Техника цветной фотографии

Техника цветной фотографии

Фотографией в физике называют процесс создания и сохранения изображения неподвижных объектов в фотокамере.

Изображение в фотоаппаратах создаётся с помощью света, излучаемого объектом или отражаемого от него. Пройдя через объектив, поток света фиксируется на светочувствительной плёнке или матрице.

История оптической фотографии

Техника цветной фотографии

Камера-обскура

Самым простым оптическим устройством, с помощью которого создали изображение неподвижного предмета, была камера-обскура. Она представляла собой ящик из светонепроницаемого материала, в одной из стенок которого проделано круглое отверстие небольшого диаметра, а на противоположной стороне установлен экран из прозрачного стекла или тонкой белой бумаги. Проходя через отверстие, световые лучи проецировали на экран перевёрнутое изображение. Чтобы его зафиксировать, контур изображения просто обрисовывали и таким образом получали точную его копию. Такой камерой пользовались и некоторые художники для зарисовок с натуры.

Когда была изобретена камера-обскура, точно неизвестно, но первые упоминания о таком способе создания изображений относятся ещё к V веку до н.э.

В середине XVI века в отверстие камеры вставили стеклянную линзу и получили первый объектив. Это позволило сделать изображение более чётким и ярким. С развитием оптики линзы становились всё более сложными и точными. А когда были изобретены светочувствительные материалы, их стали помещать на место экрана. Так камера-обскура превратилась в фотокамеру.

Как устроен фотоаппарат

Техника цветной фотографии

Фотоаппарат

Главные элементы любого фотоаппарата, или фотокамеры, - светонепроницаемая камера и объектив. С помощью объектива, состоящего из системы линз или зеркал, изображение проецируется на плёнку или матрицу. Диафрагма объектива регулирует диаметр его отверстия, тем самым увеличивая или уменьшая световой поток, проходящий через него. Время воздействия этого потока устанавливается выдержкой. Камера защищает светочувствительный материал от проникновения посторонних световых лучей.

В зависимости от того, каким образом фиксируется изображение, различают плёночную, или аналоговуюфотографию и цифровую фотографию.

В плёночной фотографии изображение получается в аналоговой (непрерывной) форме на светочувствительной фотоплёнке или фотопластинке. При воздействии света или других видов излучения на плёнке создаётся скрытое изображение. Обрабатывая фотоплёнку специальными химическими реактивами, получают видимое изображение.

Цифровая фотография

Техника цветной фотографии

Цифровой фотоаппарат Canon

Аналоговая  фотография в настоящее время почти вытеснена цифровой фотографией.

Цифровое изображение фиксируется совсем по другому принципу. Вместо фотоплёнки в цифровой фотокамере используется светочувствительное устройство, называемое фотосéнсором или фотодатчиком. Оно состоит из матрицы и аналогово-цифрового преобразователя.

Техника цветной фотографии

Матрица цифрового фотоаппарата 

Матрица - основной элемент цифрового фотоаппарата. Её основная задача - преобразовать оптическое изображение, проецируемое на неё, в аналоговый электрический сигнал. Если аналогово-цифровой преобразователь находится в самой матрице, то изображение прямо в ней превращается в поток цифровых данных.

Изображение, которое получается с помощью объектива фотоаппарата, разбивается на кусочки, которые называются пикселями. Чем меньше размер пикселя, тем большее их количество приходится на единицу площади, и тем качественнее изображение.

Каждый пиксель в свою очередь разбивается на субпиксели. Зачем это делается? Дело в том, что матрица составлена из рядов светочувствительных элементов - фотодиодов. На них попадают лучи света от объектива. Но так как фотодиоды одинаково чувствительны ко всем цветам видимого спектра, то матрицу накрывают тончайшим мозаичным фильтром, в котором чередуются 3 цвета: красный, синий и зелёный. Каждый из фотодиодов оказывается накрытым каким-то одним из этих цветов. В результате часть цветовой информации отсекается фильтром, а фотодиод воспринимает лишь один цвет.

Техника цветной фотографии

Мозаичный фильтр

В матрице расположено по 25%  красных и синих фильтров и 50% зелёных.

Техника цветной фотографии

Массив цветных фильтров Байера

Такое расположение называют массивом Байера по имени его автора, сотрудника компании Kodak доктора Брайса Э. Байера, создавшего эту технологию в 1976 г.

Таким образом пиксель делится на 1 красный, 1 синий и 2 зелёных субпикселя.

Каждый фотодиод воспринимает 1/3 часть световой информации. Используя значения соседних трёх ячеек, с помощью специальных сложных алгоритмов процессор цифровой камеры создаёт реальные пиксели.

Вот как получается изображение в цифровой камере.

Техника цветной фотографии

Оригинальное изображение

Техника цветной фотографии

Фильтр Байера

Техника цветной фотографии

Красная составлющая изображения

Техника цветной фотографии

Зелёная составляющая фильтра

Техника цветной фотографии

Синяя составляющая фильтра

Техника цветной фотографии

Прекция изображения на блок пикселей

Техника цветной фотографии

Окончательное изображение

Кроме матрицы Байера существуют и другие типы матриц. Например, фирма Sigma использует в фотокамерах матрицу Foveon X3, состоящую из 3 матриц, каждая из которых не пропускает свет определённого спектра.

Техника цветной фотографии

Матрица Foveon X3

Каким же образом энергия светового излучения превращается в электрический сигнал?

Чтобы энергия фотона, прошедшего через объектив и попавшего на поверхность матрицы, превратилась в электрический заряд, нужно чтобы возник внутренний фотоэффект. То есть фотон, задержавшийся в матрице и столкнувшийся с атомом кристаллической решётки полупроводника, должен образовать пару «электрон-дырка», или только электрон или только дырку, если он взаимодействовал с атомом примеси. Но и это ещё не всё. Образовавшиеся заряды необходимо сохранить, что и делается в специальном кармане.

Чем ярче свет, тем больше фотонов, и тем большее количество электронов генерируется. Далее фототок считывается, усиливается и передаётся к процессору.

Матрица применяется не только в цифровом фотоаппарате. Ими оснащены видеокамеры, телевизионные камеры, камеры видеонаблюдения, фотокамеры, встроенные в мобильные телефоны, сканеры штрих-кодов и компьютерные мыши.