Тенденции в цифровой фотографии. Часть 1 (Объективы)

Тенденции в цифровой фотографии: Часть 1. Объективы Часть 2. Вспышки Часть 3. ПЗС-матрицы Часть 4. Пиксели Часть 5. Память

Представьте себе фотоаппарат, оборудованный объективом с постоянным фокусным расстоянием 55 мм, со свободным фокусом (по англоязычной терминологии focus free) и максимальной диафрагмой f/4,5. "Мыльница" -с отвращением произнесёт большинство из читателей. Именно так назывались примитивные изделия из Юго-Восточной Азии, заполонившие российский рынок в начале девяностых. Вышеописанная камера тоже появилась в 1990 году, однако, в отличие от "мыльниц", стоила она дороже некоторых профессиональных "зеркалок".

Объяснялось это тем, что упомянутый фотоаппарат был цифровым. Точнее - первой любительской цифровой камерой Dycam Model 1,более известной под названием Logitech FotoMan FM-1.

Logitech FotoMan FM-1 (разрешение 376X284, объектив 55 мм, f/4,5)

Впрочем, пенять на примитивность оптики не приходилось - при разрешении 376X284 использовать высококачественный вариообъектив не имело никакого смысла. И хотя в том же 1990 году появилась первая цифровая "зеркалка" Kodak DCS-100, созданная на базе плёночной камеры Nikon F3 (одна из лучших профессиональных моделей того времени) и использовавшая весь спектр прекрасной оптики Nikkor, среди любительских цифровых фотоаппаратов по сей день встречаются экземпляры, оснащённые объективом класса "мышкин глаз". Впрочем, цифровые фотоаппараты именно с такой оптикой дали возможность "демократизировать" цены на данный тип техники. В частности, появившийся в 1996 году в Санкт-Петербурге Kodak DC-20 (OEM-версией фотоаппарата Chinon ES-1000) стоил порядка трёхсот долларов.

Kodak DC-20 (Разрешение 493X373, объектив 47 мм, f/4)

И хотя особым комфортом в эксплуатации камера отнюдь не блистала (отсутствовали ЖК-дисплей, вспышка и сменная память), низкая цена, миниатюрные габариты, малый вес и скромное энергопотребление сделали DC-20 "первым шагом в мир цифровой фотографии" для довольно большого числа пользователей.

Однако с ростом разрешения ПЗС-матриц стало ясно, что невысокое оптическое разрешение объектива и отсутствие автофокуса уже не соответствуют возможностям сенсоров. Поэтому уже в 1995 году появились фотоаппараты с автофокусным объективом, одной из которых была DC-50 Zoom (OEM-версия Chinon ES-3000, известная также под обозначением Dycam 10-C).

Kodak DC-50 Zoom (Разрешение 756X504, объектив 37-11 мм, f/2,8-f/4)

Объектив этой камеры был не только автофокусным - его фокусное расстояние было переменным (от 37 до 111 мм в эквиваленте 35-миллиметровой камеры), что значительно расширяло возможности пользователя. Такой тип оптики ошибочно принято называть "зум-объективом" (от английского zoom), хотя более правильным термином является "вариообъектив".

Помимо значительно улучшившейся оптики, DC-50 Zoom характеризовалась такими "вкусностями", как вспышка, ЖК-дисплей и отсек для сменной памяти. Хотя по внешнему виду фотоаппарат Kodak оказался больше похожим на видеокамеру (и такой дизайн не прижился в цифровой фотографии), вышеперечисленные компоненты стали стандартными для всех цифровых фотокамер, а автофокусный вариообъектив применяется в подавляющем большинстве моделей. Впрочем, данный тип оптики варьируется как по габаритам, так и по кратности, светосиле, оптическому разрешению и уровню геометрических и хроматических аберраций.

Для уменьшения габаритов объектива в ряде случаев "хобот" с оптикой "втягивается" в корпус фотоаппарата при его выключении. Впервые такое конструктивное решение было применено в компактных 35-миллиметровых фотоаппаратах, а в цифровой фотографии выдвигающимся вариообъективом обзавелась вначале камера фирмы Kodak - в 1997 году появилась DC-210, OEM-версия KINON DC-1100. Впрочем, объектив DC-210 был не автофокусным, а вот у появившегося позднее Olympus C-900Z (американское обозначение D-400Z) и кратность оптики была выше (три вместо двух), и автофокус имелся.

Kodak DC-210 (Разрешение 1152X864, объектив 29-58 мм, f/4-f/4,7)

Olympus C-900Z (Разрешение 1280X960, объектив 35-105 мм, f/2,8-f/4,4)

Наличие автофокуса, помимо более резкого изображения близкорасположенных объектов съёмки, обеспечивало и более высокую светосилу объективов. Дело в том, что в объективах со свободным фокусом, которыми оборудованы Kodak DC-20 и DC-210, используется такое оптическое свойство, как гиперфокальное расстояние - минимальное расстояние от съемочного объектива до воображаемой плоскости в пространстве. При фокусировке объектива на эту плоскость дальняя граница изображаемых им резко объектов оказывается в бесконечности, а ближняя граница (то есть минимальная дистанция съемки) оказывается на расстоянии, равном половине гиперфокального расстояния.

Поскольку величина гиперфокального расстояния прямо пропорциональна квадрату фокусного расстояния объектива и обратно пропорциональна его диафрагме, производители, стремясь уменьшить ближнюю границу съемки (хотя бы до 1,5 метров), используют объективы с максимально закрытой диафрагмой, которые совершенно не приспособлены для съёмки при недостаточной освещённости.

Если приходится снимать в помещении со слабым источником света, либо на улице в сумерках, то оптика должен быть как можно более светосильной. Как правило, таковым считается объектив, минимальное значение диафрагменного числа которого 2,8 и ниже. Производители вариообъективов считают "светосильной" оптику с самыми разными параметрами, однако правильнее всего называть этим термином такой объектив, у которого при "коротком" фокусе максимальное относительное отверстие эквивалентно f/2,0-f/2,8, а при "длинном" фокусе - f/2,5-f/3,0. Такая оптика обеспечивает более интенсивный световой поток, чем обычные объективы, поэтому можно использовать "короткие" выдержки и уменьшить риск "сдёргивания" кадра. Кроме того, светосильные объективы более "спокойно" переносят установку различных насадок - насадочных линз и светофильтров, так как ослабление светового потока этими насадками ограничивает их использование совместно с обычными объективами.

Одной из первых цифровых фотокамер со светосильным объективом была Olympus C-2000 Zoom, появившаяся в 1999 году. Помимо высокой (f/2.0-f/2.8) светосилы, вариообъектив (от 35 до 105 мм в эквиваленте 35-миллиметровой камеры) C-2000 Zoom отличался низким уровнем геометрических и хроматических аберраций и хорошим запасом оптического разрешения, позволявшим полностью раскрыть возможности двухмегапиксельной матрицы фотоаппарата.

Olympus C-2000Z (Разрешение 1600X1200, объектив 35-105 мм, f/2-f/2,8)

Из других особенностей объектива C-2000 Zoom следует отметить наличие резьбы, позволявшей установить насадочные линзы и светофильтры. В сочетании с расширенным набором функций (режимы обсчёта экспозиции с приоритетом по диафрагме либо выдержке, точечный и матричный экспозамер) и разъёмом для подключения внешней вспышки, пользователь получал возможность вести съёмку в самых сложных условиях. Фактически, фотоаппарат Olympus ознаменовал собой момент перехода любительских цифровых камер из разряда игрушек в категорию инструментов для работы.

Как и у многих других моделей, объектив C-2000 Zoom при выключении камеры втягивался в корпус, что позволяло уменьшить габариты фотоаппарата. Однако существовали и другие способы сделать камеру компактнее.

Одним из них была "переламывающаяся" схема, при которой объектив с видоискателем и вспышкой располагались в одном блоке, а отсеки для аккумуляторов и сменной памяти, ЖК-дисплей и вся электроника - в другом. Между собой блоки соединялись шарниром, и потому могли поворачиваться на довольно большой угол. Впервые такая компоновка была применена в 1996 году фирмой CASIO для своей модели QV-10, однако в этом фотоаппарате "переламывание" использовалось исключительно для большего комфорта при съёмке из неудобных положений (например, поверх толпы), и компактности камере не добавляло.

Casio QV-10 (Разрешение 320X240, объектив 62 мм, f/2)

А вот у появившейся в 1997 году AGFA ePhoto 1280 при съёмке требовалось развернуть блок с объективом так, чтобы он располагался под углом 90 градусов к основному блоку. При транспортировке блок с объективом поворачивался вертикально, и фотоаппарат занимал значительно меньше места в глубину.

Agfa ePhoto 1280 (Разрешение 1024X768, объектив 38-114 мм, f/2,8-f/3,5)

Среди аппаратов с такой схемой наибольшую популярность приобрели модели серии Coolpix 9xx фирмы Nikon,первым из них был появившийся в 1998 году Coolpix 900.

Nikon Coolpix 900 (Разрешение 1280X960, объектив 38-115 мм, f/2,4-f/3,6)

Необходимо заметить, что "переламывающая" конструкция, помимо преимуществ (компактность, возможность съёмки из неудобных положений), обладает также серьёзным недостатком - поскольку вспышка расположена в одном блоке с объективом, её излучатель находится слишком близко к оптической оси объектива, в результате значительно возрастает риск появления "красных глаз" на снимке. Именно поэтому в последних моделях "переломной" схемы Nikon использовал откидывающуюся на шарнире вверх вспышку.

Nikon CoolPix 4500 (Разрешение 2272X1704, объектив 38-152 мм, f/2,6-f/5,1)

Впрочем, принимались и более экзотические меры по уменьшению габаритов объектива. Например, фирмой Minolta была разработана камера Dimage X, в которой объектив располагался внутри корпуса в вертикальной шахте, а изображение в него попадало благодаря окошку с призмой, "поворачивавшей" световой поток на 90 градусов - как в перископе. Несмотря на то, что аппарат получился очень компактным и лёгким, а пользователю не приходилось терять время на выдвигание объектива из корпуса, в целом конструкция оказалась не слишком удачной - слишком заметными были дисторсия и низкое оптическое разрешение.

Minolta DiMAGE X (Разрешение 1600X1200, объектив 37-111 мм, f/2,8-f/3,6)

Фирма Pentax пошла другим путём, разработав объектив, в котором при выключении фотоаппарата и "втягивании" оптики в корпус центральные линзы поднимались вверх, таким образом, в "сложенном" виде компоненты занимали меньше места в глубину. Такое инженерное решение было весьма интересным, тем не менее, объектив, использовавшийся, в частности, в камере Casio EXILIM EX-Z3, характеризовался довольно заметной дисторсией, а также "бочкой" и виньетированием на "коротком" фокусе.

Casio EXILIM EX-Z3 (Разрешение 2048X1536, объектив 35-105 мм, f/2,6-f/4,8)

Так или иначе, большинство современных компактных цифровых фотокамер снабжаются вариообъективами обычной, хотя и довольно миниатюрной, конструкции. А вот схема объективов первых цифровых фотоаппаратов с оптикой высокой (порядка 10Х) кратности по-настоящему интересна с инженерной точки зрения.

Дело в том, что чем больше фокусное расстояние объектива, тем "короче" максимальная допустимая выдержка. Такое ограничение вызвано тем, что при колебании объектива относительно его продольной оси световой поток, отраженный от объекта съемки, в процессе экспонирования смещается от оптической оси, в результате кадр получается "смазанным". Чтобы избежать этого, применяется так называемое "правило обратной пропорциональности", согласно которому соотношение фокусного расстояния и выдержки, не вызывающей "смазанности", обратно пропорционально. То есть при фокусном расстоянии 200 мм выдержка не должна быть продолжительнее 1/200 секунды.

Избежать ограничения по минимальной выдержке можно использованием штатива, однако он представляет собой довольно громоздкое устройство, поэтому объективы, предназначенные для телесъёмки, зачастую оснащают системами оптической стабилизации. Одной из наиболее удачных конструкций является Image Stabilizer, разработанная фирмой Canon.

Конструкция данного устройства достаточно сложная, чтобы описывать ее детально, а основной принцип состоит в использовании линзы, перемещающейся перпендикулярно оптической оси.

Принцип работы системы оптической стабилизации Canon Image Stabilizer

Стабилизация посредством перемещения линзы осуществляется как в вертикальной, так и горизонтальной плоскости. Система гироскопических сенсоров определяет как направление, так и скорость смещения. Для перемещения корректирующей линзы используется соленоид, поскольку такие приводы отличаются малыми габаритами и весом, быстрой реакцией и скромным энергопотреблением. Определение текущей позиции линзы осуществляется инфракрасными датчиками, а вся работа управляется высокопроизводительным микропроцессором.

При использовании системы Image Stabilizer выдержку можно увеличивать примерно в 4 раза относительно правила обратной пропорциональности. Например, выдержка в 1/50 может успешно применяться при фокусном расстоянии 200 мм.

Одной из первых "дальнобойных" (с кратностью не менее 10Х) камер стала появившаяся в 1998 году SONY Mavica FD-91. Внушительные габариты фотоаппарата позволили оборудовать его мощным автофокусным вариообъективом с диапазоном фокусного расстояния от 37 до 518 миллиметров, что составляло рекордную кратность 14Х.

SONY Mavica FD-91 (Разрешение 1024X768, объектив 37-518 мм, f/1,8-f/3,2)

Чтобы обеспечить возможность съемки с "длинной" выдержкой, была использована система оптической стабилизации собственной разработки SONY под названием SteadyShot. При включении функции стабилизации объектив начинал "плавать" относительно камеры, частично компенсируя рывки. Иногда SteadyShot работала удовлетворительно, однако большинство кадров, снятых на "длинном" фокусе, все равно получалось "смазанным". Отсутствие "зрачка" телескопического видоискателя подвигло журналистов окрестить эту камеру "зеркальной", но они были не правы - то, что походило на окуляр "зеркалки", на самом деле было ЖК-видоискателем, подобным тем, что используются в видеокамерах. Вызвано это было тем, что обычный телескопический видоискатель при столь высокой кратности вариообъектива становился слишком сложным оптическим прибором.

Хотя SONY принадлежит пальма первенства по части моделей с большой кратностью вариообъектива, по-настоящему пригодная для телесъёмки камера появилась лишь двумя годами позднее. Десятикратный объектив Olympus C-2100 Ultra Zoom снабжался системой оптической стабилизации Canon Image Stabilizer, и, в отличие от SONY Mavica FD-91, при максимальном фокусном расстоянии 380 мм обеспечивал кадры без "сдёргивания" при выдержках вплоть до 1/100 секунды.

Olympus C-2100 Ultra Zoom (Разрешение 1600X1200, объектив 38-380 мм, f/2,8-f/3,5)

Правда, несмотря на высокое качество "дальнобойных" снимков, данный объектив в дальнейшем применялся всего в двух фотоаппаратах - Olympus E-100RS (которая, помимо прочего, отличалась рекордной скоростью непрерывной съёмки - 15 кадров в секунду) и Canon PowerShot Pro 90 IS. Вызвано это было тем, что сложная система оптической стабилизации, во-первых, не позволяла спроектировать компактный фотоаппарат, а во-вторых, значительно увеличивала его стоимость.

Для решения этой проблемы разработчики Olympus подошли к ней с другой стороны - для того, чтобы обеспечить необходимую экспозицию, можно либо "удлинить" выдержку, либо снимать при более высокой чувствительности (вплоть до ISO 800). А чтобы повысить интенсивность светового потока, выходящего из объектива, его сконцентрировали на ПЗС-матрице меньшей площади (с диагональю 1/3 дюйма вместо ставшей стандартом ? дюйма). В результате появилась Olympus C-700 Ultra Zoom, по внешнему виду и габаритам очень сильно напоминавшая знаменитую модель C-2000 Zoom, особенно похожим был выдвигавшийся из корпуса вариообъектив с кратностью 10Х.

Olympus C-700 Ultra Zoom (Разрешение 1600X1200, объектив 38-380 мм, f/2,8-f/3,5)

Как и у всех предыдущих "дальнобойных" моделей, у C-700 Ultra Zoom в качестве видоискателя использовался миниатюрный ЖК-дисплей. Эта же конструктивная особенность сохранилась у всех фотоаппаратов с вариообъективом высокой кратности - как у моделей серии C-7xx фирмы Olympus, так и у камер других производителей. Кстати, выдвигающийся из корпуса объектив также используется в большинстве "дальнобойных" фотоаппаратов. Ну а основным недостатком всего этого семейства является то, что они мало приспособлены для съёмки в условиях плохой освещённости. Зато при фотографировании днём и вне помещений они позволяют запечатлеть мельчайшие детали удалённых объектов.

Большинство пользователей заметило, что появляющиеся каждый год новые цифровые камеры в большинстве случаев являются прошлогодними моделями, у которых возросло разрешение и добавился ряд сервисных функций (причём в ряде случаев практическая польза от этих функций весьма условная). Поскольку однообразие довольно быстро надоедает, производители пускаются во все тяжкие, чтобы привлечь внимание к своим разработкам. Весьма грамотный ход сделала фирма Canon, предложив в 200 году концепцию фотоаппарата со светосильной оптикой, кратность которой составляет не 3Х, а 4Х. Первой такой моделью в 2002 году стала Canon PowerShot G3, пользователь которой мог, с одной стороны, вести съёмку в помещении либо в сумерках, а с другой - установить насадочную линзу, доводившую максимальное фокусное расстояние до 245 миллиметров, и фотографировать расположенные вдали объекты.

Canon PowerShot G3 (Разрешение 2272X1704, объектив 35-140 мм, f/2-f/3)

Выгоды от такой гибкости применения были очевидны, и в результате ряд других производителей (в частности, Olympus с моделью C-5060 Wide Zoom) последовали примеру Canon. Однако ещё больших возможностей могут добиться владельцы так называемых "электронных зеркалок".

Термин этот применяется, в основном, по отношению к тем моделям, которые по массогабаритным характеристикам ближе к 35-милиметровым зеркальным фотоаппаратам, чем к обычным любительским цифровым камерам (в том числе и к "дальнобойным" и "светосильным"). Помимо размеров и веса, основными отличительными чертами этой техники является использование вариообъективов достаточно высокой кратности (порядка 6Х) с большим диаметром входной линзы и обилие сервисных функций, для управления которыми на крупный корпус камеры выведено множество кнопок (что также роднит данную категорию с обычными "зеркалками"). К числу других особенностей относится наличие TTL-"башмака" (колодки для крепления дополнительной вспышки, управляемой экспозиционным автоматом камеры) и ЖК-видоискателя - собственно говоря, именно благодаря этому узлу эти камеры и называются "электронными зеркалками".

Одной из первых "электронных зеркалок" стала появившаяся в 2001 году Minolta DiMAGE 7. Несмотря на ряд недочётов, выявившихся в процессе эксплуатации фотоаппарата, сама концепция оказалась выигрышной, поэтому камера, пережив ряд "реинкарнаций", осталась в линейке продукции Minolta, а её последняя модификация называется DiMAGE A1.

Minolta DiMAGE 7 (Разрешение 2560X1920, объектив 28-200 мм, f/2,8-f/3,5)

Позднее к выпуску "электронных зеркалок" подключились и другие производители, а камеры данного типа прочно обосновались в ценовом сегменте от 700 до 1500 долларов. Однако в 2003 году произошло одно событие, которое может серьёзно повлиять на судьбу этой категории техники. Фирма Canon выпустила EOS 300D (американское обозначение Digital Rebel) - первую цифровую "зеркалку" со сменной оптикой, стоимость которой составила меньше1000 долларов.

Canon EOS 300D (разрешение 3072X2048)

И хотя фотоаппарат этот обладает рядом недостатков (пластмассовый, а не магниевый корпус, "хлопающее" при подъёме пластиковое зеркальце, набор зеркал вместо пентапризмы), основное преимущество - возможность устанавливать максимально подходящий для текущих условий съёмки объектив - выводит доступную для пользователя цифровую фототехнику на качественно новый уровень.

Продолжение следует...

Дополнительные материалы

• Анатомия цифрового фотоаппарата: сенсоры
• Анатомия цифрового фотоаппарата
• Элементы питания: Прошлое, будущее и настоящее
• Kodak "EasyShare" CX6200
• Canon: PowerShot A60 и PowerShot A70
• Pentax Optio S
• Sony Cyber-shot DSC-P72
• Canon PowerShot G3
• Casio Exilim ZOOM EX-Z3