Введение
Обзор темы
История камеры началась задолго до изобретения фотографии. Камеры эволюционировали от камеры-обскуры через множество поколений фотографических технологий – дагерротипов, калотипов, сухих фотопластин, фотоплёнок – до современных цифровых камер и камер в телефонах.
Темная камера (до XVII века)
Темная камера, предшественница фотокамеры, – это естественное оптическое явление, названное по своему латинскому переводу – «темная комната». Она проецирует перевернутое изображение (отзеркаленное слева направо и перевернутое вверх ногами) сцены с противоположной стороны экрана или стены через небольшое отверстие на поверхность, расположенную напротив этого отверстия. Самое раннее задокументированное объяснение этого принципа принадлежит китайскому философу Мо-цзы (около 470–391 гг. до н.э.), который верно утверждал, что инверсия изображения в темной камере обусловлена распространением света по прямым линиям от источника. Начиная с 1550 года, для проецирования изображений в темных комнатах, в отверстиях стен или закрытых оконных ставнях, стали использовать линзы, что помогало в рисовании. К концу XVII века портативные устройства – темные камеры в палатках и ящиках – стали использоваться как инструменты для рисования. Изображения, создаваемые этими ранними камерами, можно было сохранить только путем ручного обведения, поскольку фотографические процессы еще не были изобретены. Первые камеры были достаточно большими, чтобы вместить одного или нескольких человек, и со временем они становились все более компактными. К моменту работы Ниепса портативные ящичные темные камеры, пригодные для фотографии, были широко доступны. Иоганн Цанн в 1685 году предвидел создание первой камеры, достаточно малой и портативной для практической фотографии, но для реализации такого применения потребовалось почти 150 лет. Ибн аль-Хайсам (965–1040 гг. н.э.), арабский физик, также известный как Альхазен, внес значительный вклад в понимание темной камеры, проведя эксперименты со светом в затемненной комнате с небольшим отверстием. Ему часто приписывают изобретение камеры-обскуры с малым отверстием (pinhole camera). Он также предоставил первый верный анализ темной камеры, предложив первые геометрические и количественные описания этого явления, и впервые использовал экран в темной комнате для проецирования изображения через отверстие в поверхности. Он первым понял взаимосвязь между фокусной точкой и отверстием, а также стал пионером ранних экспериментов с послеобразами. Труды Ибн аль-Хайсама по оптике, распространявшиеся в латинских переводах, сыграли важную роль в вдохновении таких выдающихся ученых, как Вителло, Джон Пекхэм, Роджер Бэкон, Леонардо да Винчи, Рене Декарт и Иоганнес Кеплер.
Ранняя фотокамера (18-19 веков)
До изобретения фотокамеры уже сотни лет было известно, что некоторые вещества, например, соли серебра, темнеют при воздействии солнечного света. В серии экспериментов, опубликованных в 1727 году, немецкий ученый Иоганн Генрих Шульце продемонстрировал, что потемнение солей вызывалось исключительно светом, и не зависело от тепла или воздействия воздуха. Шведский химик Карл Вильгельм Шееле в 1777 году показал, что хлорид серебра особенно чувствителен к потемнению от воздействия света, и что после потемнения он становится нерастворимым в растворе аммиака. Хотя он был разочарован тем, что Дагер опередил его в объявлении об изобретении фотографии, он 31 января 1839 года представил в Королевское общество памфлет под названием «Некоторые сведения об искусстве фотогенного рисунка», который стал первым опубликованным описанием фотографии. В течение двух лет Талбот разработал двухэтапный процесс получения фотографий на бумаге, который он назвал калотипией. Процесс калотипии впервые использовал негативную печать, которая инвертирует все тона в процессе воспроизведения – черное отображается как белое и наоборот. Однако, поскольку дагерротипы создают только прямой позитивный отпечаток, невозможно получить их дубликаты. Именно двухэтапный негативно-позитивный процесс лег в основу современной фотографии. Камера имела конструкцию из двух вложенных ящиков: во внешнем ящике был установлен объектив для пейзажной съемки, а во внутреннем – держатель для матового стекла и светочувствительной пластины. Перемещая внутренний ящик, можно было добиться желаемой резкости изображения объектов, находящихся на разном расстоянии. После фокусировки удовлетворительного изображения на матовом стекле его заменяли светочувствительной пластиной. Регулировка медного заслонки перед объективом, выполнявшей функцию затвора, осуществлялась с помощью рифленого колеса. Ранним дагерротипным камерам требовалось длительное время экспозиции, которое в 1839 году могло составлять от 5 до 30 минут. В 1841 году появился еще один французский дизайн, разработанный Марком Антуаном Годеном. Камера Nouvel Appareil Gaudin имела металлический диск с тремя отверстиями разного диаметра, установленный перед объективом. Вращая диск, можно было выбирать разные отверстия, что фактически обеспечивало регулировку диафрагмы и позволяло контролировать количество света, попадающего в камеру. Вместо использования вложенных ящиков для фокусировки, в камере Гаудина использовались вложенные латунные трубки. Первым дагерротипным камерам требовалось от нескольких минут до получаса для экспонирования изображений на пластинах. К 1840 году время экспозиции удалось сократить до нескольких секунд благодаря усовершенствованию процессов химической подготовки и проявки, а также прогрессу в конструкции объективов. Американские дагерротиписты начали массовое производство готовых пластин, а размеры пластин были интернационально стандартизированы: цельная пластина (6,5 x 8,5 дюймов), пластина в три четверти (5,5 x 7 1/8 дюймов), половинная пластина (4,5 x 5,5 дюймов), четвертная пластина (3,25 x 4,25 дюймов), пластина шестого размера (2,75 x 3,25 дюймов) и пластина девятого размера (2 x 2,5 дюймов). Ниепс использовал небольшую камеру собственной конструкции и лист бумаги, покрытый хлоридом серебра, который темнел под воздействием света. Ниепс не знал способа удаления неповрежденного хлорида серебра, поэтому фотография не была устойчивой и со временем полностью темнела из-за общего воздействия света, необходимого для ее просмотра. В середине 1820-х годов Ниепс использовал деревянную камеру, изготовленную парижскими оптики Шарлем и Винсентом Шевалье, для экспериментов с фотографией на поверхностях, тонко покрытых иудейским битумом. Битум медленно затвердевал в самых светлых участках изображения. Затем не затвердевший битум растворяли. Одна из этих фотографий сохранилась до наших дней.
Дагеротипы и калотипы
После смерти Нипсе в 1833 году его партнер Луи Дагер продолжил экспериментировать и к 1837 году создал первый практичный фотографический процесс, который он назвал дагерротипией и публично представил в 1839 году. Дагер обрабатывал посеребренную пластину из меди парами йода, чтобы покрыть её светочувствительным иодидом серебра. После экспонирования в камере изображение проявлялось парами ртути и фиксировалось сильным раствором поваренной соли (хлорида натрия). Генри Фокс Талбот усовершенствовал другой процесс, калотипию, в 1840 году. В коммерческих целях оба процесса использовали очень простые камеры, состоящие из двух вложенных коробок. Задняя коробка имела съёмный матовый экран и могла выдвигаться для регулировки фокуса. После фокусировки матовый экран заменялся светонепроницаемым держателем, содержащим светочувствительную пластину или бумагу, и на объектив надевалась крышка. Затем фотограф открывал переднюю крышку держателя, снимал крышку с объектива и отсчитывал необходимое количество минут, определяемое условиями освещения, прежде чем снова надеть крышку и закрыть держатель. Несмотря на эту механическую простоту, стандартными были высококачественные ахроматические объективы.
Сухие пластины
Сухие коллодиевые пластины были доступны с 1857 года благодаря работам Дезире ван Монкховена, но лишь изобретение желатино-сухой пластины Ричардом Личем Мэддоксом в 1871 году позволило по качеству и скорости соперничать с процессом мокрых пластин. Открытие 1878 года, что тепловая дозревка желатиновой эмульсии значительно повышает её светочувствительность, наконец, сделало практичными так называемые "мгновенные" снимки. Впервые штатив или другая поддержка перестали быть абсолютной необходимостью. При дневном свете и с использованием быстрой пластины или плёнки небольшую камеру можно было держать в руках во время съемки. Число фотографов-любителей быстро росло, и популярными стали неформальные "спонтанные" портреты. Появилось множество конструкций камер – от одно- и двухлинзовых зеркальных камер до больших и громоздких полевых камер, простых камер-коробок и даже "детективных камер", замаскированных под карманные часы, шляпы или другие предметы. Короткие выдержки, позволившие делать спонтанные фотографии, также потребовали ещё одного новшества – механического затвора. Первые затворы были отдельными аксессуарами, хотя встроенные затворы стали распространены к концу XIX века. Исследуя MOS-технологию, они обнаружили, что электрический заряд является аналогом магнитной пузырьки и может быть сохранен на крошечном MOS-конденсаторе. Поскольку изготовить ряд MOS-конденсаторов было относительно просто, они подключили к ним подходящее напряжение, чтобы заряд мог последовательно перетекать от одного к другому. CCD – это полупроводниковая схема, которая позднее использовалась в первых цифровых видеокамерах для телевизионного вещания. NMOS активный сенсор пикселей (APS) был изобретён компанией Olympus в Японии в середине 1980-х годов. Это стало возможным благодаря прогрессу в производстве полупроводниковых приборов на основе MOS, при этом масштабирование MOSFET достигло уровней в несколько микрон, а затем и субмикронных уровней. NMOS APS был разработан командой Цутому Накамуры в Olympus в 1985 году. CMOS активный сенсор пикселей (CMOS-сенсор) позднее был разработан командой Эрика Фоссума в Лаборатории реактивного движения NASA в 1993 году. В лаборатории Philips в Нью-Йорке Эдвард Ступп, Питер Кэт и Золт Силаги подали заявку на патент "Всетвердотельные сенсоры излучения" 6 сентября 1968 года и построили плоский экран для приёма и хранения оптического изображения на матрице, состоящей из массива фотодиодов, соединенных с конденсаторами для формирования массива двухконтактных устройств, соединенных в ряды и столбцы. Патент США был выдан им 10 ноября 1970 года. Инженер компании Texas Instruments Уиллис Адкок разработал безплёночную камеру, не являющуюся цифровой, и подал заявку на патент в 1972 году, но неизвестно, была ли она когда-либо построена. Cromemco Cyclops, представленный в 1975 году как проект для любителей, стал первой цифровой камерой, подключенной к микрокомпьютеру. Её сенсор изображения представлял собой модифицированный чип динамической памяти MOS (DRAM). Первая задокументированная попытка создания автономной цифровой камеры была предпринята в 1975 году Стивеном Сассоном, инженером компании Eastman Kodak. В ней использовались новые в то время твердотельные сенсорные чипы CCD, разработанные компанией Fairchild Semiconductor в 1973 году. Камера весила 3,6 кг, записывала чёрно-белые изображения на компактную кассету, имела разрешение 0,01 мегапикселя (10 000 пикселей) и требовала 23 секунды для создания первого изображения в декабре 1975 года. Прототип камеры был техническим упражнением и не предназначался для серийного производства.
Аналоговые электронные камеры
Портативные электронные камеры, в смысле устройства, предназначенного для ношения и использования как портативная плёночная камера, появились в 1981 году с демонстрацией Sony Mavica (магнитной видеокамеры). Это не следует путать с более поздними камерами Sony, также носящими имя Mavica. Это была аналоговая камера, в которой пиксельные сигналы записывались непрерывно, как на видеомагнитофонах, без преобразования их в дискретные уровни; она записывала телевизионные сигналы на 2 × 2 дюймовый "видеофлоппи-диск". По сути, это была видеокамера, записывающая отдельные кадры – 50 на диск в режиме поля и 25 на диск в кадрном режиме. Качество изображения считалось сопоставимым с качеством современных телевизоров. Аналоговые электронные камеры, по всей видимости, поступили в продажу только в 1986 году с выпуском Canon RC 701. Canon продемонстрировал прототип этой модели на летних Олимпийских играх 1984 года, опубликовав изображения в японской газете Yomiuri Shimbun. В США первым изданием, использовавшим эти камеры для реальной репортажной съёмки, стала USA Today в материалах о бейсбольной Мировой серии. Несколько факторов сдерживали широкое распространение аналоговых камер: высокая стоимость (более 20 000 долларов США в 1986 году, что эквивалентно примерно <расчетной сумме> в настоящее время), низкое качество изображения по сравнению с плёнкой и отсутствие доступных качественных принтеров. Для захвата и печати изображения изначально требовался доступ к оборудованию, такому как фрейм-граббер, что было недоступно для большинства потребителей. Позднее для "видеофлоппи-дисков" были разработаны различные устройства для просмотра изображений на экране, но они так и не были стандартизированы как компьютерные диски. Первыми пользователями, как правило, были представители СМИ, где стоимость компенсировалась полезностью и возможностью передачи изображений по телефонным линиям. Низкое качество изображения компенсировалось низким разрешением газетной графики. Эта возможность передачи изображений без спутниковой связи оказалась полезной во время протестов на площади Тяньаньмэнь в 1989 году и Первой войны в Персидском заливе в 1991 году. Правительственные структуры США также проявили значительный интерес к концепции неподвижного видео, в частности, ВМС США для использования в качестве системы наблюдения за морем в режиме реального времени. Первой аналоговой электронной камерой, поступившей в продажу для потребителей, возможно, была Casio VS 101 в 1987 году. Заметной аналоговой камерой, выпущенной в том же году, была Nikon QV 1000C, разработанная как пресс-камера и не предлагавшаяся для продажи широкой публике, было продано всего несколько сотен экземпляров. Она записывала изображения в оттенках серого, а качество печати в газете было сопоставимо с качеством плёночных камер. По внешнему виду она сильно напоминала современные цифровые зеркальные камеры. Изображения хранились на видеофлоппи-дисках. В конце 1998 года была анонсирована Silicon Film – предлагаемый цифровой сенсорный картридж для плёночных камер, который позволял бы 35-мм камерам делать цифровые фотографии без модификаций. Silicon Film должна была работать как рулон 35-мм плёнки, с 1,3-мегапиксельным сенсором за объективом и блоком батареи и памяти, помещающимся в держатель плёнки в камере. Продукт, который так и не был выпущен, становился всё более устаревшим из-за прогресса в технологии цифровых камер и снижения их стоимости. Материнская компания Silicon Films объявила о банкротстве в 2001 году.
Первые настоящие цифровые камеры
К концу 1970-х годов технологии, необходимые для производства действительно коммерческих цифровых камер, уже существовали. Первой настоящей портативной цифровой камерой, записывающей изображения в виде компьютеризированного файла, скорее всего, была Fuji DS 1P 1988 года, которая сохраняла данные на карту памяти SRAM (статическая оперативная память) объемом 2 МБ, использующую батарею для поддержания данных в памяти. Эта камера так и не поступила в продажу. Первой цифровой камерой любого типа, когда-либо проданной в коммерческих целях, возможно, была MegaVision Tessera в 1987 году, однако обширной документации о ее продаже не найдено. Первая портативная цифровая камера, которая фактически вышла на коммерческий рынок, была продана в декабре 1989 года в Японии – DS X от Fuji. Первой коммерчески доступной портативной цифровой камерой в Соединенных Штатах стала Dycam Model 1, впервые отгруженная в ноябре 1990 года. Изначально она оказалась коммерчески неудачной из-за черно-белого изображения, низкого разрешения и стоимости, близкой к 1000 долларов (1000 долларов в 1990 году эквивалентны примерно <расчетной сумме> в последние годы). Позже она добилась умеренного успеха, когда в 1992 году была перепродана под названием Logitech Fotoman. В ней использовался CCD-сенсор, изображения хранились в цифровом формате, а для загрузки камера подключалась непосредственно к компьютеру.
Fuji The first commercially available portable digital camera in the United States was the Dycam Model 1, first shipped in November 1990. It was originally a commercial failure because it was black and white, low in resolution, and cost nearly $1,000 (1000.0 in 1990 is equivalent to about <calculated amount> in recent years). It later saw modest success when it was re sold as the Logitech Fotoman in 1992. It used a CCD image sensor, stored pictures digitally, and connected directly to a computer for download.
цифровые зеркальные фотоаппараты (DSLR)
Nikon проявлял интерес к цифровой фотографии с середины 1980-х годов. В июле 1986 года, на выставке Photokina, Nikon представил рабочий прототип первой цифровой камеры типа SLR (Still Video Camera), изготовленной компанией Panasonic. Nikon SVC была построена на базе сенсора 2/3" ПЗС (зарядовое устройство) с разрешением 300 000 пикселей. В качестве носителя информации использовалась магнитная дискета внутри камеры, позволяющая записывать 25 или 50 черно-белых изображений в зависимости от разрешения. В 1991 году компания Kodak выпустила на рынок Kodak DCS (Kodak Digital Camera System), положив начало долгой серии профессиональных цифровых зеркальных камер Kodak DCS, частично основанных на пленочных корпусах, часто Nikon. Kodak DCS стала первой коммерчески доступной цифровой зеркальной камерой (DSLR). Она использовала сенсор с разрешением 1,3 мегапикселя, громоздкую внешнюю систему цифрового хранения данных и стоила 13 000 долларов США (13 000 долларов США в 1991 году эквивалентны приблизительно <расчетной сумме> в настоящее время). С появлением Kodak DCS 200, модель Kodak DCS была переименована в Kodak DCS 100. Переходу к цифровым форматам способствовало создание первых стандартов JPEG и MPEG в 1988 году, которые позволили сжимать файлы изображений и видео для хранения. Первой камерой с жидкокристаллическим дисплеем на задней панели стала Casio QV 10, разработанная командой под руководством Хироюки Суэтаки в 1995 году. Первой камерой, использовавшей CompactFlash, была Kodak DC 25 в 1996 году. Первой камерой, предложившей возможность записи видеоклипов, предположительно, была Ricoh RDC 1 в 1995 году. В 1995 году Minolta представила RD 175, которая была основана на пленочной зеркальной камере Minolta 500si с разделителем луча и тремя независимыми ПЗС-матрицами. Эта комбинация обеспечивала разрешение 1,75 мегапикселя. Преимуществом использования пленочного зеркального корпуса была возможность использования любых существующих объективов с байонетом Minolta AF. В 1999 году была представлена Nikon D1 – 2,74-мегапиксельная камера, которая стала первой цифровой зеркальной камерой, разработанной с нуля крупным производителем. Благодаря цене менее 6000 долларов США (6000 долларов США в 1995 году эквивалентны приблизительно <расчетной сумме> в настоящее время) при выпуске, она стала доступна профессиональным фотографам и потребителям высокого класса. Эта камера также использовала объективы Nikon F, что позволяло фотографам использовать многие из тех же объективов, которыми они уже владели. Продажи цифровых камер продолжали расти, чему способствовали технологические достижения. Цифровой рынок разделился на различные категории: компактные цифровые камеры, камеры с большим зумом (bridge cameras), беззеркальные компактные камеры и цифровые зеркальные камеры. С 2003 года продажи цифровых камер превысили продажи пленочных камер, а в январе 2004 года компания Kodak объявила о прекращении продажи пленочных камер под брендом Kodak в развитых странах, а в 2012 году подала заявление о банкротстве, не сумев адаптироваться к меняющейся отрасли.
Телефоны с камерами
Первым коммерческим телефоном с камерой был Kyocera Visual Phone VP 210, выпущенный в Японии в мае 1999 года. В то время его называли "мобильным видеотелефоном" и он был оснащен фронтальной камерой с разрешением 110 000 пикселей. Первым телефоном с камерой, предназначенным для массового рынка, был J SH04, модель Sharp J Phone, продаваемая в Японии в ноябре 2000 года. Одним из ключевых технологических прорывов стала разработка CMOS-сенсоров, которая позволила снизить стоимость сенсоров до уровня, сделавшего широкое распространение телефонов с камерами возможным. Сегодня смартфоны обычно оснащаются цифровыми камерами высокого разрешения.