Люди всегда стремились сохранить увиденное. Это стало возможным лишь в XIX веке с появлением фотографии. Развитие фототехники всегда шло по двум параллельным путям: с одной стороны — развитие фотографической оптики, позволявшей точнее фиксировать изображение, с другой — совершенствование записывающей среды, сначала фотопластинок и плёнки, а позже полупроводниковых матриц, сделавших фотографию частью нашей повседневности.
Империя в цвете.
По Российской империи неторопливо передвигался железнодорожный вагон. Окна его были плотно занавешены, на стенах изображены императорские вензеля. С точки зрения постороннего наблюдателя, если бы такой нашёлся, маршрут вагона был абсолютно хаотичным: проехав по местам сражений с Наполеоном, вагон отправился на Урал, оттуда —на Каму, потом—обратно в Москву. Побывал он и в Грузии, зачем-то доехал до Азербайджана, там обследовал каспийское побережье. Вагон сам передвигаться не мог, поэтому его прицепляли то к одному, то к другому поезду, а если в то место, куда он направлялся, поездов не предвиделось, вагон тащил персональный паровоз. Такая необычайная лёгкость передвижения объяснялась сопроводительным письмом. Оно, как по волшебству, появлялось из нагрудного кармана хозяина вагона, если какой-нибудь начальник станции пытался заартачиться. В письме предписывалось оказывать его подателю всяческое содействие, подписано оно было «Николай».
Хозяин вагона не был ни генералом, ни разведчиком, ни губернатором, следовавшим к новому месту службы. Был он фотографом и звали его Сергей Михайлович Прокудин-Горский. В вагоне с зашторенными окнами находилась фотолаборатория, а поездки по необъятной стране имели ясную и амбициозную цель—запечатлеть в цвете жизнь современной фотографу России.
Прокудин-Горский был энтузиастом цветной фотографии. Химик по образованию, он изучал технологию цветной съёмки в Мюнхене у известного фотографа Адольфа Мите. В процесс, разработанный Мите, Прокудин-Горский внёс существенные улучшения, но самое главное—он разработал новый тип фотоэмульсии. Использовавшиеся в то время составы были чувствительны только к синим и фиолетовым лучам, красные и зелёные предметы на фотографиях получались чёрными. В отличие от них, эмульсия Прокудина-Горского обладала равной чувствительностью по всему спектру.
Для съёмки Прокудин использовал длинную фотопластинку, делившуюся на три части. Перед объективом по очереди помещались три светофильтра. Сначала использовался синий фильтр, потом его быстро заменяли зелёным, фотопластинка опускалась из верхнего положения в среднее, и делался следующий снимок. Зелёный фильтр менялся на красный, фотопластинка опускалась ещё на одну позицию, снимался заключительный кадр. После проявления на фотопластинке появлялись три монохроматических изображения, которые рассматривали через специальный проектор. В проекторе были три объектива и три фильтра, а на экране получалось цветное изображение.
Первые пробы новой технологии оказались удачными. Запечатлённый на фотопластинку мир обрёл цвет и яркость. И тогда изобретатель загорелся амбициозной идеей — запечатлеть для современников и потомков всю Российскую империю в цвете. С этим проектом Прокудин-Горский дошёл до царя.
Николай II, который сам был фотографом-любителем, идею одобрил и распорядился помочь энтузиасту. Фотографу был выделен персональный вагон, в котором устроили фотолабораторию, автомобиль, пароход для поездок по Волге, и даже моторная лодка для плавания по реке Чусовой.
Путешествие по России продолжалось пять лет. За это время Прокудин-Горский объехал не только Европейскую часть империи (средняя полоса России, Волга, Урал), но и азиатскую: он побывал в Средней Азии и объездил весь Кавказ.
В проекте, поданном на высочайшее рассмотрение, изобретатель предлагал оснастить каждую гимназию и каждое реальное училище аппаратом его системы и ввести в учебную программу уроки «Родиноведения», показывающие красоту и разнообразие Российской империи.
Во время революции Прокудин-Горский уехал во Францию и вывез туда весь свой фотоархив. После второй мировой войны (он не дожил нескольких месяцев до её окончания) семья передала архив в библиотеку конгресса США, где он в настоящий момент и находится.
Первые фотографы, первые камеры.
Луи Дагер получил патент на изобретение фотографического процесса в 1839 году. За следующие сто пятьдесят лет трудами десятков энтузиастов, таких как Прокудин-Горский, фотография прошла огромный путь от нерезкого, словно покрытого мутной плёнкой, чёрно-белого изображения до ярких и контрастных цветных снимков.
Развитие шло параллельно по двум направлениям— совершенствование фотографической оптики и улучшение химического процесса.
В первой части довольно быстро были достигнуты впечатляющие успехи, хотя сделать хороший фотографический объектив трудно, труднее, чем, например, объектив микроскопа. Причин несколько: во-первых, в микроскоп обычно рассматривают объекты, расположенные в центре поля—там легче исправить аберрации. А если интересует объект, расположенный в стороне, то всегда можно пододвинуть предметное стекло, чтобы он попал в центр. В фотографии все объекты, попавшие в поле зрения, должны изображаться с одинаковым качеством. Фотоснимок рассматривают увеличенным, размер конечного изображения намного больше, чем размер фотоплёнки. При таком увеличении все дефекты сразу бросаются в глаза. Во-вторых, фотографический объектив должен обладать большой глубиной резкости, то есть, как близкие, так и далёкие объекты должны быть чёткими. В микроскопии такой проблемы не существует, высота объектов там измеряется в микронах. А в фотографии глубина изображаемого пространства может достигать десятков метров.
Отдельной и очень неприятной проблемой была скорость съёмки. В первых фотоаппаратах время экспозиции даже в хорошо освещённом помещении составляло около десяти минут. А для пейзажной съемки выдержка могла запросто превысить четверть часа. Причиной этому была не только недостаточная чувствительность первых фотоэмульсий, но и низкое качество оптики. Уменьшить время съёмки можно было, увеличив количество света, попадающего на фотопластинку через объектив (то, что фотографы называют светосилой). Чем больше светосила объектива, тем больше света он соберёт, и тем меньше будет время экспозиции. Светосилу определяют, как отношение фокусного расстояния линзы к её диаметру. Если светосила объектива равна пяти, это значит, что фокусное расстояние в пять раз больше диаметра линзы. При фокусном расстоянии пятьдесят миллиметров, диаметр объектива будет равен десяти миллиметрам (на самом деле, количество пропускаемого объективом света зависит от площади линзы, поэтому полученное число нужно возвести в квадрат, чтобы перейти от диаметра к площади. Но о светосиле обычно говорят, когда хотят сравнить разные объективы, в этом случае для сравнения можно взять «простое» отношение фокусного расстояния к диаметру. Его ещё называют диафрагменным числом, а по-английски — «F-number». Чем оно меньше, тем больше светосила объектива).
Для своих первых снимков Луи Дагер использовал достаточно примитивный объектив, имевший всего одну линзу, склеенную из двух разных стёкол для уменьшения хроматической аберрации. Было очевидно, что эта оптика нуждается в усовершенствовании, и уже в 1840 году, всего через год после того как Дагер получил патент на своё изобретение, Французское общество содействия национальной промышленности объявило конкурс на создание нового светосильного объектива. Среди участников был и профессор Венского университета Йозеф Пецваль, специально для конкурса рассчитавший новый портретный объектив. Расчёт даже простой двухлинзовой системы требовал большого количества утомительных расчётов, одному человеку справиться с ними было не под силу. Пецваль обратился за помощью к эрцгерцогу Людвигу, командовавшему артиллерией австрийской армии, по его приказу профессору выделили помощь—десятерых вычислителей, четверых в звании капрала и шестерых унтер-офицеров. До этого они занимались расчётом данных для стрельбы гаубиц, но смогли справиться и с расчётом оптики. Работа заняла полгода. Стоит отметить, что до этого Пецваль никогда не занимался оптикой. Он вообще был крайне самобытным типом. Уроженца венгерского городка родители собирались обучить ремеслу башмачника, но однажды во время каникул ему попалась в руки книга по математике. За лето он изучил её вдоль и поперёк и, появившись в школе, поразил учителей своими познаниями. Инженерный диплом Йозеф Пецваль получил в Геометрическом институте Буды (тогда она с Пештом ещё не составляла одно целое), но расчёт плотин и дамб мало интересовал его, и вскоре он занял должность профессора математики Венского университета.
Объектив Пецваля состоял из четырёх линз, две передние были склеены, как у Дагера, две задние разделялись воздушным промежутком. Дублеты разделялись диафрагмой, «срезавшей» лучи, направленные под большими углами. Светосила нового объектива составляла 3,4. Для сравнения, конкурирующий с Пецвалевским объектив француза Шевалье имел светосилу 15, то есть, выигрыш в количестве света, попадавшего в объектив, составлял семнадцать раз (площадь линзы пропорциональна квадрату диаметра, поэтому отношение светосилы двух объективов надо возвести в квадрат). Высокой резкости в объективе Пецваля можно было добиться только в центре изображения, но для портретной съёмки это было даже лучше—края снимка как бы затушёвывались, образуя мягкое «боке».
Несмотря на столь впечатляющие характеристики, жюри присудило победу объективу Шевалье. Пецваля это не обескуражило, и с помощью своего товарища, механика Фохтлендера, он сам сделал фотокамеру под новый объектив. Камера была металлической и устанавливалась на штативе, сделанные фотографии имели круглую форму. Новый фотоаппарат оказался надёжным, практичным и хорошо раскупался, несмотря на высокую цену—сто двадцать австрийских гульденов, столько в то время стоила верховая лошадь с седлом. К сожалению, сотрудничество Пецваля и Фохтлендера скоро прервалось из-за финансовых и патентных разногласий. Конфликт длился многие годы, дошло до того, что дом Пецваля был взломан, а находившиеся там документы и труды по оптике уничтожены. В конце концов Фохтлендер был вынужден перенести производство в Брауншвейг, где не действовало австрийское патентное право. Иозеф Пецваль дожил до глубокой старости, хотя и провёл последние годы в нищете. Оптикой он больше никогда не занимался. А фирму Фохтлендера ждало большое будущее. Она стала одним из крупнейших производителей фотографической оптики, пережила две мировые войны, и, хотя сама компания в 1999 году была продана японцам, камеры под маркой Voigtländer выпускаются до сих пор.
За следующие сто лет появилось немало удачных конструкций объективов. Обычно их делали, комбинируя две или три склеенные дублетные линзы. В конце девятнадцатого века появился состоявший из трёх линз английский объектив Кука, настолько популярный, что его стали называть просто Триплет. А ещё через несколько лет ученик Аббе Пауль Рудольф, взяв лучшее из Куковского триплета и из своих прошлых разработок, рассчитал объектив Тессар. Эти простые схемы оказались настолько удачными, что практически без изменений дожили до наших дней. В Советском Союзе Триплет использовался в фотоаппаратах Смена, а Тессар выпускался под именем Индустар, им комплектовались ФЭД и Зоркий. Примерно в то же время появились диафрагмы переменного диаметра и механизмы, позволявшие регулировать выдержку. К началу двадцатого века фотографическая оптика достигла вполне приемлемого даже по сегодняшним меркам уровня.
Химия изображения: от серебра до цветной плёнки.
С химией дело обстояло значительно сложнее. Первый химический фотопроцесс, созданный Ньепсом и Дагером, был позитивным. Для получения изображения использовался чувствительный к свету йодид серебра. Засвеченная фотопластина обрабатывалась парами нагретой до семидесяти градусов ртути (к счастью для развития фотографии, в девятнадцатом веке ещё не до конца осознали её губительное действие). Под действием ртутных паров места, на которые во время съёмки попал свет, образовывали светлую плёнку, места на которые попало меньше света, оставались тёмными. Таким образом, после проявки сразу же получалась готовая фотография, но только одна – чтобы получить несколько копий, нужно было сделать несколько снимков. Эмульсия наносилась на пластину в тёмной палатке непосредственно перед съёмкой. Процесс, как видим, выглядел не слишком привлекательным.
По другую сторону Ла-Манша тоже работали над способом получения изображений. Англичане Уильям Тальбот и Джон Гершель (сын астронома Вильяма Гершеля и сам астроном) разработали свой метод фотосъёмки. Хотя процесс Гершеля и Тальбота тоже был основан на солях серебра, они смогли найти более практичные рецепты для проявителя и закрепителя, а главное — у Тальбота участок, на который попадало много света, оказывался тёмным. Чтобы получить отпечаток с правильными цветами, нужно было повторить процесс ещё раз, освещая фотопластинку через уже проявленный негатив. Слова позитив и негатив, так же, как и слово фотография, придумал Джон Гершель. Английское изобретение позволяло делать с одного негатива неограниченное количество отпечатков. Плата было высокой—двухступенчатый процесс (негатив-позитив) вместо одноступенчатого, но результат того стоил.
К сожалению, ни новая, ни старая технология не позволяли определить в момент съёмки, получился ли снимок. Чтобы увидеть результат, надо было провести несколько часов в тёмной фотолаборатории. При наличии нескольких катушек с фотоплёнкой можно было бы быстро «нащёлкать» несколько снимков, а потом выбрать наилучший. Но в то время фотографировали на пластинки и сделать быстро несколько снимков было технически невозможно – каждый раз аппарат надо было перезаряжать.
И тут в гонку включилась недавно созданная американская компания Кодак. Сначала она выпустила негативную фотобумагу, свёрнутую в кассету. Больше не надо было перезаряжать камеру после каждого снимка, конечно, если у Вас была камера производства Кодак. Вслед за фотобумагой в 1886 году появилась негативная фотоплёнка на прозрачной подложке, называвшаяся Eastman American Film в честь основателя компании Джорджа Истмена. Одной плёнки хватало на сто снимков, подготовка к фотосъемке занимала меньше минуты. Не случайно лозунг компании Кодак был: «Вы нажимаете на спуск, мы делаем остальное».
Технология изготовления негативных прозрачных плёнок без особых изменений просуществовала больше 100 лет. Кодаковская плёнка имела в ширину 70 миллиметров, всё ещё слишком много для портативной фото- или кино- камеры. Поэтому первые появившиеся в то время киноаппараты стали использовать плёнку половинной ширины, 35 миллиметров. Примерно тогда же начались эксперименты с 35-мм плёнкой и в фотографии. Но большой популярности первые узкоплёночные аппараты не снискали, до тех пор пока в 1925 году малоизвестная немецкая фирма Лейка не выпустила свою малоформатную камеру.
Хозяину Лейки Оскару Лейцу, его ведущему инженеру Оскару Барнаку и оптику Максу Береку удалось создать компактный и удобный в использовании, хотя и не дешёвый (стоимость Лейки составляла среднюю месячную зарплату) фотоаппарат. Объектив Лейки представлял собой модификацию Куковского триплета. Камера была оборудована видоискателем, механизмом регулировки диафрагмы и механическим затвором (самая короткая выдержка составляла 1/500 секунды). В следующей серии появился дальномер. Одной кассеты хватало на 36 снимков.
С Лейки началась эпоха современных фотокамер. Несмотря на появление новых систем (в первую очередь, зеркальных камер), Лейка и её потомки дожили до наших дней. Говоря о потомках, в первую очередь нужно вспомнить советские фотоаппараты ФЭД и Зоркий. Только появление компьютеров, сделавшее возможным расчёт оптики с помощью специальных программ, радикально переломило ситуацию. С новыми объективами Nikon и Canon, Лейка тягаться уже не могла...
Специализированные программы для оптических расчётов открыли дорогу к следующему прорыву—созданию зум-объективов с переменным фокусным расстоянием. До появления компьютеров расчёт даже относительно простого объектива занимал от полугода до нескольких лет, а необходимость учитывать аберрации для каждого промежуточного положения движущихся линз делала задачу практически невыполнимой. Ещё одним серьёзным барьером для сложных многолинзовых систем были оптические потери: на каждой поверхности линзы исчезало до 4% светового потока. Лишь с появлением многослойных просветляющих покрытий, позволивших резко снизить эти потери, стало возможным широкое использование многолинзовых схем.
Лёгкие компактные камеры, позволявшие делать снимки в практически любых условиях, превратили фотографию в массовое искусство. Появились новые жанры, репортажная и спортивная съёмка, немыслимые раньше. Все ждали следующего шага—фотография должна была стать цветной. Но с этим дело обстояло совсем не просто.
Монохроматическая эмульсия обладала чувствительностью только к синим и зелёным цветам. Жёлтые оттенки были видны слабо, красные не фиксировались вообще, зато синие предметы на снимке получались ярко-белыми. Поэтому при съёмке надо было использовать светофильтры; ослабляя свет определённых длин волн, они давали на фотоплёнке изображение, привычное человеческому глазу.
Химики потратили несколько десятилетий на создание фотоматериала, обладавшего равномерной чувствительностью по всему спектру. Одной из первых удачных попыток была эмульсия, разработанная Прокудиным-Горским, а массовый выпуск новых фотоматериалов начался в двадцатых-тридцатых годах прошлого столетия. И хотя их чувствительность на определённых длинах волн по-прежнему имела «провалы», теперь картинка на чёрно-белом снимке совпадала с нашими интуитивными представлениями. Можно ли было использовать новые эмульсии для комбинированной цветной съёмки?
При всей элегантности технологии, использовавшейся Прокудиным-Горским в начале двадцатого столетия, для тридцатых годов она уже не подходила. С появлением репортажной фотографии скорость съёмки выросла многократно. Вряд ли фотокорреспондент мог себе позволить сделать три одинаковых снимка события, каждый раз меняя светофильтр и передвигая плёнку в фотоаппарате. Да и рассматривать фотографии через проектор с тремя объективами было не очень удобно. Люди хотели привезти из отпуска яркие фотоснимки, которые можно было бы вставить в альбом, а потом рассматривать зимними вечерами.
Съёмка через несколько светофильтров неожиданно нашла применение в кинематографе. На этом принципе была построена популярная в тридцатые годы технология Техниколор. Кинокамера имела один объектив, а падающий свет с помощью призмы разделялся на две части. За призмой располагались зелёный и пурпурный фильтры: первый направлял изображение на «зелёную» плёнку, а за пурпурным фильтром находилась пара плёнок, прижатых эмульсиями друг к другу. Одна из них фиксировала красный свет, другая — синий. Все три плёнки двигались синхронно.
Техниколор был сложной технологией – для съёмки требовались дорогие камеры и очень яркий свет в павильоне. Особенно много возни требовало точное совмещение плёнок. И хотя Техниколоровскими аппаратами были сняты «Унесённые ветром» и «Волшебник из страны Оз», это решение было временным, «за неимением лучшего».
Первую массово изготавливавшуюся цветную плёнку для фотосъёмки выпустил в 1935 году всё тот же Кодак, она называлась Кодахром. Меньше чем через год, к Олимпийским играм в Берлине появилась и цветная немецкая Агфа. Немецкая плёнка была не хуже по качеству и значительно проще в обработке (Кодаковские плёнки можно было обрабатывать только в фирменных лабораториях с дорогим сложным оборудованием), но Агфу подкосила война. В 1945 году все запасы немецкой цветной плёнки и оборудование, использовавшееся для её производства, были вывезены в СССР, а сама компания раскололась на западногерманскую Агфу и восточногерманскую Орво. А Кодахром в различных модификациях и её потомки выпускались ещё, по меньшей мере, шестьдесят лет.
Нерешённой проблемой фотоплёнки оставалась зернистость изображения. Картинка на эмульсии формируется миллионами кристалликов хлористого серебра. Под действием света они чернеют, образуя изображение; кристаллы, на которые не попал свет, остаются прозрачными. Почерневшие и слипшиеся серебряные кристаллики образуют хорошо различимые при увеличении зёрна. Чем выше чувствительность фотоплёнки, тем крупнее должны быть зёрна серебра, чтобы захватывать даже небольшие количества света, и тем выше будет зернистость. На плёнке зернистость не так уж видна, но попробуйте напечатать снимок с большим увеличением... Часто сделать большую фотографию для выставки оказывалось просто невозможным, фотографию как будто покрывал слой песка.
Зернистость сильно досаждала фотографам. Возможно, в конце концов, и эту проблему удалось бы решить, но в восьмидесятые годы она потеряла актуальность. Причиной стала появившаяся новая технология — светочувствительные полупроводниковые матрицы.
Цифровая революция: сенсоры и матрицы.
Появление матриц требовало переворота не только в технологии. В первую очередь переворот должен был произойти в головах.
Спор о том, что представляет из себя свет — частицу или волну, шёл то затихая, то разгораясь триста лет. Ньютон полагал (хотя и подчёркивал, что это всего лишь гипотеза), что свет представляет собой поток частиц, которые он называл латинским словом «корпускулы». Доказательства очевидны - свет распространяется по прямой, и отражается от поверхности под тем же углом, что и падает на неё. Всё происходит в соответствии с законами механики, брошенный шарик будет вести себя так же. Вечный соперник Ньютона Роберт Гук считал, что свет имеет волновую природу. Собственно, со спора о природе света и началась многолетняя борьба Ньютона и Гука.
В девятнадцатом столетии победу одержала волновая теория. Французский оптик Френель с её помощью смог объяснить все главные оптические явления — интерференцию (сложение встречающихся волн), дифракцию (огибание волнами препятствий) и поляризацию (ослабление света, проходящего через два вырезанных из кристаллической пластинки светофильтра). К тому же описание света с помощью волн хорошо подходило к господствовавшей тогда в физике теории эфира. Если всё пространство заполняет невидимая упругая среда, называемая эфиром, то кажется вполне логичным предположить, что свет —это волны, распространяющиеся в этом эфире.
Казалось, волновая теория навсегда останется основой оптики. И это в самом деле было так… до тех пор, пока в 1887 году Генрих Герц не открыл фотоэффект.
В стеклянную трубку помещали два электрода. Из трубки выкачивали воздух, а между электродами прикладывали напряжение, минус на катод и плюс на анод. К трубке был подключен амперметр, но его стрелка оставалась на нуле—тока в цепи не было, поскольку отсутствовали свободные электроны. Но стоило осветить катодную пластину, и стрелка амперметра сразу же отклонялась от нуля—в цепи возникал ток. Каким-то образом световые лучи выбивали из металлической пластины электроны.
Одним из первых фотоэффектом начал заниматься профессор Московского университета Александр Столетов. Увеличивая и уменьшая интенсивность светового потока, он обнаружил, что сила фототока пропорциональна интенсивности падающего света. Используя разноцветные светофильтры Столетов также заметил, что энергия вылетающих электронов зависит от частоты падающего света. К сожалению, Столетов не сделал решающего шага, который мог принести ему Нобелевскую премию —если бы он поставил на пути светового потока тёмно-красный фильтр, электрический ток прекратился бы.
Такой опыт через несколько лет поставил немец Филипп Ленард. Оказалось, что если освещать пластину светом с частотой ниже какого-то минимума, то ток не пойдёт — электроны останутся заключёнными внутри катода. Для фотокатода, который был у Ленарда, эта критическая частота соответствовала красному свету, поэтому то, что открыл Ленард, стало называться «красной границей фотоэффекта».
Исследованием фотоэффекта занимались многие учёные, но объяснить его с точки зрения волновой теории не удавалось, пока в 1905 году не была опубликована работа Альберта Эйнштейна. Для объяснения фотоэффекта Эйнштейн использовал понятие кванта, незадолго до того введенное в физику Максом Планком. Следуя Планку и Эйнштейну, световые лучи представляют из себя поток световых квантов-фотонов, в каком-то смысле идентичных Ньютоновским корпускулам, а излучение и поглощение света дискретно, то есть, вещество может поглотить или излучить только целое число фотонов. Затем Эйнштейн предположил, что энергия падающего фотона тратится на то, чтобы вырвать электрон со своего места и придать ему силу, оставив родной металл, «уйти в плавание». Но так как энергия фотона зависит от его частоты, то не каждый фотон способен выбить электрон с насиженного места. Для разных веществ необходимая энергия отличается.
Если фотон, падающий на металлическую пластину, способен выбить из неё электрон, то можно создать устройство, которое будет преобразовывать световые лучи в электрический ток. Чем лучше освещён предмет, тем больше световых квантов попадёт на светочувствительное устройство, тем сильнее будет фототок. Такое устройство может реагировать на изменение интенсивности света, а если составить его из большого количества компактных элементов, как глаз мухи, мы получим мечту фантастов тридцатых годов — прибор «волшебное око». Непонятно было только, как сделать такой прибор. И здесь на помощь оптике пришла полупроводниковая технология.
Сегодня в профессиональных и любительских камерах разного назначения используются несколько типов устройств. Самое популярное—КМОП матрица; КМОП означает Комплементарная структура Металл-Оксид-Полупроводник; по-английски такая матрица называется CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductors structure).
Матрица CMOS, как и любой другой прибор такого рода, состоит из пикселей. Размер пикселя определяется не только возможностями промышленности, но и суммой технических требований. С одной стороны, чем меньше размер, тем больше пикселей можно уместить на матрицу, тем выше будет её разрешающая способность. С другой стороны, уменьшение размера пикселя влияет на его чувствительность. На маленькую площадку попадает меньше фотонов, а слабый сигнал более чувствителен к шуму. У большинства производителей сегодня размер пикселей составляет несколько микрон. А количество пикселей на матрице давно уже измеряется миллионами — два мегапикселя, пять мегапикселей, и так далее.
Главный элемент каждого пикселя – фотодиод. Работа фотодиода основана на явлении фотоэффекта, только теперь под действием потока фотонов электроны вылетают не из металлической пластины, а из полупроводника. Каждый поглотившийся фотон создаёт пару, состоящую из положительного и отрицательного зарядов. На фотодиод подаётся напряжение, которое тут же «растаскивает» образовавшиеся заряды в разные стороны. Носители заряда, электроны, скапливаются в конденсаторе, который сохраняет заряд до тех пор, пока открыт затвор фотокамеры. Чем больше выдержка, тем больше электронов накопит конденсатор.
Когда затвор закрывается, транзисторный усилитель, расположенный на пикселе, превращает накопившийся заряд в напряжение. Ещё на пикселе есть адресное устройство, которое может выдать сигнал по запросу для конкретной ячейки. Оно необходимо для того, чтобы процессор знал, от какого пикселя пришёл сигнал. Имея адресное устройство, можно использовать более сложные схемы съёмки, например, считывать сигнал только с центрального участка, или только из правого угла матрицы.
«Врождённая болезнь» КМОП матриц — относительно малая полезная площадь на пикселе. Электроника, обрабатывающая сигнал, занимает драгоценное место, и на долю фотодиода остаётся не так уж и много места, в лучшем случае порядка 50%. Чтобы увеличить количество попадающего на матрицу света, над каждым пикселем находится микролинза.
Фотодиод реагирует только на общую освещённость, что такое цвет, он «не знает». Чтобы получить цветное изображение, на матрицу накладывают фильтр Байера (получивший своё имя в честь инженера компании Кодак), который состоит из красного, синего и двух зелёных элементов. Зелёных пикселей в два раза больше, чем красных или синих, потому что человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность в этом диапазоне, и мелкие детали лучше рассматривать в зелёном свете. А так как все пиксели матрицы пронумерованы, можно легко узнать, откуда пришёл сигнал—с красного, зелёного или синего участка. Получается, что матрица генерирует сразу три картинки, красную, синюю и зелёную. Плата за цветное зрение довольно высока— разрешение по горизонтали и вертикали уменьшается в два раза, вместо двух монохроматических пикселей теперь остался один красный и один зелёный.
Появление фотоматриц привело к революции в способах записи и обработки информации. Оцифровка фотографий сделала возможным применение новейших компьютерных технологий для их обработки. Контроль качества деталей в реальном времени, анализ тысяч похожих рентгеновских снимков, с тем чтобы выяснить, является ли опухоль злокачественной— всё это стало возможным. Но то, что очевидно сегодня, в семидесятые годы виделось по-другому. Появление матриц не вызвало большого энтузиазма у производителей фототехники. Когда в 1975 году Стивен Сессон, работавший в Кодаке, представил руководству компании сделанную им бесплёночную фотокамеру (первую в мире), ему задали много скептических вопросов:
-Кто купит такое огромное устройство?
-Где хранить фотографии?
-Как просматривать снимки? Неужели по телевизору?
-И главный вопрос: если Кодак начнёт изготавливать бесплёночные камеры, что делать с основным бизнесом компании – производством фотоплёнки?
Кодак был монополистом на американском рынке плёнки и не видел никаких признаков того, что ситуация в ближайшее время изменится.
Правда, в фотоаппарате, который Сессон представил директорам, трудно было рассмотреть будущего лидера рынка. Скорее он напоминал гадкого утёнка. К объективу Кодаковской камеры была прикручена светочувствительная матрица разрешением сто на сто пикселей. Видеосигнал обрабатывался электронным блоком (переделанным из цифрового вольтметра) и записывался на кассетный магнитофон. Сохранение одной фотографии на кассету занимало 23 секунды. Весило устройство 4 килограмма. Изображение, естественно, было чёрно-белым. Для просмотра фотографий магнитофон подключался к персональному (!) компьютеру.
Но процесс было уже не остановить. В 1981 бесплёночную камеру Mavica (Magnetic Video Camera) выпустила Sony, изображения здесь сохранялись уже на флоппи-диске. В 1984 появился первый бесплёночный Canon, и во время Олимпиады в Лос-Анжелесе японский журналист впервые передал по телефону (точнее, по модему) только что сделанные фотографии. В 1991 году Kodak и Nikon совместно начали выпуск массовых цифровых камер. Kodak это, правда, не спасло от банкротства, но речь не об этом.
Революция в глубине: от 2D к 3D.
Остаётся ещё одна проблема. Задача фотографии сводится к тому, чтобы каким-то образом «впихнуть» трёхмерный мир в двухмерную картинку. Большая часть информации при этом неизбежно теряется. Что именно теряется? Прежде всего, данные о глубине. Глядя на фотографию, мы можем только по контексту предположить, какие объекты находятся ближе к нам, а какие дальше.
Камеры глубины появились именно тогда, когда без них стало трудно обойтись. Вначале они использовались в игровых приставках, а сейчас стали важнейшей деталью беспилотных автомобилей. Если в пикселе обычной камеры хранится информация о яркости и цвете, то пиксель в камере глубины содержит информацию о расстоянии до объекта в данной точке.
Для построения карты глубины используется лидар (аббревиатура английского Light Detection and Ranging). Встроенный в камеру датчик «стреляет» лазерными импульсами, луч отражается от находящегося впереди объекта и возвращается обратно. Электроника измеряет временную задержку между отправкой и прибытием импульса. Зная время и скорость света, можно определить расстояние до объекта. Звучит просто, но это как раз тот случай, когда дьявол прячется в деталях. Скорость света составляет 300000 километров в секунду. Предположим, что объект находится на расстоянии десяти метров от камеры. В этом случае время, которое нужно измерить, порядка 60 наносекунд . А если нужно, чтобы погрешность измерения не превышала 1%, то погрешность при определении времени измеряется уже в пикосекундах. Для измерений с такой точностью нужна очень сложная электроника.
Лазер должен быть инфракрасным и не слишком мощным, чтобы не ослепить человека при случайном попадании в глаз. Лазерный луч может по пути отразиться несколько раз от объектов, не представляющих интереса (например, между камерой и объектом пролетает муха). Интенсивность отражённого импульса непостоянна и зависит от свойств объекта, а ещё от погоды — в тумане система будет работать по-другому. Алгоритмы обработки данных должны учесть все эти факторы и отфильтровать ложные сигналы.
На сегодняшний день эти проблемы удалось в значительной степени преодолеть. Система FaceID компании Apple, сделанная на основе лидара, позволяет по трёмерному изображению лица распознать владельца телефона. Точность измерений достигает долей миллиметра, что делает метод практически неуязвимым для подделок и позволяет использовать его даже в условиях слабого освещения.
Двухмерную карту глубины можно превратить в объёмное облако точек. Чем выше разрешающая способность лазерного сканера, тем гуще будут расположены точки, тем больше облако будет напоминать реальную человеческую фигуру. В трёхмерной картине место пикселей займут маленькие кирпичики объёмного облака, воксели. И если очень короткими, фемтосекундными (это уже одна квадрильонная доля секунды) вспышками лазера зажигать нужные воксели, то мы сможем увидеть движущееся трёхмерное изображение. В таких трёхмерных голограммах нового поколения изображение будет возникать в облаке, состоящем из плазмы, ионизированные атомы которой будут светиться под действием лазерного излучения.
Чуть меньше чем за 200 лет фотография прошла путь от тяжёлых камер и фотопластин до зум-объективов и цифровых матриц. На этом пути сошлись оптика, химия и квантовая физика. Когда-то фотография была развлечением, потом — искусством, а сегодня она стала инструментом науки и технологий.
И, возможно, в ближайшие десятилетия мы станем свидетелями ещё одного прорыва — появятся системы, которые позволят записывать движущееся изображение в полном трёхмерном объёме, с сохранением глубины и фактуры, словно фрагмент реальности перенесён прямо на экран.