Устройство фотоаппарата: как устроена камера и как она снимает

Слово «камера» по-латыни значит «комната», и оно не случайно. Самый простой фотоаппарат — тёмная комната или коробка с маленьким отверстием в стенке: лучи света проходят через отверстие и рисуют на противоположной стенке перевёрнутое изображение улицы. Современный фотоаппарат отличается тем, что вместо крошечного отверстия у него линзы, которые собирают гораздо больше света и рисуют резкую картинку, а вместо стенки — датчик, превращающий свет в цифры. Ниже — из каких частей состоит камера, что происходит за долю секунды при нажатии на кнопку, как три настройки меняют снимок и чем зеркальный фотоаппарат отличается от беззеркального и от камеры в телефоне.

Из чего состоит фотоаппарат

Пройдём по пути света: от предмета к готовому файлу.

Часть	Что делает
Объектив	Набор линз в оправе: собирает лучи и строит на матрице резкое изображение
Кольцо фокусировки и мотор автофокуса	Двигают линзы, чтобы навести резкость на нужное расстояние
Диафрагма	Кольцо из тонких лепестков: меняет размер отверстия, через которое идёт свет
Затвор	Заслонка перед матрицей: открывается на выбранное время и пропускает свет
Матрица	Пластинка из миллионов светочувствительных ячеек; превращает свет в электрический сигнал
Светофильтр Байера	Мозаика красных, зелёных и синих фильтров над ячейками: даёт цвет
Процессор изображения	Собирает цветной снимок из сигналов, убирает шум, сжимает в файл
Видоискатель или экран	Показывает, что попадёт в кадр
Карта памяти	Хранит готовые снимки
Аккумулятор	Питает электронику, моторы и экран

Как камера делает снимок

1. Свет входит в объектив. Лучи от предмета проходят через группы линз, которые их преломляют.
2. Автофокус наводит резкость. Датчики оценивают контраст или разность фаз, мотор сдвигает линзы, пока предмет не станет чётким.
3. Диафрагма закрывается до заданного значения. Лепестки сжимаются, оставляя отверстие нужного диаметра.
4. Нажимается кнопка. Затвор открывается, свет падает на матрицу.
5. Матрица накапливает заряд. В каждой ячейке свет выбивает электроны из кремния: чем ярче свет, тем больше заряд.
6. Затвор закрывается. Время, пока он был открыт, называют выдержкой.
7. Электроника считывает заряды. Каждой ячейке соответствует пиксель. Ячейка знает только яркость, а цвет даёт светофильтр Байера: над каждой ячейкой стоит красный, зелёный или синий фильтр, причём зелёных вдвое больше, потому что глаз к зелёному чувствительнее.
8. Процессор собирает изображение. По соседним ячейкам он вычисляет цвет каждого пикселя, убирает шум и записывает файл на карту памяти.

Изображение на матрице получается перевёрнутым, как и на сетчатке нашего глаза, а камера сама разворачивает его. Про то, как видит глаз, можно прочитать в статье про строение глаза, а про линзы, увеличивающие мелкое, — в статье об устройстве микроскопа.

Фокусное расстояние: что написано на объективе

На оправе объектива стоят цифры, например «24–70 mm 1:2.8». Первая пара — фокусное расстояние в миллиметрах, то есть насколько «крупно» объектив видит мир. Короткое (около 24 мм и меньше) — широкоугольный объектив: в кадр помещается много, перспектива растягивается, его берут для пейзажей и интерьеров. Длинное (100 мм и больше) — телеобъектив: он приближает далёкое и сжимает перспективу, его берут для портретов, спорта и птиц. Около 50 мм на полнокадровой матрице даёт картинку, близкую к взгляду человека. Диапазон вроде 24–70 значит, что объектив зумовый и умеет менять фокусное расстояние, а объектив с одним значением называют фиксом. Последняя цифра, 2.8, — самая открытая диафрагма: чем она меньше, тем больше света и тем дороже стекло.

Три настройки: выдержка, диафрагма, ISO

Количество света на матрице задают три параметра. Их называют экспозиционным треугольником: меняя один, нужно менять другие.

Параметр	Что меняет	Побочный эффект
Выдержка	Сколько времени затвор открыт: 1/1000 с останавливает движение, 1 с размывает	Долгая выдержка размывает движущееся и требует штатива
Диафрагма (число f)	Размер отверстия: f/2 пропускает больше света, чем f/8	Открытая диафрагма делает фон размытым, закрытая делает чётким и дальнее, и ближнее
ISO	Усиление сигнала матрицы	Высокое ISO даёт шум

Пример: вечером света мало. Можно открыть диафрагму пошире, но фон размоется; можно увеличить выдержку, но движущийся ребёнок получится смазанным; можно поднять ISO, но появится шум. Фотограф выбирает, чем пожертвовать.

Зеркальный и беззеркальный фотоаппарат

Зеркальный устроен так: свет идёт через объектив, отражается зеркалом вверх, в пентапризму и в оптический видоискатель, и глаз видит настоящее изображение. Когда вы жмёте кнопку, зеркало откидывается, затвор открывается, кадр записывается. Поэтому слышен характерный «шлёп». Зато видоискатель работает без задержек и не расходует энергию.

Беззеркальный обходится без зеркала: затвор открыт, матрица постоянно получает свет и передаёт картинку на экран или в электронный видоискатель. Камера получается компактнее и тише, а электронный видоискатель показывает, какой будет снимок с выбранными настройками. Расплата — расход аккумулятора: включённая матрица и экран потребляют энергию.

Компакт и «мыльница» отличаются от обоих тем, что объектив у них несменный, а матрица маленькая.

Камера в телефоне

В смартфоне те же части, только в микроскопическом размере: линзы из пластика, матрица размером с ноготь, вместо затвора часто электронное считывание. Маленькая матрица собирает мало света, поэтому шум в сумерках и тусклые снимки при слабом свете — её главные ограничения. Производители обходят их программой: телефон снимает несколько кадров подряд, склеивает их, убирает шум, выравнивает яркие и тёмные участки. Размытый фон в портретном режиме тоже часто нарисован процессором, а не диафрагмой. Несколько объективов в телефоне — это разные фокусные расстояния: обычный, широкоугольный, телеобъектив. Поэтому два снимка одной сцены на разные телефоны могут заметно отличаться, хотя физика у них одна: различается то, как программа решает, что оставить, а что подправить. Устройство телефона целиком разобрано в статье об устройстве смартфона, а как выбрать модель — в статье про выбор смартфона.

Интересные факты

• Почему размер матрицы важен. Большая матрица собирает больше света, поэтому меньше шумит, лучше снимает в сумерках и умеет размывать фон. Мегапиксели тут второстепенны.
• Почему у фотографов «стекло» дороже камеры. Хорошие линзы стоят дорого, а служат десятилетиями. Матрицы устаревают быстрее.
• Почему фон размывается сильнее, если подойти ближе. Глубина резкости зависит и от расстояния до предмета: чем ближе вы наводите резкость, тем тоньше полоска чёткости. Макросъёмка поэтому даёт крошечную резкую зону, где всё остальное расплывается.
• Почему объектив «дышит» и меняет картинку при наводке. При фокусировке линзы сдвигаются, и у многих объективов заметно меняется угол обзора. Для видео такие объективы менее удобны, и там ценят те, у которых этот эффект подавлен.
• Почему при вспышке глаза на снимке красные. Свет вспышки проходит в глаз, отражается от сосудистой оболочки на дне и возвращается в объектив, если вспышка стоит близко к нему.

Почему фотоаппарат ломается и на что смотреть

• Пятна на всех снимках в одном месте. Пыль на матрице; её чистят в сервисе, самому лучше не лезть.
• Нечёткие снимки при исправном автофокусе. Сбита юстировка или объектив ударили, линзы сместились.
• Ошибка затвора. У затвора конечный ресурс срабатываний, у любительских камер он исчисляется сотнями тысяч кадров.
• Плесень в объективе. Она появляется от влажности при длительном хранении в закрытом чехле. Хранить нужно в сухом месте.
• Не включается или быстро садится. Изношен аккумулятор, окислены контакты, при попадании воды камеру нужно нести в сервис немедленно и не включать.

Уход за камерой несложен и сводится к нескольким правилам. Матрицу и линзы руками не трогают, объективы меняют в чистом месте, а камеру после холода сначала дают согреться в чехле, чтобы не запотели линзы.