1.1. Хронология развития фотографической камеры
Получение изображения ведет свое начало с камеры-обскуры, дата рождения которой теряется веках. Тюремные камеры без окон, но с щелями в стенах существовали, вероятно, несколько тысячелетий тому назад, и если расшатать стены и сбежать не удавалось, то оставалось только наблюдать за движением изображения солнца на противоположной стене.
Одна из первых линз в камере-обскуре была установлена Джероламо Кардано (Gerolamo Cardano Cardan, 1506 – 1576) в 1550 году. Современную же историю оптической системы фотоаппарата, вероятно, следует отсчитывать от 1812 года, когда Уильям Хайд Волластон (William Hyde Wollaston, 1766 – 1828) опубликовал сообщение о применении в камере-обскуре положительного мениска – вогнуто-выпуклой линзы. Или с 1816 года, когда Жозеф Нисефор Ньепс (Joseph Nicephore Niepse, 1765 – 1833) применил камеру ящичного типа с простой сферической линзой и ирисовой диафрагмой. Все дальнейшие события, связанные с развитием оптической системы, имеют непосредственное отношение ко всем современным системам регистрации изображения.
В 1818 году, занимаясь реорганизацией маяков, Огюстен Жан Френель (Augustin-Jean Fresnel, 1788 – 1827) предложил принципиально новый способ маячного освещения, использующий линзу, состоящую из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля. Сегодня без линзы Френеля не обходится почти ни одна вспышка, а без нее трудно представить современный фотоаппарат. Родственные конструкции последнее время используются и в некоторых фотографических объективах.
В 1824 году Йозеф Фраунгофер (Joseph Fraunhofer, 1787 – 1826) изготовляет ахроматический телескоп-рефрактор "Большой Фраунгофер".
В 1828 году ахроматические линзы (склейка из двух линз) были использованы в ландшафтном объективе Шарлем Шевалье (Charles Chevalier, 1804 – 1859).
В 1840 году выпущена фотокамера конструкции Пьера-Армана Сегье (Pierre-Armand Seguier, 1803 – 1876) с кожаным приспособлением для наводки на фокус (масса камеры - 14 кг)
В 1840 году Йозеф Петцваль (Jozeph Miksa (Max) Petzval, 1807 – 1891) разработал свой портретный объектив, который представлял собой комбинацию из пары двойных ахроматических линз, его относительное отверстие достигало 1:3,7, поле зрения 12°.
В 1841 году один из братьев Годен (Gaudin) выпустил камеру, оснащенную линзой с малым фокусным расстоянием.
В 1841 году Фойхтлендер (Peter Wilhelm Friedrich of Voigtlaender, 1812 – 1878) сконструировал конусообразную металлическую камеру для дагерротипии, снабженную портретным объективом Петцваля и укрепленную на переносном штативе (выдержка на солнечном свету - около 1 мин.)
В 1843 году Иозеф Пухбергер (Joseph Puchberger) запатентовал панорамную камеру с вращающимся объективом с ручным приводом, в котором использовались изогнутые дагерротипные пластинки длиной от 19 до 24 дюймов. Камера имела объектив с фокусным расстоянием 8 дюймов и создавала картинку с углом охвата 150 градусов.
В 1844 году Фридрих фон Мартенс (Friedrich von Martens, 1809 – 1875), немец, живший в Париже, разработал дагерротипную панорамную камеру для цилиндрически изогнутых пластин размером 4,7 х 15 дюймов, захватывающую поле зрения 150o. В 1845 году он снял дошедшую до наших дней панораму Парижа.
В 1844 году Людвиг Фердинанд Мозер (Ludwig Ferdinand Moser, 1805 – 1880) создал первый стереоскопический фотоаппарат для дагерротипии.
В 1847 году Сергей Львович Левицкий (1819 – 1898) впервые сконструировал камеру с мехами для удобства наводки на фокус.
В 1849 году Дейвид Брюстер (David Brewster, 1781 – 1868) изготовил стереофотоаппарат.
В 1851 году Уильям Генри Фокс Тальбот (William Henry Fox Talbot, 1800 – 1877) предпринял первую успешную попытку использовать электрический разряд лейденской банки для съемки быстродвижущихся объектов. А в следующем 1852 году он получил английский патент на применение растра между негативом и слоем позитивного изображения. Эту дату отметим, как первое упоминание растра в истории фотографии. В сегодняшней цифровой фотографии практически все изображения растровые.
В 1855 году Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell, 1831 – 1879) разработал основы аддитивного синтеза в цветной фотографии. В отличие от работ Беккереля этот метод цветной фотографии называют субъективным, и я его отношу к процессу получения, а не регистрации изображения. Мы получаем три изображения и регистрируем их стандартным образом.
В 1857 году Й.Петцваль и Карл Дитцлер (Carl Dietzler) выпустили первый объектив для ландшафтных съемок – ортоскоп.
В 1861 году Максвелл первый экспериментально доказал возможность передачи натуральных цветов путём аддитивного сложения трёх частичных изображений - красного, зелёного и синего.
В 1862 году Луи Дюко дю Орон (Louis Ducos du Hauron, 1837 – 1920) создал основы субтрактивного метода цветной фотографии.
В 1866 году Адольф Гуго Штейнгель (Steinhell) рассчитал универсальный апланат - симметричный объектив из двух ахроматических линз. Объектив выпускался на заводе его отца Карла Августа Штейнгеля. Формулы для расчета апланата были предложены Зейделем (Philipp Ludwig von Seidel, 1821 – 1896).
В 1868 году Л. Дюко дю Орон получил патент на изготовление снимков в натуральных цветах и в 1869 г. представил опытные образцы: он получал частичные негативы через три светофильтра основных цветов, печатал позитивные изображения пигментным способом в дополнительных цветах и, совмещая, получал многоцветное изображение.
В 1869 году Шарль Кро (Charles Cros, 1842 – 1888) опубликовал аналогичный способ цветной фотографии, разработанный им независимо от Дюко дю Орона. Описание он представил во Французскую Академию наук ещё в 1867 г.
Таким образом, хотя начало субъективной цветной фотографии (воспроизведение не цвета, а световых ощущений) можно отсчитывать и с 1855 года с работ Максвелла, но практическое воплощение она получила только к 1868 году, причем идея созрела и была независимо реализована как Дюко дю Ороном, так и Кро. Так что датой рождения субъективной цветной фотографии все же стоит считать именно 1868 год. Вопрос приоритета на самом деле не очень существенен и трудно разрешим, так как в случае научной публикации рассматривают дату публикации, а в случае патента – дату не публикации, а подачи заявки. Объективная цветная фотография зародилась существенно раньше, в 1847 году, но практической реализации этой идеи еще придется ждать до 1891 года. Реализация этого метода потребовала существенно больше времени, чем субъективная цветная фотография.
В восьмидесятых годах IXX века, немецкий химик Фридрих Отто Шотт (Friedrich Otto Schott, 1851 – 1935) освоил производство "нового йенского стекла" (баритовый крон, баритовый флинт, тяжелый крон), что существенно расширило возможности разработчиков объективов, и результаты не заставили себя ждать. В 1891 году по схеме, предложенной Паулем Рудольфом (Paul Rudolph, 1858 – 1935), фирмой Цейс был выпущен объектив Протар (Protar), в 1896 году – Планар (Planar) и в 1902 году – Тессар (Tessar). Трехлинзовый анастигмат типа "триплет", разработан в 1893 г. в Англии Тейлором (Harold Dennis Taylor, 1862 – 1943) для фирмы Кук (Cooke of York).
В 1882 году С.A. Юрковский (? – 1901) изобрел моментальный затвор, а в 1883 году - затвор при пластинке (шторно-щелевой).
В 1886 – 1887 годах Вячеслав Измайлович Срезневский (1849 – 1937) создал фотоаппарат для воздушного фотографирования, съемки под водой и регистрации солнечных затмений.
В 1888 – 1889 годах Джордж Истмен (George Eastman, 1854 – 1932) разработал и выпустил камеру ящичного типа (бокс-камеру) с роликовой сенсибилизированной бумагой на 100 снимков. Это, конечно, больше относится к серебряной фотографии, однако это событие сродни изобретению пулемета: стала доступна относительно скоростная съемка, а скорострельность сегодня - одна из основных характеристик репортерского цифрового аппарата.
В 1892 году Макдоноу (Mcdonough) получил американский патент на четырёхцветный растр из окрашенных зёрен шеллака на целлулоидной подложке для аддитивной цветной фотографии.
В 1893 году Шоффур (Chauffour) разработал магниевую лампу-вспышку с электрическим поджогом, которая представляла собой стеклянный шар с магниевой проволокой, наполненный кислородом. Она использовалась Луи Бутаном (Louis Boutan) для подводной фотографии.
В 1894 году Джон Джоли (John Joly, 1857 – 1933) предложил трёхцветный растр в виде окрашенных линий, нанесённых на стеклянную пластинку, и описал способ получения диапозитива в натуральных цветах, напечатанного с негатива при съёмке через растр и рассматриваемого через тот же растр.
В 1897 году Дюко дю Орон предложил способ "трипак" в виде комбинации трёх слоёв с двумя промежуточными светофильтрами, который применяли для аддитивной цветной проекции.
В 1899 году И.Поляков взял патент на фотокамеру с автоматическим регулированием выдержки.
В 1900 году Истмен выпустил в продажу панорамную пленочную камеру с вращающимся объективом и щелевым затвором, позволявшим производить моментальные снимки.
В 1904 году А.А.Поповицкий взял патент на зеркальные объективы и фотокамеру с отражательным зеркалом.
В 1907 году братья Люмьер (Jean-Louis Lumiere, 1864 – 1948; Auguste Lumiere, 1862 – 1954) выпустили пластинки "Автохром" с трёхцветным растром из крахмальных спрессованных зерен, находящихся под эмульсионным панхроматическим слоем. Это событие относится в равной мере как к получению трех составляющих цветного изображения, так и к его регистрации, что уже является предметом истории другого процесса.
В 1913 году фабрика Педжет выпустила в продажу специальный трёхцветный растр, который прижимался к диапозитиву, напечатанному с негатива, снятого через этот растр.
В 1919 году Сергей Михайлович Прокудин-Горский (1863 – 1944) получил английский патент на оптическую систему для получения одним экспонированием трех негативов через соответствующие светофильтры. Можно считать, что это прямой предок современной трехматричной системы, активно использующийся в видеокамерах и отдельных фотокамерах.
В 1923 году фирма "Агфа" начала выпуск пластинок "Агфаколор" с трехцветным мозаичным растром.
В 1924 году фирма "Лейтц" начала производство 35мм малоформатных фотоаппаратов.
В 1924 году фирма лондонская фирма Бек (Beck of London) изготовила объектив, известный под названием Hill Sky Lens и предназначенный для съемки одним кадром всей небесной полусферы в метеорологии и астрономии. Это был, вероятно, первый объектив Рыбий глаз.
В 1934 году введена немецкая сенситометрическая система ДИН (DIN).
В 1935 году Михаилом Михайловичем Русиновым (1909 – 2004) была предложена система с наружным дисперсионным и внутренними коллективными элементами. Им была создана серия объективов Руссар и Гидроруссар, предназначенных для подводной фотосъемки. На воздухе они имели угол зрения до 120 градусов. Возможно, то, что широкоугольные объективы разрабатывались вначале специально для подводной съемки, и привело к возникновению популярного ныне термина "Рыбий глаз". Вклад Русинова в развитие оптики оценен четырьмя Государственными премиями (1941, 1949, 1950 и 1967) и Ленинской премией (1982) за создание широкоугольных объективов 3,4 и 5 поколения для картографирования. Первая, 1941 года, - за создание объективов Руссар, в которых использовано явление аберрационного виньетирования. А последняя, в 1967 году, – за разработку широкоугольных гидросъемочных объективов.
В 1936 году в Советском Союзе выпущен первый в мире 35мм однообъективный зеркальный фотоаппарат «Спорт» (ГОМЗ), который разработал в 1935 году А.О.Гельгар. В том же году в Германии выпущена зеркальная камера Kine Exacta.
В 1939 году Гарольд Эджертон (Harold Edgerton, 1903 – 1990) изготовил вспышку на основе ксеноновой трубки и разработал метод поджига лампы-вспышки от затвора фотоаппарата.
В 1941 году Дмитрий Дмитриевич Максутов (1896 – 1964) изобрел новую катадиоптрическую систему, т.е. объединяющую преломляющие и отражающие элементы, разработал менисковые системы оптических приборов, состоящие из линзовых и зеркальных оптических элементов. Он стал лауреатом Государственной премии в 1941 и в 1946 годах.
В 1946 Френк Бэк (Frank Gerhard Back, 1902 – 1983) изготовил объектив для 16 мм кинокамеры с переменным фокусным расстоянием 17,5 – 70 мм.
В 1947 году введена американская система АСА, модернизированная в 1960 г.
В 1948 году Френк Бэк запатентовал объектив с изменяемым фокусным расстоянием, и основал компанию по производству панкратических кинообъективов "Zoomar". Изначально звукоподражательное слово "zoom" означало приближающийся или удаляющийся звук, жужжание.
В 1959 году Френк Бэк разработал Voigtlander Zoomar 2,8/36 – 82, - объектив с переменным фокусным расстоянием для 35 мм фотокамер.
В 1958 году Пауль Метц (Paul Metz, 1911 – 1993) выпустил вспышку Mecablitz 100 с транзисторным преобразователем постоянного напряжения. Вспышка стала практически полностью идентичной тем, которые встроены в сегодняшние цифровые аппараты.
В 1976 году выпущена согласованная автоматическая лампа-вспышка (Canon-Speedlite 155А) для фотоаппарата Canon AE-1, которая при установке в обойму функционально связывалась с камерой посредством дополнительных управляющих контактов.
В 1985 году фирма Minolta выпустила автофокусную зеркальную камеру Minolta 7000.
В 1996 году проявилась автофокусная камера Contax AX, позволявшая работать с обычными объективами. В этом аппарате перемещается вся начинка камеры относительно объектива.
В 2000 году фирма Canon анонсировала объектив EF 400 mm f:4 DO IS USM c дифракционными оптическими элементами.
В 2004 году фирма Casio создала объектив с применением оптически прозрачных керамических линз LUMICERA, производства компании Murata Manufacturing Co., Ltd. Объектив установлен в камеру CASIO EXILIM EX-S100.
|
1.2. Развитие способов регистрации изображения
История этого процесса тоже начинается во времена доисторические, поскольку впервые влияние света на ляпис (азотнокислое серебро) обнаружил в 8 веке арабский алхимик Ябир (Джабир) ибн Хайам, известный в Европе под именем Гебер (ок. 721-ок. 815), занимавшийся вопросами трансмутации металлов.
В 17 веке Роберт.Бойль (Robert Boyle, 1627 – 1691) обнаружил светочувствительность солей золота.
В 1694 году Вильгельм Гомберг (Wilhelm Homberg, 1652 – 1715) обнаружил почернение поверхности кости, обработанной раствором серебра в азотной кислоте, т.е. открыл светочувствительность азотнокислого серебра. С этой даты, 1694 г., можно отсчитывать уже не древнейшую, а древнюю историю второго процесса, поскольку в дальнейшем мы уже с точностью до года можем идентифицировать отдельные события.
В 1725 году Алексей Петрович Бестужев-Рюмин (1693 – 1766) открыл светочувствительность солей железа. Это событие можно считать, во всяком случае, в научном плане, первой точкой ветвления. Рождение светописи на основе солей железа сыграло значительную роль в технике, поскольку именно на светочувствительности солей железа долгое время основывались системы копирования чертежей. Практической реализации пришлось ждать до 1842 года, когда Джон Фредерик Вильям Гершель (John Frederick William Herschel,1792 – 1871) изобрел ферропруссиатную бумагу, ставшую основой процесса цианотипии, в котором светочувствительной средой является лимоннокислое железо; при светокопировании чертежей и после обработки раствором красной кровяной соли образуются белые линии на синем фоне.
В 1727 году Иоган Генрих Шульце (Johann Heinrich Schulze, 1687 – 1744) наблюдал светочувствительность хлористого серебра и впервые показал эффект светописи. Событие тоже эпохальное, поскольку здесь речь идет уже не просто о неком физическом явлении, но о его практическом применении в эксперименте.
В 1802 году Томас Веджвуд (Thomas Wedgwood, 1771 – 1805) получил копированием негативное изображение на коже или бумаге, пропитанной раствором азотнокислого серебра. В том же году Хемфри Деви (Humphry Davy, 1778 – 1829) применил метод Веджвуда для получения в солнечном микроскопе снимков с мелких объектов. Имеются все основания считать эти события началом современного этапа, поскольку в одном действующем устройстве были использованы два из трех основополагающих процессов.
В 1813 году Ньепс начал опыты по получению светописных отпечатков на литографском камне и пластинках олова, покрытых лаками своего изобретения. Он назвал этот способ гелиографией. Здесь впервые были объединены в одном устройстве все три процесса. С этого момента все остальные изобретения в области светописи можно рассматривать как усовершенствования уже существующего процесса. Эту же дату можно считать и началом истории третьего процесса - фиксирования.
В истории гелиографии следует отметить получение Ньепсом в 1822 году оттисков с рельефного клише, полученного травлением асфальтового покрытия, облученного светом. Гелиография стала основой фотомеханических репродукционных процессов в полиграфии.
В 1819 году Джон Гершель открыл растворяющее действие тиосульфата натрия на галоидное серебро, т.е. современный способ фиксации фотографических изображений, однако в истории фотографии этот метод был применен отнюдь не сразу.
В 1835 году Луи Жак Манде Дагер открыл способность паров ртути проявлять скрытое изображение на экспонированной йодированной посеребренной пластине, а в 1837 году смог его зафиксировать.
В 1836 году Вильгельм Генри Фокс Тальбот получил контактный отпечаток листа папоротника на бумаге, покрытой хлористым серебром. В 1839 году он описал способ фиксирования снимков на хлористой бумаге крепким раствором поваренной соли или йодистого калия. Его брошюра "Доклад по искусству фотогенического рисования, или процесс, с помощью которого естественные объекты могут быть изображены без помощи кисти художника", была опубликована 21 февраля 1839 года. Тальбот не сумел зафиксировать свой приоритет, и, как мы уже говорили, официальный отсчет фотографии идет от сообщения Д.Ф.Араго 7 января 1839 г.
В 1842 году Тальбот разработал процесс проявления скрытого фотографического изображения проявляющим раствором, содержащим галловую кислоту. Он же предложил негативно-позитивный процесс и способ оптической печати с помощью «волшебного фонаря» (фотоувеличителя).
В 1847 году Э. Беккерель и А. Ньепс де Сент-Виктор (Niepce De St Victor, 1805 – 1870) получили цветное изображение спектра на серебряной полированной пластинке, подвергнутой хлорированию, причём изображение было стойким при слабом освещении и длительно сохранялось в темноте. Это был прототип интерференционного метода, получившего развитие в 1891 в работах Габриэля Липмана (Gabriel Lippman, 1845 – 1921), получившего в 1908 году Нобелевскую премию по физике «за создание метода цветной фотографической репродукции, основанной на явлении интерференции». Практически идеальное изображение спектров, сделанное по этому методу, Иван Филиппович Усагин демонстрировал в 1900 году на Международной выставке в Париже. В конце этой ветви появится цветная голография.
В 1947 году Эдвин Ленд (Edwin H. Land, 1909 – 1991) разработал черно-белый одноступенный процесс Роlaroid Land, а позднее (1963) - одноступенный цветофотографический процесс с диффузионным переносом изображения (Роlасоlоr). В результате дальнейших исследований в 1970 году им был разработан подлинно одноступенный цветофотографический процесс c диффузионным переносом проявляющих красителей (Роlаrоid SХ-70 Land).
В 1977 году фирма «Поляроид» создала цветную растровую кинематографическую систему Роlаvisionfilm.
В 1983 году ведущие фотофирмы Kodak, Fuji, Agfa начали изготавливать цветные негативные пленки нового поколения с очень высокой светочувствительностью, обеспечивающие отличное качество изображения за счет применения новых эмульсионных микрокристаллов типа ядро - оболочка, Т-кристаллов и цветных компонентов нового типа.
История электронной светописи: регистрация и фиксация изображений.
Химические способы предполагали фиксирование изображения на месте: там, где оно было зарегистрировано, там же оно и фиксировалось. Получение электрического сигнала в точке регистрации позволило разделить в пространстве процессы регистрации и фиксации изображения, например, на бумаге. Вероятно, впервые устройство для передачи изображения по проводам описал в 1840х годах Александр Байн (Alexander Bain, 1811(10) – 1877). Он предложил сканировать проводящий рисунок с помощью проволоки, скользящей по нему, и регистрировать его электрохимическим образом, пропуская ток через пропитанную реактивами бумагу. Было ли это реализовано им в металле и насколько оказало влияние на других разработчиков, я не знаю, но идея, лежащая в основе фототелеграфа и современных факсимильных аппаратов, была высказана.
В 1848 году Фредерик Беквел (Frederick Bakewell) создал, а в 1851 году публично продемонстрировал передачу изображения с помощью системы близкой идеологически к системам Байна и Казелли.
В 1856 году итальянский физик Казелли (Giovanni Caselli, 1815 – 1891) создал прибор для передачи изображений, названный "пантелеграфом". В этом приборе игла сканировала изображение, нарисованное токопроводящими чернилами. Приемник действовал по аналогичному принципу. Игла перемещалась по листу, покрытому крахмальным клеем с примесью йодистого калия. Когда через иголку проходил ток, крахмал окрашивался в синий цвет. По описанию это очень похоже на то, что было описано Байном, но про этот прибор мы точно знаем, что он был воплощен в металле, и в России работал на линии Москва-Петербург уже 1862 году. С точки зрения нашей истории, это изобретение следует отнести к процессу фиксации электронного изображения на бумаге. Можно сказать, что это дата появления графического принтера с электрохимическим способом фиксации изображения. Следует отметить, что здесь мы видим одновременно и фиксацию, и визуализацию изображения. В дальнейшем, в электронной фотографии эти два процесса очень часто будут разделены и, в частности, в телевидении способы визуализации будут изобретены существенно раньше, чем способы сохранения изображения.
В 1873 году У.Смит (Willoughby Smith, 1828 – 1891) и его ассистент Жозеф Мей (Joseph May) открыли внутренний фотоэффект (фотопроводимость) - увеличение тока проводимости, возникающее при освещении исследуемого полупроводника. Это событие для сегодняшней фотографии имеет эпохальное значение, потому что был открыт тот самый способ регистрации, который используется сегодня в цифровых камерах. Причем это открытие не осталось незамеченным, и большое количество народа сразу же дали свои фантастические предложения по его практическому применению. В некоторых из них можно усмотреть почти идеальное описание современной камеры. Но предложить и осуществить – не одно и то же. И, возможно, идея сделать мозаику из селеновых фотоприемников достаточно тривиальна, чтобы не искать, кто ее предложил первый. А вот преодоление всех практических трудностей по созданию матрицы является выдающимся событием, для реализации которого нужно было сделать массу нетривиальных открытий, хотя они прямо и не ассоциируются с созданием фотоприемника.
В 1876 году Уильям Адамс (William Grylls Adams, 1836 – 1915) и его студент Р. Дей (R. E. Day) открыли фотогальванический эффект на границе двух твердых тел.
В 1878 – 80 годах Джордж Кери (George R. Carey, 1851 – ?) опубликовал ряд статей, в которых высказал и проиллюстрировал три предложения. В частности, была предложена электрическая камера на селене, называемая телектроскоп (telectroscope), и содержавшая, судя по дошедшим до нас рисункам, объектив и мозаику из селеновых элементов. Кроме того, он предложил вариант фототелеграфа с одним селеновым элементом, сканирующим изображение по спирали. Кери претендует на лавры родоначальника телевидения, еще одной ветви регистрации изображения, в рамках нашей истории.
В 1881 году Шелфорд Бидвелл (Shelford Bidwell), британский физик, изобрел "сканирующий фототелеграф". Для передачи изображений (диаграмм, карт и фотографий) в системе использовался материал селен и электрические сигналы. Фототелеграф, как и телевидение, решает две сложных проблемы: регистрацию изображения и передачу его на большие расстояния. Только успешное решение обеих этих задач делает это устройство коммерчески интересным. Нас же интересует только первая часть задачи. Возможно, уже в этом устройстве она решалась не хуже, чем в фототелеграфе Корна (см. ниже).
В 1881 году Константин Сенлек (Constantin Senlecq, 1842 – 1934) опубликовал один из первых проектов ТВ системы с механической разверткой.
В 1884 году Пауль Нипков (Paul Julius Gottlieb Nipkow, 1860 – 1940) получил патент на изобретенное им оптико-механическое устройство (диск с отверстиями по спирали) для преобразования изображения в последовательность сигналов (разложения телевизионного изображения на элементы при передаче и воспроизведении изображения при приеме). Эту дату можно считать еще одной веточкой на древе нашей истории, началом эпохи механического телевидения, поскольку результатом работ Нипкова стала первая телевизионная передача, осуществленная 18 апреля 1934 года. Механическое телевидение будет иметь долгую жизнь и через 80 лет после свого рождения будет использовано для передачи неподвижного фотографического изображения с поверхности Луны.
В 1885 году в первом номере журнала "Электричество" Порфирий Иванович Бахметьев (1860 – 1913) изложил несколько схем передачи изображения на расстоянии, в частности, схему с несколькими селеновыми элементами и схему с одним, сканирующим по спирали. Он же, что для нас особенно интересно, первым предложил название "Телефотограф", которое, однако, не привилось и впоследствии было вытеснено термином "Фототелеграф".
В 1887 году Генрих Герц (Heinrich Rudolf Hertz, 1857 – 1894) открыл внешний фотоэффект.
В 1888 – 1890 годах Александр Григорьевич Столетов (1839 – 1896) провел исследования фотоэффекта и создал прообраз фотоэлемента. Электроны под действием света выходят с поверхности катода в вакуум или разреженный газ.
Как мы видим, внешний фотоэффект был открыт позже внутреннего. Пройдет еще 40 лет, и он станет доминирующим в получении изображения в фототелеграфах и в передающих телевизионных трубках.
В 1898 году Мечислав Вольфке (1883 – 1947) подал заявку на изобретение «телектроскопа», где предложил передавать сигнал телевизионного изображения не по проводам, а по радио.
В 1899 году (1900 г., по новому стилю) Александр Аполлонович Полумордвинов (1874 – 1942) подал заявку и получил привилегию на “Светораспределитель для аппарата, служащего для передачи изображений на расстояние со всеми цветами и их оттенками и всеми тенями”. Английский предприниматель и ученый Бэрд (John Logie Baird, 1888 – 1946), долгое время занимавшийся теоретическими разработками телевидения, купил у Полумордвинова патент (заявка N№ 10739 от 23.12.1899 г.), который предоставил ему реальные возможности изготовить аппарат. После некоторых усовершенствований Бэрду удалось в 1925 г. провести серию лабораторных испытаний опытного образца установки, осуществлявшей передачу цветного изображения на расстояние. А в 1928 г. он уже демонстрировал систему цветного телевидения широкой общественности.
В 1903-1906 годах немецкий физик Артур Корн (Arthur Korn, 1870 – 1945) создал фототелеграф, в котором происходит механическое сканирование изображения по двум координатам и освещается каждая точка в отдельности. Проходящий через нее свет воспринимается одним селеновым фотоприемником. 6 ноября 1906 года портрет изобретателя был отсканирован и передан на расстояние более 1000 км. Это устройство ничем принципиально не отличается от современных барабанных сканеров. Вероятно, Корн был не единственным, пытавшимся усовершенствовать фототелеграф Бидвелла образца 1881 года, но в 1906 году с помощью его устройства удалось передать изображение на максимальное расстояние.
Жорж Рину (George Rignoux) получил в 1906 и 1908 году патенты на аппарат, использовавший мозаику из ячеек селена для захвата изображения, и барабан с зеркалами. Сигнал от этого аппарата преобразовывался в последовательность вращающимся коммутатором.
В 1907 году Борис Львович Розинг (1869 – 1933) предложил способ воспроизведения изображения, основанный на яркостной модуляции электронного луча трубки Брауна сигналом фотоэлемента. Термин "Трубка Брауна", который до 40х годов ХХ века распространялся и на другие электронно-лучевые приборы, восходит в 1897 году, когда Карлом Фердинандом Брауном (Karl Ferdinand Braun, 1850 – 1919) был предложен осциллограф с электронно-лучевой трубкой. Браун не патентовал свой осциллограф, он сделал его доступным для всех исследователей и лично содействовал его распространению путем публичных демонстраций и публикаций в печати. Свободный доступ способствовал быстрому распространению и развитию конструкции многими другими учеными. На мой взгляд, это важный исторический аргумент за развитие свободно распространяемого программного обеспечения с открытыми исходными кодами. (В 1909 году Ф.Браун вместе с Г.Маркони получил Нобелевскую премию за создание беспроволочного телеграфа). Электронно-лучевая трубка Розинга фактически была уже полным прототипом кинескопа. Спустя 4 года он впервые в мире воспроизвел на ней простейшее изображение. Учитывая, что сегодня цифровые фотографии мы сперва рассматриваем на мониторе, и не все они пока жидкокристаллические, это событие имеет в нашей истории весьма важное значение.
В 1907 году Ованес Абгарович Адамян (1879 – 1932) получил привилегию на «приемник для изображений, электрически передаваемых с расстояний», который разработал в собственной лаборатории в Шарлоттенбурге под Берлином. Это была первая ТВ-система с одновременной передачей сигналов составляющих цветов. Накануне 1-й Мировой войны изобретатель переехал в Петербург. В 1925 г. он запатентовал последовательную систему, основанную на трехспиральном диске Нипкова с цветными фильтрами.
В 1908 году шотландец Алан Арчибальд Кэмпбел Свинтон (Alan Archibald Campbell Swinton, 1863 – 1930) печатает в журнале «Nature» статью, в которой описывает электронное устройство для регистрации изображения на электронно-лучевой трубке.
В 1916 Ефим Евграфович Горин (1881 – 1951) использовал фотопроводимость для получения изображения, назвав этот способ электрофотографией.
В 1924 году по заявке, сделанной в 1922 году, Борис Александрович Речеулов (1899 – 1942) получил патент на систему магнитной записи на движущуюся магнитную ленту с катушкой для ее намотки для записи и воспроизведения визуальных и звуковых сигналов. До сего момента фиксирование электронных изображений было уделом фототелеграфии, теперь же процессом фиксирования озаботились и создатели телевизионных систем.
В 1925 году Александр Алексеевич Чернышев (1887 – 1960) предложил трубку с внутренним фотоэффектом, которую можно считать прототипом видикона.
В 1930 году Александр Павлович Константинов (1895 – 1945) предложил трубку с накоплением зарядов двусторонней мишенью.
В 1931году Семен Исидорович Катаев (1904 – 1991) предложил трубку с мозаичным фотокатодом.
В 1932 году Владимир Козьмич Зворыкин (1889 – 1982) сделал первую работающую модель иконоскопа. Иконоскоп был действующей передающей телевизионной трубкой с мозаичным фотокатодом и накоплением зарядов, получаемых точечными фотоэлементами. Зворыкин решил задачу усиления столь малых токов, придав каждому элементу фотомозаики свойства конденсатора, линейно накапливающего заряд. Для этого ему вместе с помощниками пришлось решить сложную технологическую задачу - нанести на каждый квадратный сантиметр диэлектрической основы многие тысячи изолированных металлических элементов. Опытная телетрансляция с помощью этой аппаратуры начинается в 1932 г. Телепередающая станция мощностью в 2,5 кВт устанавливается на самом высоком здании Нью-Йорка - Эмпайр Стейт Билдинг. Доклад "Иконоскоп - современный вариант человеческого глаза", был сделан на годичной конференции Американского общества радиоинженеров в июне 1933 г.
Формально приоритет изобретения иконоскопа принадлежит С.И.Катаеву, на 51 день раньше подавшему заявку на трубку с трехслойной мишенью и накоплением зарядов. Однако первый советский прибор заработал только в 1934 году. Первые же заявки Зворыкина были поданы еще в 1923 году, но патент по ним выдан лишь в 1938. Как я уже раньше писал, предложение, конечно, - вещь хорошая, но суметь сделать куда сложнее.
Открытое распространение идей способствует их развитию, как показал опыт Ф. Брауна, но не всегда их воплощению, когда для этого нужны большие деньги. Зворыкин сформулировал это так: "К тому времени, - я понял, что работу над идеей, способной привести к коммерческому успеху, нужно камуфлировать до тех пор, пока возможность получения прибыли не станет очевидной для людей бизнеса. Ваша собственная убежденность не играет большой роли".
Электровакуумные приборы могли бы стать прекрасной основой электронной фотографии. Однако не стали, сыграв определяющую роль в развитии параллельной ветви телевидения. К тому же моменту, когда электронная фотография оказалась востребованной, их век уже кончился.
В 1933 году Павел Васильевич Шмаков (1885 – 1982) и Петр Васильевич Тимофеев (1902 – 1982) предлагают трубку со сплошным фотокатодом и переносом электронного изображения на диэлектрическую накопительную мишень.
В 1938 году Честер Флойд Карлсон (Chester F. Carlson, 1906 – 1968) взял патент на электрофотографический способ, назвав его ксерографией.
В 1951 году Александр Матвеевич Понятов (1892 – 1980) и его технические советники М.Столяров и В.Селстед рассмотрели и приняли за основу разработки предложенный инженером Ч.Гинзбургом способ записи ТВ сигналов путем вращения магнитных головок поперек движения ферромагнитной ленты. В апреле 1956 года фирма Ampex (по инициалам Понятова – А.М. - и слову exellence – превосходство) продемонстрировала действующий видеомагнитофон VR-1000. Эту дату можно считать ключевой в развитии электронной фотографии, поскольку, соединив телевизионную камеру с магнитофоном, мы получаем систему, способную регистрировать и сохранять изображение.
В 1957 году Руссель Кирш (Russell A. Kirsch, из National Bureau of Standards) отсканировал и оцифровал изображение. Отсканированное изображение было представлено в виде массива из 176х176 чисел.
В 1966 году советская космическая станция "Луна" мягко села на Луну и передала с высокой четкостью панорамные изображения лунной поверхности. Это можно считать высшим достижением механического телевидения. Один кадр состоял из 1500 вертикальных строчек, передавался он целых полтора часа! Телевизионная техника для исследования дальнего космоса, когда один кадр изображения передается иногда несколько часов, и теперь строится на принципах механического телевидения.
В 1969 году исследователи из Bell Laboratories - Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображений.
В 1970 году исследователи из Bell Laboratories создали прототип электронной видеокамеры на основе ПЗС.
В 1972 году компания Texas Instruments запатентовала устройство под названием "Полностью электронное устройство для записи и последующего воспроизведения неподвижных изображений". В качестве чувствительного элемента в нем использовалась ПЗС-матрица, изображения хранились на магнитной ленте, а воспроизведение происходило через телевизор.
В 1973 году компания Fairchild (одна из легенд полупроводниковой индустрии) начала промышленный выпуск ПЗС-матриц. Они были чёрно-белыми и имели разрешение всего 100х100 пикселей. В 1974 при помощи такой ПЗС-матрицы и телескопа была получена первая астрономическая электронная фотография. В том же году Гил Амелио (Gil Amelio), также работавший в Bell Labs, разработал техпроцесс производства ПЗС-матриц на стандартном полупроводниковом оборудовании.
В 1975 году инженер Стив Сассон (Steve J. Sasson), работавший в компании Kodak, сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100x100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды).
В 1976 году фирма Fairchild выпускает первую коммерческую электронную камеру MV-101, которая была использована на конвейере Procter&Gamble для контроля качества продукции. Это уже была первая, полностью цифровая камера, передававшая изображение в миникомпьютер DEC PDP-8/E по специальному параллельному интерфейсу.
В 1980 году фирма Sony представила на рынок первую цветную видеокамеру на основе ПЗС-матрицы.
В 1981 году Sony выпускает зеркальную камеру со сменными объективами Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera) с разрешением 570?490 пикселей (0,28 Мп). Она записывала отдельные кадры в формате NTSC на специальном гибком магнитном диске в аналоговом видеоформате и поэтому официально она называлась «статической видеокамерой» (Still video camera). Диск был похож на современную дискету, но имел размер 2 дюйма. На него можно было записать до 50 кадров, а также звуковые комментарии. Диск был перезаписываемый и назывался Video Floppy и Mavipak.
В 1988 году компания Fuji совместно с Toshiba выпустила камеру Fuji DS-1P, основанную на ПЗС-матрице с разрешением в 0,4 Мп. Запись изображения в формате NTSC на сменную карту памяти статического ОЗУ (Static RAM) со встроенной для поддержания целостности данных батарейкой.
В 1990 году выпущена камера Dycam Model 1, более известная как Logitech FotoMan FM-1. Камера была чёрно-белая (256 градаций серого), имела разрешение 376x240 пикселов и 1 Мб встроенной оперативной памяти для хранения 32 снимков, встроенную вспышку и возможность подключить камеру к компьютеру.
В 1991 году Kodak, совместно с Nikon, выпускает профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC100 на основе камеры Nikon F3. Запись происходила на жесткий диск, находящийся в отдельном блоке, весившем около 5 кг.
В 1994 году Kodak, совместно с Nikon, выпускает профессиональный 1,5 Мп зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC 420. Кадры записываются на карту PCMCIA (type III).
В 1995 Minolta выпускает камеру RD175 с 3 матрицами по 0,38 Мп, каждая из которых предназначена для регистрации своей цветной составляющей. На выходе - изображение 1528 x 1146.
В 1999 году Minolta выпускает зеркальную камеру RD-3000 с двумя одновременно используемыми матрицами для увеличения площади кадра сумарным разрешением 2,7 Мп.
В 1999 году фирмой Sony выпущена 3 Мп ПЗС матрица SONY ICX252. Компактные камеры, построенные на этой матрице, начали реально конкурировать с пленочными. 4 января 2000 года анонсирована Casio QV-3000EX в которой использовалась эта матрица.
В 2000 году выпущена Canon EOS D30 - первая зеркалка с разумной ценой и конкурентоспособной КМОП матрицей.
В 2002 году Sigma выпускает камеру SD9 c трехслойной матрицей Foveon.
В 2003 году компаниями Olympus, Kodak и FujiFilm предложен стандарт 4:3, направленный на стандартизацию цифрового фотооборудования, и выпущена фотокамера Olympus Е-1 под этот стандарт.
В 2003 году компания FujiFilm выпускает камеру FinePix F700 с новой матрицей Super CCD SR. Отличительной особенностью этой матрицы является то, что на 3 млн. точек изображения приходится 6 млн. датчиков. Каждую точку обслуживают 2 датчика разной площади. Таким образом, предполагалагается существенно повысить динамический диапазон.
|
2.1. Сенсоры изображения
«Классические» ФПЗС и КМОП-сенсоры Сами по себе они не способны различать цвета: разница в длинах волн (а именно длиной волны и определяется цвет) падающих на них фотонов воспринимается как разница в энергиях (E ~ hv). Вариации как энергии фотона, так и их числа за время экспозиции приводят к изменению всего лишь одной величины – заряда в ячейке для ФПЗС или напряжения для КМОП. Поэтому на выходе мы имеем монохромное изображение, т.е. градации серого.
Для обеспечения сенсору возможности различать цвета нужны
дополнительные приспособления. А что же такое «цвет», вообще говоря?
В физике у света есть спектр – набор длин волн излучения. Этим
спектром однозначно определяется цвет – психофизиологическое
ощущение. Обратное утверждение, кстати, неверно – несколько
различных спектров могут давать одно и то же ощущение
цвета.
Так как с точки зрения колориметрии цвет – трехмерная векторная
величина, то нужно неким образом выделить из падающего на сенсор
светового потока три составляющих. Возможность трехмерного описания цвета объясняется не физическими свойствами самого света, а механизмами цветовосприятия глаза.
Суть «классического» сенсора: в одном пикселе за время экспозиции
мы можем сделать только одно спектральное измерение (исключения –
см. ниже).
В настоящее время существуют следующие подходы:
1. Расщеплять свет после объектива (например, системой
призм) на три области – красную, зеленую и синюю, и подавать на три
отдельных монохромных сенсора.
Такой подход часто используется в профессиональных фото и
видеокамерах и называется 3CCD.
Он обеспечивает отличную разрешающую способность как цветовую,
так и пространственную («резкость») без увеличения времени получения
изображения. Время получения кадра, пожалуй, самое малое из всех
подходов, т.к. нет необходимости производить цветовую интерполяцию
(см. ниже). Появляется возможность «тюнинга» каждого сенсора под
свой диапазон, например, введением специальной примесной добавки в
кремний изменить спектральную чувствительность сенсора. Баланс
белого на итоговом изображении сводится к регулировке усиления и
уровней черного каждого из трех сенсоров.
Однако такой подход требует сложной юстировки всей системы и
часто – особой оптики (из-за появления перед сенсором довольно
большого блока призм). При этом широкоугольным объективам не повезло
больше всех. Добавьте сюда тройной комплект сенсоров и их
электронной обвязки. Все это в итоге повышает стоимость, габариты
системы и ее энергопотребление (особенно, если сенсоры - ФПЗС).
Технология производства ФПЗС-сенсоров отлично отлажена, равно как
и приспособлений для расщепления света, поэтому по качеству и
скорости рассматриваемому подходу пока нет равных.
2. Установить светофильтры перед сенсором.
Если время получения изображения не критично, можно использовать
последовательное экспонирование сенсора через барабан со
светофильтрами. Минус – требуется в три раза больше времени. Поэтому
для съемки движущихся объектов такой метод не подходит. Однако
сохраняются все остальные плюсы предыдущего подхода, да и трех
матриц с призмой не нужно.
3. Установить светофильтры непосредственно над каждым
пикселем сенсора.
Если в сенсоре используются микролинзы, то
светофильтры устанавливаются между микролинзой и ячейкой.
Распределение таких светофильтров по поверхности сенсора – массив
цветных фильтров (CFA = Color Filter Array) может быть
различным.
3.1. Например, линейный (используется в
некоторых планшетных сканерах – там как раз всего три строки для
каждого из цветов):
R R R R R
G G G G G
B B
B B B
3.2. Наиболее популярный – байеровский, по
цветовой модели Байера (B. Bayer),
предложенной в начале 70-х годов прошлого века. Иначе – RGBG-фильтр. Все
массивы, построенные по принципу Байера называют мозаиками.
Элементарный узор массива получается из четырех ячеек с тремя
типами светофильтров. В основе байеровского фильтра и
большинства других лежит принцип дискретизации яркостного канала на
большей частоте, нежели двух оставшихся цветовых. За яркостной канал
был принят зеленый, т.к. кривая яркостной чувствительности глаза
человека имеет максимум около точки 550нм, что соответствует
зеленому цвету. Да и число зеленочувствительных рецепторов на
сетчатке в два раза больше, чем красных или синих.
Выигрыш по скорости и стоимости варианта с массивом цветных
фильтров, «компенсируется» проигрышем по пространственному и
цветовому разрешению. Данные одного пикселя итогового изображения
«размазываются» по нескольким ячейкам. Для того, чтобы получить
RGB-значения каждого пикселя необходимо произвести цветовую
интерполяцию. См. иллюстрацию:
Наиболее заметные артефакты от такой цветовой интерполяции
появляются при быстром изменении цвета относительно пространственных
координат изображения (некий контрастный, ритмический рисунок в
мелких деталях) – возникают искажения цветов и контуров,
исчезновение мелких деталей, муар. Например, в нашей сцене есть
небольшая белая точка на черном фоне. Она может попасть только на
одну синюю ячейку. В таком случае на изображении она будет
представлена синим пикселем. Описанный эффект называется
алиайсингом. Устранить его можно только размытием изображения:
посредством анти-алиайсинг фильтра или расфокусировкой.
Анти-алиайсинг фильтрация (по сути, размытие наподобие blur-эффекта)
дополнительно уменьшает пространственное разрешение.
Поэтому сенсоры с CFA для профессиональной техники мало подходят,
т.к. сам сенсор не может обеспечить разрешения, которое дает
качественный объектив: в худшем варианте один итоговый пиксель
интерполируется из 9 пикселей сенсора. Если мы будем увеличивать
число пикселей сенсора, уменьшая их размеры, то упремся в
собственные шумы сенсора, а если увеличивая размер сенсора – в
технологический передел размера пластин или стоимости
системы.
3.3. Вариацией на тему фильтра Байера является RGBE -фильтр от
компании Sony Corporation. Т.е. к RGB-светофильтрам
добавлен Emerald — изумрудный. Теоретически, четвертый компонент для
определения цвета уже лишний. Однако на практике он немного
приближает цветовую гамму изображения к натуральной (для
человеческого глаза), улучшая передачу сине-зеленых и красных
оттенков. Вообще говоря, изумрудный светофильтр пропускает всю
коротковолновую часть видимого спектра, так что правильнее было бы
его назвать голубым.
3.4. Выше были рассмотрены мозаики в основу
которых положена модель аддитивного цветового синтеза (RGB), однако выпускаются сенсоры с мозаиками на
основе субстрактивного синтеза (CYM=Cyan Yellow
Magenta). Те же господа из Sony выпускают матрицы с CYMG-фильтром.
Основные компоненты в нем – CYM (голубой, желтый, пурпурный) и один,
дополнительный, аддитивный – G (зеленый). На мой взгляд – весьма
спорное решение.
Тем более что типичная проблемой сенсоров с
такой мозаикой – регистрация света с длинной волны в 450 нм в синем
и красном канале.
Краткий итог: при одинаковых числе пикселей и их размере у
сенсора с массивом цветных светофильтров пространственное разрешение
примерно в 2 раза ниже, чем у монохромного. Если быть точным, то
величина эта зависит от метода интерполяции, типа мозаики и
направления: для фильтра Байера по горизонтали снижение разрешения
составляет около 65%, а по вертикали примерно 80%.
По мере роста вычислительной мощности графических процессоров
фотокамер линейная интерполяция заменялась кубической, а та -
кубическими сплайнами. Во многих современных камерах предпочтение
отдается специальным алгоритмам, оптимизированным под работу с
цветом и под конкретный сенсор. Естественно эти алгоритмы являются
коммерческой тайной фирм-производителей. Например, существуют:
-
интерполяция с постоянным тоном (одна из первых в массовых образцах
камер);
- интерполяция по медиане (двухпроходная: линейная
интерполяция, медианная фильтрация цветовых различий);
-
интерполяция по градиенту (трехпроходная: сначала G, а затем R-G и
B-G каналы; используется в Kodak DCS 200).
Все эти алгоритмы
направлены на устранение артефактов: «лесенки» - на краях
контрастных объектов и «конфетти» вокруг ярких пикселей на темном
фоне.
Лучшими являются итерационные (многопроходные) алгоритмы и
алгоритмы на основе нейронных сетей, но они требуют большой
вычислительной мощности и пока реализованы в полной мере только в
программных RAW-конверторах (например, в SharpRaw).
Вот пример работы цветовой интерполяции кубическими сплайнами с
RGBG-сенсора (под картинкой ссылка на увеличенное в 3 раза
PNG-изображение):
Слева – изображение непосредственно с сенсора,
монохромное. В середине – наложение на него массива байеровских
фильтров. Справа – изображение после цветовой интерполяции.
4. Использование технологии пиксельного сдвига
сенсора.
Данный подход заключается в использовании «обычного» сенсора с
фильтром Байера, снабженного механизмом попиксельного сдвига в
плоскости изображения с помощью пьезо-элементов. Снимаем один кадр,
сдвигаем сенсор вправо на один пиксель, снимаем второй кадр,
сдвигаем сенсор вниз на один пиксель. Таким образом в трех кадрах
имеем все три цветных составляющих индивидуально для каждого
пикселя.
См. анимацию (обратите внимание, как выделенный пиксель
в левом верхнем углу последовательно получает все три цветовых
компонента):
Минус – увеличенное в три раза время экспозиции и стоимость
устройства. Конечно, для репортажной съемки такая технология не
подходит. Поэтому применяется преимущественно в цифровых задниках
для студийной съемки, где возможно обеспечить неподвижность сцены
съемки на время порядка 1-2 секунд.
Кроме увеличения цветового, увеличивается и пространственное
разрешение. Оба примерно в 2,5 раза по сравнению с таким же
сенсором, но без сдвига.
Foveon X3
До сих пор говорилось о классических сенсорах. Сейчас стоит
рассказать о новом типе КМОП-сенсора от калифорнийской
компании Foveon - Foveon X3 .
Сенсор был представлен широкой публике в начале 2002 года.
В основу положена идея о поглощении фотонов различных длин волн
на различных глубинах в полупроводнике. Это дает возможность для
каждого пикселя сенсора получать свои собственные RGB-компоненты, в
одном пикселе совмещены детекторы всех трех цветовых компонент.
Весьма изящная идея: одним махом избавляемся от цветовой
интерполяции, сглаживания и разницы фаз между RGB-компонентами,
присущих классическим сенсорам с CFA. Также, не требуется и трех
сенсоров вместе с устройством расщепления света.
Эксперименты по
стандарту ISO12233 показывают 2,4-кратное превосходство Foveon X3 в пространственной
разрешающей способности над сенсорами с фильтром Байера. А на
границе раздела синий-красный до 5 крат.
Упрощенную схема строения этого сенсора:
Как видно, ключевой особенностью является порядок и глубина
залегания p-n-переходов. Коэффициент поглощения кремния почти
линейно уменьшается с увеличением длины полны света видимого
диапазона. Первыми поглощаются «синие» фотоны, затем «зеленые» и
«красные».
Можно сказать, что перед нами «электронная фотопленка», т.к. из
всех сенсоров Foveon X3 наиболее близок к фотопленке, которая также
содержит в себе три чувствительных слоя для каждого из цветов в виде
«бутерброда».
Желающих подробнее ознакомиться с этим типом сенсора прошу на сайт производителя.
TFA
В настоящее время разрабатывается технология TFA (Thin Film on
ASIC). Коммерческих образцов пока нет, так что сказать что-то
окончательно нельзя. TFA представляет собой интеграцию слоя
детектора из аморфного гидрогенизированного кремния (a-Si:H)
на кристалл ASIC (Application Specific Integrated Circuit, по-сути,
КМОП-микросхема).
Толщина слоя детектора менее 1 микрона и работает он как
мультиспектральный фотодиод. Пик спектральной чувствительности может
сдвигаться в границах видимого света в зависимости от напряжения
между p- и n- областями. Можно считывать три цветовых составляющих
последовательно (быстро меняя напряжение). Кроме этого a-Si:H
обладает высоким квантовым выходом и тремя линейно-независимыми
пиками чувствительности в зоне видимого света. TFA является
сенсором с коэффициентом заполнения 100%: вся поверхность
является светочувствительной.
Возможно, в лице TFA-сенсоров мы скоро увидим увеличение
динамического диапазона (для TFA заявлено 120dB, тогда как
человеческий глаз имеет 200dB) и цветового разрешения.
Стоит упомянуть о том, что полученный с любого
сенсора RGB-триплет сам по себе, вообще говоря, информации о цвете
не несет. Парадокс? Нет! Например, для сенсора с массивом цветных
светофильтров, зеленый сигнал определяется числом «зеленых» фотонов
достигших ячейки, относительным коэффициентом пропускания зеленого
светофильтра и относительной спектральной чувствительностью
полупроводника к «зеленым» фотонам. Максимум и форма кривой
спектральной чувствительности систем фильтр-полупроводник для трех
цветов может отличаться (а вернее сказать, всегда отличается) от
таковых как для человеческого глаза, так и для опорных стимулов
системы RGB. Поэтому и необходимо преобразование цвета из цветового
пространства сенсора в какое-либо аппаратно-независимое,
например в sRGB.
|
2.2. Объективы
Так как всякую линзу можно рассматривать как состоящую из чрезвычайно большого количества призм, то основные законы прохождения лучей через призму и линзу одинаковы. Световой луч, входя в линзу, преломляется, при этом преломляющая сила линзы несколько возрастает по направлению к её краям.
Различают линзы собирательные и рассеивающие. Линзы первого типа - позитивные - собирают лучи примерно в одной точке; вторые - негативные - рассеивают их.
Прямая линия, проходящая через центры шаровых поверхностей, ограничивающих линзу, назывется её оптической осью.
Фокусное расстояние
Фокусное расстояние (ФР) объектива, состоящего из одной тонкой линзы, — это дистанция от линзы до экрана, на котором параллельный пучок света, проходящий через линзу, соберется в точку (или изображение бесконечно удаленного объекта будет резким). ФР многолинзового объектива совпадает с фокусным расстоянием однолинзового, создающего изображение одинакового с ним масштаба. Это определение не распространяется на объективы с наружными дисперсионными и внутренними коллективными элементами, называемыми на жаргоне "рыбий глаз".
Для практических целей гораздо важнее помнить, что от отношения ФР к размеру матрицы зависит угол поля зрения камеры.
Если ФР примерно равно диагонали матрицы, то такое ФР называется "нормальным" и считается, что в этом случае угол зрения (45 градусов) соответствует возможностям человеческого глаза.
Если ФР больше диагонали матрицы, то такие объективы называют "длиннофокусными" или "телеобъективами" — они обеспечивают более сильное приближение по сравнению с "нормальными", но при этом уменьшается угол зрения.
Если ФР меньше диагонали матрицы, то такие объективы называют "короткофокусными" или "широкоугольными" — они обеспечивают расширение поля зрения по сравнению с "нормальными", но при этом уменьшаются размеры объектов в кадре.
Например, для матрицы 15х22 мм (APS-C) объектив с ФР 30 мм считается нормальным, для пленки 24х36 мм — широкоугольным, а для матрицы 5х7 мм (1/1.8") — длиннофокусным.
Поскольку использование отношения ФР к диагонали матрицы не всегда удобно, для классификации систем "объектив-матрица" используется понятие эквивалентного фокусного расстояния (ЭФР). Условно принято, что ЭФР данной связки "объектив-матрица" — такое значение фокусного расстояния объектива, при котором на 35-мм пленке получается изображение с тем же углом зрения, что и при использовании данной связки. ЭФР=Kf*ФР.
Так, если у вас имеются две камеры с матрицами размером 24х36 мм и 15х22 мм, а также объектив с переменным фокусным расстоянием, то вставив его в "полнокадровую" камеру и установив ФР равным ЭФР для камеры с матрицей APS-C, вы сможете в видоискателе увидеть изображение, аналогичное видимому в видоискателе камеры с сенсором APS-C.
Приведем еще один пример использования ЭФР. Предположим, у нас есть ЦФК с объективом, имеющим ФР 7 мм, и с матрицей размера 1/1.8". Kf такой матрицы примерно равен 5. ЭФР=ФР*Kf=35 мм. Таким образом, пленочный 35-мм аппарат с объективом ФР=35 мм даст такой же угол зрения, что и ЦФК с матрицей 1/1.8 и ФР=7 мм.
Соответственно, исходя из значения ЭФР, мы можем классифицировать объективы таким образом:
ЭФР < 20 мм — сверхширокоугольные объективы;
20 мм < ЭФР < 35 мм — широкоугольные объективы;
45 мм < ЭФР < 55 мм — стандартные объективы;
80 мм < ЭФР < 135 мм — портретные объективы (неофициально);
ЭФР > 130 мм — узкоугольные объективы (обычно используется просто термин "телеобъективы").
Наглядно оценить поле зрения объективов с различными ЭФР и диагональными углами зрения вам поможет этот рисунок.
Важно помнить, что термин "эквивалентное ФР" — условный и его можно использовать только для приведения к одному знаменателю углов зрения фотокамер с различными матрицами и объективами, а также для расчета безопасной выдержки при съемке с рук. Никакого технического смысла ЭФР не несет.
Светосила
Светопропускательная способность объектива определяется, с одной стороны, площадью действующего отверстия объектива (оно изменяется с помощью диафрагмы), с другой — фокусным расстоянием. Отношение фокусного расстояния к диаметру диафрагмы называется диафрагменным числом и обозначается буквой К. Стандартные значения К таковы: 1,0; 1,4; 2,0; 2,8; 4,0; 5,6; 8,0; 11 и т. д. Как видно, они отличаются друг от друга в корень из 2 раз, при этом каждое последующее значение К обеспечивает уменьшение освещенности в 2 раза.
Величина, обратная диафрагменному числу, называется относительным отверстием объектива и обозначается 1:К. Максимальное значение относительного отверстия указано в маркировке объектива. Так, объектив с обозначением 28-135mm 1:3.5-5.6 имеет максимальное относительное отверстие 1:3,5 на фокусном расстоянии 28 мм и 1:5,6 — на 135 мм.
В зависимости от значения диафрагменного числа К объективы условно разделяют на следующие группы:
сверхсветосильные (К ? 1,4);
светосильные (1,4 < K ? 2,8);
средней светосилы (2,8 < K ? 5,6);
малосветосильные (К >5,6).
Чем выше светосила (меньше число К), тем больше света пропускает объектив и тем реже вам придется использовать вспышку или штатив из-за недостатка освещения. Обычно с ростом светосильности при прочих равных растут качество и, особенно заметно, цена объектива. В профессиональных объективах с переменным фокусным расстоянием светосила, как правило, не изменяется при зуммировании.
Строго говоря, светосила — отношение освещенности изображения, создаваемого оптической системой, к яркости предмета. Поскольку светосила выражается десятичной дробью меньше 1 и потому сложна в практическом использовании, то ее принято обозначать как максимальное относительное отверстие (1:К), пропорциональное квадратному корню из светосилы.
Реально в жаргоне фотографов понятия светосилы, относительного отверстия и минимального диафрагменного числа перемешаны в одну кучу, поэтому выражения "светосила F/2,8 (или f/2,8, или просто 2,8)" встречаются довольно часто. Но, на самом деле, корректно говорить "относительное отверстие 1:2,8", "диаметр диафрагмы F:2,8", "диафрагменное число 2,8" при этом светосила равна 0,127.
Глубина резко изображаемого пространства (ГРИП)
В фотографии зона резкости находится как перед расположенным "в фокусе" объектом съемки, так и за ним. Эта более или менее протяженная область высокой четкости и есть ГРИП. Ее протяженность зависит от раскрытия диафрагмы (чем шире, тем меньше ГРИП), фокусного расстояния (чем больше, тем меньше ГРИП), размера матрицы фотоаппарата (чем меньше матрица при равном угле зрения, тем больше ГРИП, чем больше пикселей при равной площади, тем меньше ГРИП) и от снимаемого сюжета (чем больше дистанция до основного объекта, тем больше ГРИП вокруг него).
Малая ГРИП полезна для съемки портретов, так как она помогает "отделить" модель от фона, а также придает объем лицам и акцентирует внимание на объекте съемки. Большая ГРИП нужна при съемке пейзажей, интерьеров, макро и архитектуры (чтобы всё было резким). Реально у компактных ЦФК ГРИП меняется от "большой" до "очень большой" в зависимости от установленной диафрагмы.
Боке
БокЕ — (от яп. ?? бокэ — «размытость», «нечёткость») — термин, описывающий субъективные художественные достоинства части изображения, оказавшегося не в фокусе на фотографии. На многих изображениях фон размывается фотографом намеренно для визуального выделения главного объекта съёмки.
Разные объективы по-разному изображают зоны вне фокуса. Качество боке — это субъективный показатель, который трудно определить объективными параметрами.
Характеристики боке можно определить через диски нерезкости. Вне зоны фокуса, каждая светлая точка становится диском. С одним объективом этот диск оказывается светящимся равномерно, с другим — ярче по краям, с третьим — в центре. Часть объективов визуально приближают такие точки к камере, другие — отдаляют. Другими словами, диск с ярким центром и тёмными краями выглядит более мягким, чем равномерно освещённый или диск с яркими краями. Такой диск лучше сочетается с окружением, в то время как яркие края притягивают к себе внимание, отвлекая от основного объекта.
Также большое влияние на боке оказывает форма отверстия диафрагмы. Зеркально-линзовые телеобъективы создают боке в виде «бубликов», что считается некрасивым. Некоторые объективы показывают светлые пятна в виде многоугольников вместо кругов, это зависит от количества и формы лепестков диафрагмы. В основном, объективы с бОльшим и нечетным количеством лепестков диафрагмы создают более «приятное» боке.
Влияние других параметров объективов на боке не столь очевидно, довольно запутанно и очень субъективно.
Хорошее боке особенно важно для макросъёмки при открытой диафрагме и для телеобъективов, потому что обычно они используются с небольшой глубиной резкости. Также оно важно при портретной съёмке, так как там размытие фона используется как художественный элемент для выделения главного объекта.
Недостатки объективов
Хроматические аберации (ХА) — это одно из ряда искажений изображения, обусловленных неидеальностью оптики. Хроматические аберрации обусловлены дисперсией света, возникающей при прохождении его через линзу. Это явление связано с тем, что лучи с разной длиной волны преломляются под разными углами. Проявляется на периферийных участках поля изображения и выражается в появлении разноцветной "бахромы" на контрастных объектах (например, на ветках деревьев). Наиболее ярко выражено у дешевых объективов и ультразумов.
Помимо ХА, появление "бахромы" обусловлено блюмингом — перетеканием носителей заряда из пересвеченных ячеек матрицы в соседние с ними.
Дисторсия — это оптическое искажение, выражающееся в искривлении прямых линий. В зависимости от того, становятся ли прямые линии вогнутыми или выпуклыми, дисторсию называют подушкообразной или бочкообразной. Объективы с переменным фокусным расстоянием имеют тенденцию создавать бочкообразную дисторсию на "широком угле" (минимальное значение "зума") и подушкообразную — в режиме "телефото" (максимальное значение "зума").
|
Материал подготовлен с использованием статей Родионова В. размещённых на сайте iXBT,
а также Афанасенкова М.А., размещённых на сайте http://www.afanas.ru
|
