка в аппарате требует прикрытой диафрагмы. Выход из этой ситуации предлагает высокоскоростная (с выдержкой для Nikon - F100, F90X до 1/4000 с) синхронизация со вспышкой. При выдержках короче 1/250 с кадровое окно не открывается полностью, а вдоль него пробегает щель определённой ширины. Используя режим стандартной синхронизации (теоретически) на практике автоматика камеры не позволяет установить выдержку короче 1/250 с в режиме стандартной синхронизации мы получили бы только небольшую часть кадра (полоску) проэкспонированную вспышечным светом. В режиме высокоскоростной синхронизации генерируется серия часто повторяющихся вспышек с (естественно уменьшенной) световой энергией каждой из вспышек серии. Таким образом, создаётся видимость, что вспышка горит всё время прохождения щели затвора по высоте кадра и в результате мы получаем нормально экспонированный по всей площади кадр.

3. Синхронизация по первой шторке. При синхронизации по первой шторке вспышка происходит сразу после открывания первой шторки, а остальное время (до закрывания второй шторки) экспонирование происходит имеющимся светом сцены. На снимке, перед движущимся предметом при этом образуется световой след его дальнейшего движения т.е. после срабатывания вспышки.

4. Синхронизация по второй шторке. Этот режим зажигает вспышку в самом конце экспонирования перед началом движения второй шторки, вместо стандартного срабатывания в начале экспонирования. Особенно эффективен метод на длинных выдержках. Результатом является след движения объекта съемки за хорошо освещенным и резким изображением самого объекта. При стандартном способе синхронизации, т.е. по первой шторке, этот след был бы впереди движущегося объекта.

5. Медленная синхронизация автоматически увеличивает выдержку, делая возможным экспонирование деталей заднего плана.

Фильтры и аксессуары (фотопринадлежности).

Принадлежности к фотоаппаратам предназначены для расширения возможностей фотокамер, большего удобства в пользовании, а также для получения различных эффектов.

1. Светофильтры предназначены для изменения светового потока, проходящего через объектив. Существуют следующие виды:

а) светофильтры для чёрно-белой фотографии. Бывают жёлтые, жёлто-зелёные, оранжевые, красные, голубые. Эти фильтры способны свет одного цвета пропускать, а другого задерживать, что позволяет одни тона на изображении притуплять, а другие соответственно делать более яркими. Каждый светофильтр имеет своё название, кратность и диаметр резьбы. Пример: ЖЗ2*52х0,75. Это означает – фильтр желто-зелёный, двукратный, диаметр резьбы 52 мм с шагом 0,75. Кратность фильтра определяет величину создаваемого эффекта, а также величину уменьшения светового потока, попадающего в объектив через светофильтр;

б) светофильтры для цветной фотографии:

· конверсионные фильтры предназначены для приведения в соответствие цветовой температуры источника света с цветовой температурой фотоматериала (для плёночной фотографии);

· компенсационные фильтры предназначены для выделения отдельных цветов на цветном изображении;

· цветоразделительные фильтры. На таком фильтре имеется два цвета: сверху один, снизу другой, что позволяет верх фотографии дополнительно окрасить одним цветом, а низ – другим;

· нейтрально-серый светофильтры предназначены для уменьшения величины светового потока, проходящего через объектив;

· поляризационные светофильтры предназначены для уменьшения бликов на бликующих поверхностях;

· эффектные светофильтры предназначены для достижения различных эффектов. К ним относят диффузионные (смягчающие), звёздные, мультипризмы и пр.

2. Фототросик или устройство дистанционного управления камерой. Предназначен для управления затвором на некотором расстоянии для того, чтобы колебания руки не передавались на фотоаппарат. Применяется при съёмке со штатива на больших выдержках.

Часть 10 - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

3. Фотоштативы, фотострубцины, моноподы штативные головки предназначены для жесткого крепления фотоаппарата во время съёмки. Применяются, как правило, на тех выдержках работа с которыми может вызвать колебание фотоаппарата. Достаточно часто такие устройства используют при любой павильонной съёмке.

4. Фотобленды.

5. Флешметры и экспонометры.

6. Блоки питания.

7. Ремни.

8. Фотосумки и фоторюкзаки и пр.