Thiết bị và nguyên lý hoạt động của camera

2024 Tác giả: Sierra Becker | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-02-26 07:23

Nhiếp ảnh là một trong những phát minh quan trọng nhất trong lịch sử - nó thực sự đã thay đổi cách mọi người nghĩ về thế giới. Giờ đây, mọi người có thể nhìn thấy hình ảnh của những thứ thực sự ở khoảng cách rất xa hoặc đã lâu không tồn tại. Mỗi ngày, hàng tỷ bức ảnh được đăng trực tuyến, biến cuộc sống thành các pixel thông tin kỹ thuật số.

Cấu trúc của máy ảnh

Nhiếp ảnh cho phép bạn ghi lại những khoảnh khắc quan trọng của cuộc đời và lưu giữ chúng trong nhiều năm tới. Từ lâu, các thiết bị tạo ảnh đã được tích hợp sẵn trên điện thoại và các vật dụng khác, nhưng nguyên lý hoạt động của máy ảnh vẫn còn là một ẩn số đối với nhiều người. Nhiếp ảnh là một ngành khoa học cũng như một nghệ thuật, nhưng đại đa số không biết điều gì sẽ xảy ra khi họ nhấn nút camera hoặc mở ứng dụng camera trên điện thoại thông minh. Chiếc máy ảnh đầu tiên, cấu trúc và nguyên lý của nó sẽ được thảo luận ở phần sau, không có nút nào cả và hoàn toàn không giống một ứng dụng. Nhưng thiết bị của anh ấy là trung tâm của các tiện ích hiện đại.

Ví dụ, một máy ảnh phim bao gồm ba yếu tố chính: quang - thấu kính, hóa - phim và cơ - thân máy. Chúng ta hãy xem xét ngắn gọn nguyên tắc hoạt động của máy ảnh: phim được nạp vào một ống chỉ ở bên phải và quấn vào một ống chỉ khác ở bên trái, đi qua phía trước ống kính trên đường đi. Nó là một dải nhựa dẻo dài được phủ một lớp hóa chất đặc biệt dựa trên các hợp chất bạc nhạy cảm với ánh sáng.

Phim đen trắng có một lớp, và phim màu có ba lớp: phần trên nhạy cảm với ánh sáng xanh, phần giữa nhạy cảm với màu xanh lá cây và phần dưới nhạy cảm với màu đỏ. Hình ảnh thu được do phản ứng hóa học của mỗi chất trong số chúng. Để ánh sáng không làm hỏng phim, phim được bọc trong một ống trụ nhựa bền, nhẹ, được đặt bên trong máy ảnh. Nhưng làm thế nào nó kết hợp tất cả các thành phần để chúng ghi lại một hình ảnh rõ ràng, dễ nhận biết? Có nhiều cách khác nhau để làm cho các bộ phận này hoạt động, nhưng trước tiên bạn cần hiểu nguyên tắc cơ bản về cách thức hoạt động của máy ảnh. Vì chụp ảnh không cần dùng điện nên máy ảnh không gương lật ống kính đơn thông thường là một minh họa tuyệt vời cho các quy trình cơ bản của nhiếp ảnh.

Tại sao bạn cần một ống kính

Tốt nhất bạn nên bắt đầu giải thích ngắn gọn về cách máy ảnh hoạt động dựa trên lý thuyết. Hãy tưởng tượng rằng bạn đang đứng giữa một căn phòng không có cửa sổ, cửa ra vào hay ánh sáng. Không thể nhìn thấy gì ở một nơi như vậy vì không có nguồn sáng. Giả sử bạn lấy đèn pin ra và bật nó lên, vàchùm tia từ nó chuyển động theo đường thẳng. Khi ánh sáng này chiếu vào một vật thể, nó sẽ bật ra và đập vào mắt bạn, cho phép bạn nhìn thấy những gì bên trong phòng.

Nguyên lý hoạt động của máy ảnh kỹ thuật số tương tự như quá trình chộp vật thể từ phòng tối với tia sáng từ đèn pin. Thành phần quang học của máy ảnh là ống kính. Công việc của nó là phản xạ các tia sáng quay lại từ đối tượng và chuyển hướng chúng để chúng kết hợp lại với nhau để tạo thành một hình ảnh trông giống như cảnh trước ống kính. Có thể không hoàn toàn rõ ràng quá trình này xảy ra như thế nào và tại sao kính thông thường có thể chuyển hướng ánh sáng. Câu trả lời rất đơn giản: khi ánh sáng di chuyển từ phương tiện này sang phương tiện khác, nó sẽ thay đổi tốc độ.

Cách hoạt động của ống kính

Ánh sáng truyền trong không khí nhanh hơn qua thủy tinh, vì vậy ống kính làm chậm nó. Khi các tia va chạm với nó ở một góc, một phần của sóng sẽ đến bề mặt trước phần kia và do đó sẽ chậm lại trước. Khi ánh sáng đi vào kính theo một góc, nó sẽ uốn cong theo một hướng và sau đó lại uốn cong khi ra khỏi kính do các phần của sóng ánh sáng va vào không khí và tăng tốc trước những phần khác.

Một thấu kính lồi tiêu chuẩn có một hoặc cả hai mặt của kính bị cong. Điều này có nghĩa là các tia sáng đi qua sẽ bị lệch về phía trung tâm của thấu kính khi chúng đi vào. Trong một thấu kính lồi kép, chẳng hạn như kính lúp, ánh sáng sẽ bị bẻ cong khi đi vào khi đi ra. Điều này có hiệu quả thay đổi đường đi của ánh sáng từ đối tượng, có liên quan đến chínhnguyên lý hoạt động của máy ảnh. Nguồn sáng phát ra ánh sáng theo mọi hướng. Tất cả các tia bắt đầu tại một điểm và sau đó liên tục phân kỳ. Một thấu kính hội tụ lấy các tia này và chuyển hướng chúng để tất cả chúng hội tụ trở lại cùng một điểm. Tại nơi này, hình ảnh của đối tượng sẽ thu được.

Nguyên lý hoạt động của camera đầu tiên

Phòng giam đầu tiên là một căn phòng có một lỗ nhỏ trên bức tường một bên. Ánh sáng đi qua nó và được phản chiếu theo các đường thẳng, và hình ảnh được chiếu ngược lên bức tường đối diện. Nó được gọi là camera obscura và được các nghệ sĩ sử dụng để vẽ những bức tranh nghệ thuật. Phát minh được cho là của Leonardo da Vinci. Mặc dù những thiết bị như vậy đã có từ rất lâu trước khi có bức ảnh thật đầu tiên, nhưng phải đến khi ai đó quyết định đặt vật liệu nhạy sáng ở phía sau căn phòng này thì ý tưởng thu được hình ảnh theo cách này mới ra đời. Nguyên lý hoạt động của chiếc máy ảnh đầu tiên như sau: khi chùm tia chiếu vào vật liệu cảm quang, các chất hóa học sẽ phản ứng và khắc hình ảnh lên bề mặt. Vì máy ảnh này không thu được quá nhiều ánh sáng, nên mất tám giờ để chụp một bức ảnh. Hình ảnh cũng khá mờ.

Sự khác biệt giữa máy ảnh SLR

Chuyên gia thường thích máy ảnh SLR hơn. Người ta tin rằng chất lượng hình ảnh tốt hơn vì người chụp nhìn thấy hình ảnh thực của đối tượng trong khung ngắm, chứ không phảibị bóp méo bởi số hóa và bộ lọc. Nếu chúng ta mô tả ngắn gọn nguyên tắc hoạt động của một máy ảnh có kính ngắm phản xạ, thì ý nghĩa tóm lại là thực tế là trong một máy ảnh như vậy, người chụp nhìn thấy một hình ảnh thực. Nó cũng có thể điều chỉnh tất cả các chi tiết bằng cách xoay và nhấn các nút. Điều này là do gương kép - lăng kính năm mặt. Nhưng trong thiết kế của máy ảnh có một cái nữa - trong mờ, nằm ở phía trước của ma trận, còn được gọi là cảm biến hoặc cảm biến. Nguyên lý hoạt động của màn trập máy ảnh là khi nhấn một nút, nó sẽ nâng gương lên và thay đổi góc nghiêng. Tại thời điểm này, một luồng ánh sáng chiếu vào cảm biến, sau đó hình ảnh được xử lý và hiển thị trên màn hình.

Nguyên lý hoạt động của máy ảnh SLR được kết nối với màng chắn, màng chắn này dần dần mở ra để cho các tia sáng đi qua. Nó bao gồm các cánh hoa, vị trí của nó quyết định đường kính của vòng tròn trung tâm và lượng ánh sáng truyền qua. Chùm tia chiếu vào các thấu kính, sau đó chiếu vào gương, màn hình lấy nét và lăng kính năm mặt, nơi hình ảnh được lật, rồi đến khung ngắm. Đây là nơi người chụp nhìn thấy hình ảnh thực. Nguyên lý hoạt động của máy ảnh không gương lật khác ở chỗ nó không có ống ngắm như vậy. Thường thì nó được thay thế bằng màn hình hoặc phiên bản điện tử. Tính năng tự động lấy nét theo pha cũng chỉ có trên máy ảnh SLR. Một điểm khác biệt nữa là khi bạn nhấn nút chụp, ánh sáng ngay lập tức chiếu vào ma trận máy ảnh.

Tập trung vào đối tượng

Chất lượng hình ảnh thay đổi tùy thuộc vào cách ánh sáng truyền quaqua ống kính máy ảnh. Nó liên quan đến góc mà chùm ánh sáng đi vào nó và cấu trúc của nó là gì. Con đường này phụ thuộc vào hai yếu tố chính. Đầu tiên là góc mà chùm sáng đi vào thấu kính. Thứ hai là cấu tạo của thấu kính. Góc vào của ánh sáng thay đổi khi vật thể di chuyển đến gần hoặc ra xa nó. Tia đi vào ở góc nhọn hơn sẽ đi ra ở góc tù hơn và ngược lại. Ống kính máy ảnh thu lại tất cả các tia sáng phản xạ và sử dụng kính để chuyển hướng chúng đến một điểm duy nhất, tạo ra hình ảnh sắc nét. "Góc uốn" tổng thể tại bất kỳ điểm nào đã cho không đổi.

Nếu ánh sáng bị mất nét, hình ảnh sẽ bị mờ hoặc mất nét. Về cơ bản, bẻ cong ống kính làm tăng khoảng cách giữa các điểm khác nhau trên nó. Tia từ điểm gần hội tụ ra xa thấu kính hơn tia từ điểm xa hơn. Nghĩa là, ảnh thật của một vật ở gần thấu kính được tạo thành ở xa thấu kính hơn là ảnh của một vật ở xa hơn. "Góc cung" tổng thể được xác định bởi cấu trúc của thấu kính. Ống kính máy ảnh xoay để lấy nét bằng cách di chuyển đến gần hoặc ra xa bề mặt của phim hoặc cảm biến. Ống kính có hình dạng tròn hơn sẽ có góc cong sắc nét hơn. Điều này làm tăng khoảng thời gian mà một phần của sóng ánh sáng truyền nhanh hơn phần kia, do đó ánh sáng chuyển hướng sắc nét hơn. Do đó, hình ảnh thực trong tiêu điểm được hình thành xa ống kính hơn khi ống kính có bề mặt phẳng hơn.

Kích thướcống kính và kích thước ảnh

Khi khoảng cách giữa thấu kính và hình ảnh thật tăng lên, các tia sáng sẽ mở rộng để tạo thành một hình ảnh lớn hơn. Một thấu kính phẳng chiếu một hình ảnh lớn, nhưng phim chỉ lộ ra ở giữa hình ảnh. Về cơ bản, ống kính được đặt chính giữa khung hình, phóng đại một vùng nhỏ trước mắt người xem. Khi mặt trước của kính di chuyển ra khỏi cảm biến máy ảnh, các vật thể sẽ ở gần hơn. Độ dài tiêu cự là phép đo khoảng cách giữa nơi tia sáng đầu tiên chạm vào ống kính và nơi chúng tới cảm biến của máy ảnh. Máy ảnh chuyên nghiệp cho phép bạn lắp các ống kính khác nhau, với độ phóng đại khác nhau. Mức độ phóng đại được mô tả bằng độ dài tiêu cự. Trong máy ảnh, nó được định nghĩa là khoảng cách giữa ống kính và hình ảnh thực của một vật thể ở một khoảng cách xa.

Sự khác biệt giữa các thấu kính

Số lượng tiêu cự cao hơn cho thấy độ phóng đại hình ảnh lớn hơn. Các ống kính khác nhau phù hợp với các trường hợp khác nhau. Nếu bạn chụp một dãy núi, bạn có thể sử dụng ống kính có tiêu cự đặc biệt lớn. Chúng cho phép bạn tập trung vào các yếu tố nhất định ở khoảng cách xa. Nếu bạn cần chụp chân dung cận cảnh, thì ống kính góc rộng sẽ làm được. Nó có độ dài tiêu cự ngắn hơn nhiều, vì vậy nó nén cảnh trước mặt người chụp.

Quang sai màu

Ống kính máy ảnh thực chất là nhiều ống kính được kết hợp thành một khối. Một thấu kính hội tụ có thể hình thànhhình ảnh thực trên phim, nhưng nó sẽ bị biến dạng bởi một số quang sai. Một trong những yếu tố gây biến dạng đáng kể nhất là các màu khác nhau của quang phổ uốn cong khác nhau khi chúng di chuyển qua ống kính. Quang sai màu này về cơ bản tạo ra một hình ảnh trong đó các tông màu không được căn chỉnh chính xác. Máy ảnh bù đắp điều này bằng cách sử dụng nhiều ống kính được làm từ các vật liệu khác nhau. Mỗi ống kính xử lý màu sắc khác nhau và khi chúng được kết hợp theo một cách nhất định, màu sắc sẽ được sắp xếp lại. Ống kính zoom có khả năng di chuyển các thành phần khác nhau của ống kính qua lại. Bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các thấu kính riêng lẻ, bạn có thể điều chỉnh toàn bộ công suất phóng đại của thấu kính.

Cảm biến phim và hình ảnh

Thiết bị và nguyên lý hoạt động của camera cũng gắn liền với việc ghi lại thông tin trên các phương tiện. Trong lịch sử, nhiếp ảnh gia cũng là một loại nhà hóa học. Phim bao gồm các vật liệu cảm quang. Khi những vật liệu này bị ánh sáng từ thấu kính chiếu vào, chúng sẽ ghi lại hình dạng của các vật thể và chi tiết, chẳng hạn như lượng ánh sáng đến từ chúng. Trong một căn phòng tối, bộ phim được phát triển, trải qua một loạt quá trình tắm hóa chất, để tạo ra hình ảnh. Nguyên lý hoạt động của máy ảnh gắn cảm biến có phần khác với hoạt động của máy ảnh phim. Mặc dù ống kính, phương pháp và thuật ngữ giống nhau, nhưng cảm biến máy ảnh kỹ thuật số trông giống một tấm pin mặt trời hơn là một dải phim. Mỗi cảm biến được chia thành hàng triệu pixel hoặc megapixel màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Khi ánh sáng chạm vào một pixel, một bộ cảm biến sẽ chuyển nó thành năng lượng và một máy tính tích hợp trong máy ảnh sẽ đọc bao nhiêu năng lượngđang được sản xuất.

Tại sao megapixel lại quan trọng

Cách cảm biến của máy ảnh hoạt động là đo lượng năng lượng mà mỗi pixel có và cho phép nó xác định vùng sáng và vùng tối của hình ảnh. Và bởi vì mỗi pixel có một giá trị màu, máy tính của máy ảnh có thể đánh giá màu sắc trong cảnh bằng cách xem những pixel lân cận khác được đăng ký. Bằng cách tập hợp thông tin từ tất cả các pixel, máy tính có thể ước tính gần đúng hình dạng và màu sắc của đối tượng được chụp. Nếu mỗi pixel thu thập thông tin về ánh sáng, thì cảm biến máy ảnh có nhiều megapixel hơn có thể chụp được nhiều chi tiết hơn.

Đây là lý do tại sao các nhà sản xuất thường quảng cáo máy ảnh megapixel bằng cách thêm giải thích ngắn gọn về cách máy ảnh hoạt động. Mặc dù điều này đúng ở một mức độ nào đó, nhưng kích thước cảm biến cũng rất quan trọng. Cảm biến lớn hơn sẽ thu thập nhiều ánh sáng hơn, giúp bạn có được chất lượng hình ảnh tốt hơn trong điều kiện thiếu sáng. Việc đóng gói nhiều megapixel vào một cảm biến nhỏ thực sự làm giảm chất lượng hình ảnh vì các pixel riêng lẻ quá nhỏ. Ống kính tiêu chuẩn của ống kính 50mm không cho phép phóng to hoặc thu nhỏ, lý tưởng cho các đối tượng không quá gần hoặc quá xa.

Cách Polaroid hoạt động

Một studio ảnh di động có thể chụp được những bức ảnh gần như tức thời đã là niềm mơ ước từ lâu. Cho đến khi có một chiếc máy ảnh bất thường cho phép bạn không phải đợi hàng tuần để có bản inhình ảnh. Edwin Land đã tạo ra chiếc máy ảnh Polaroid đầu tiên. Anh ấy nảy ra ý tưởng chụp ảnh lấy liền và xin Kodak tài trợ. Nhưng công ty đã coi đó như một trò đùa và chỉ cười nhạo anh ta. Edwin Land về nước và bắt đầu thực hiện các dự án khác để huy động tiền. Anh ấy đã tạo ra Polaroid Lens và sau đó phát minh ra studio ảnh di động nổi tiếng của mình.

Nguyên lý hoạt động của máy ảnh Polaroid tương tự như cơ chế hoạt động của máy ảnh phim thông thường, bên trong có đế nhựa phủ các hạt hợp chất bạc nhạy sáng. Mỗi ô trống cho một bức ảnh có các lớp nhạy sáng giống nhau nằm trên một tấm nhựa. Chúng chứa tất cả các hóa chất cần thiết để phát triển một bức ảnh. Dưới mỗi lớp màu là một lớp khác, có thuốc nhuộm. Tổng cộng, có hơn 10 lớp khác nhau trên thẻ, bao gồm một lớp nền mờ đục, là lớp trống cho phản ứng hóa học. Thành phần bắt đầu quá trình là thuốc thử, hỗn hợp các chất khử hoạt tính, kiềm, chất màu trắng và các nguyên tố khác. Nó nằm trong một lớp ngay trên các lớp cảm quang và ngay dưới lớp ảnh.

Nguyên lý hoạt động của máy ảnh Polaroid là trước khi chụp ảnh, tất cả chất phản quang được thu lại dưới dạng quả bóng trên viền của tấm nhựa, tránh xa vật liệu cảm quang. Sau khi nhấn nút, mép màng sẽ thoát ra khỏi buồng thông qua một cặp trục lăn để phân phối vật liệu thuốc thử ở giữa.khung. Khi thuốc thử được phân bố giữa lớp ảnh và các lớp cảm quang, nó sẽ phản ứng với các nguyên tố hóa học khác. Vật liệu không trong suốt ngăn cản ánh sáng lọc vào các lớp bên dưới, do đó phim không được tiếp xúc hoàn toàn trước khi được phát triển.

Hóa chất di chuyển xuống các lớp, biến các phần tử lộ ra của mỗi lớp thành bạc kim loại. Sau đó, các hóa chất sẽ hòa tan thuốc nhuộm của nhà phát triển, vì vậy nó bắt đầu ngấm vào lớp ảnh. Các khu vực của bạc kim loại trong mỗi lớp tiếp xúc với ánh sáng sẽ bẫy thuốc nhuộm để chúng ngừng di chuyển lên. Chỉ sơn từ các lớp chưa phơi sáng mới di chuyển lên lớp ảnh. Ánh sáng phản chiếu từ sắc tố trắng trong thuốc thử đi qua các lớp màu này. Lớp axit trong phim phản ứng với chất kiềm và chất khử hoạt tính trong thuốc thử, dẫn đến hình ảnh phát triển dần dần. Nó cần ánh sáng để phát triển đầy đủ và thường thì nhiếp ảnh gia sẽ rút thẻ ra và xem hóa chất cuối cùng liên quan đến việc phát triển phim.