Nguyên lý hoạt động của máy ảnh có thể bạn chưa biết

Biên tập bởi Nguyễn Loan Minh Trang

Đăng 2 năm trước

16.093

Ngoài chiếc smartphone tiện lợi thì máy ảnh trước giờ vẫn được xem là thiết bị chuyên nghiệp để tạo nên những bức ảnh nghệ thuật. Hãy cùng Điện máy XANH tìm hiểu nguyên lý hoạt động của máy ảnh mà có thể bạn chưa từng được biết trước đây!

Máy ảnh ngày càng phát triển và đã có nhiều thay đổi trong suốt hơn một thế kỷ rưỡi qua. Bạn có bao giờ tự hỏi máy ảnh hoạt động như thế nào và những yếu tố nào ảnh hưởng đến một bức ảnh đẹp như ý muốn. Hãy để Điện máy XANH bật mí cho bạn ngay sau đây:

1Vai trò của ánh sáng

Nếu muốn biết máy ảnh hoạt động như thế nào, trước tiên bạn cần tìm hiểu nguồn ánh sáng có vai trò gì trong việc chụp hình. Một nhiếp ảnh gia thực thụ sẽ không bao giờ bỏ qua yếu tố ánh sáng.

Ánh sáng được truyền theo đường thẳng, nó được hấp thụ và phản xạ. Đối với mắt và máy ảnh, ánh sáng được truyền dưới dạng sóng, có nhiều tính chất giống như âm thanh: sự thay đổi về bước sóng, tần số, biên độ và thậm chí là cường độ chiếu sáng.

Vì thế, tùy theo nghệ thuật của bức ảnh mà người chụp hình cần phải chọn nguồn sáng và lấy ánh sáng theo ý đồ riêng của mình.

2Các thành phần cốt lõi của máy ảnh

Ngoài chiếc máy ảnh lỗ kim (loại máy ảnh không có ống kính), thì bất kì máy ảnh nào hiện nay cũng đều có hai bộ phận chính: ống kính và bộ dò ánh sáng.

Ống kính máy ảnh sẽ lấy ánh sáng, và chiếu chúng lên bề mặt của bộ dò ánh sáng – phim (đối với máy ảnh chụp bằng phim) hoặc cảm biến kỹ thuật số (đối với máy ảnh kỹ thuật số). Sau đó, thông qua nhiều cách xử lý khác nhau, bạn sẽ có được những tấm hình theo sở thích của mình. 

Có thể nói, nhiếp ảnh gia chính là người có thể kiểm soát ánh sáng để có được những tấm ảnh như mong muốn của mình. 

3Các thông số quan trọng trên máy ảnh

Trên máy ảnh có các thông số quan trọng như sau:

Ống kính

Ống kính là nơi tiếp xúc đầu tiên với ánh sáng vì ánh sáng sẽ đi xuyên qua thấu kính. Tùy theo công thức quang học khác nhau, ánh sáng sẽ được phản chiếu khác nhau. Nói một cách khác, ánh sáng là yếu tố quan trọng để người chụp ảnh thể hiện một cách độc đáo trên bức hình.

Cấu trúc quang học

Ống kính là sự kết hợp của nhiều ống kính đơn và được thiết kế, tính toán quang học chính xác cao cũng như trải qua nhiều cuộc thử nghiệm rất tỉ mỉ.

Một số khẩu độ (kiểm soát lượng ánh sáng đi vào ống kính) tiêu chuẩn như 50mm f/1.8, hoặc f/1.4. Hầu như khẩu độ máy ảnh đều giống nhau giữa các nhà sản xuất và không có sự thay đổi gì nhiều từ trước tới nay, trừ một số mẫu ống kính đặc biệt mới nhất hiện nay.

Sự kết hợp của các thấu kính sẽ cho ra hình ảnh và được chiếu lên bộ cảm biến.

Tiêu cự

Tiêu cự là mức độ phóng đại mà ống kính đạt được. Độ dài tiêu cự thấp hơn cho góc nhìn rộng hơn, tương tự độ dài tiêu cự cao thì cho góc nhìn hẹp hơn.  

Theo lý thuyết, độ dài tiêu cự là khoảng cách giữa điểm hội tụ của ống kính và cảm biến (hoặc phim).

Thực tế cho thấy, điểm hội tụ ánh sáng nằm ở phía sau thấu kính. Có lẽ vì thế, mà ống kính tele thường có độ dài đáng kinh ngạc.

Khi thu phóng ống kính có thể thay đổi điểm hội tụ, nhưng đối với loại ống kính Prime thì ống kính được cố định, nên buộc người chụp phải di chuyển vật thể hoặc người để lấy nét.

Khẩu độ chính là sự thay đổi đường kính của cửa điều sáng bên trong mỗi ống kính, cho phép ánh sáng đi vào tiếp xúc với bộ dò ánh sáng (phim hoặc cảm biến kỹ thuật số). Nó hoạt động giống như con ngươi trong mắt bạn: độ mở càng hẹp thì càng ít ánh sáng chiếu vào, và ngược lại.

Khẩu độ càng nhỏ thì cho độ sâu trường ảnh sâu hơn và tách nền ít hơn. Giá trị của khẩu độ được tính bằng cách chia độ dài tiêu cự với đường kính của độ mở cửa điều sáng.

Ví dụ: Tiêu cự của ống kính 50mm có đường kính khẩu độ 25 mm là f / 2.

Lưu ý: Con số phía sau chữ F càng lớn thì tỉ lệ nghịch với lượng sáng đi vào ống kính. Chẳng hạn, f/8 thì có lượng sáng đi vào ít hơn f/2.

Giống như mắt bạn, ống kính nhìn ra thế giới bên ngoài trên mặt phẳng tiêu cự. Mặt phẳng này chứa nhiều điểm và được truyền đến cảm biến của máy ảnh. Để lấy những điểm trên một mặt phẳng nào đó, thấu kính trên trong ống kính cần phải di chuyển bằng cách xoay vòng để lấy nét hoặc được máy ảnh lấy nét tự động.

Mỗi ống kính cho khả năng lấy nét không giống nhau. Những điểm lấy nét càng gần cảm biến thì chúng càng rõ. Ngoại trừ các ống kính macro cho khả năng lấy vô cực (nghĩa là kích thước vật thể bao nhiêu thì trên bề mặt bộ cảm biến ảnh hay bề mặt phim cũng có kích thước y như vậy).

Ngoài ra, vòng lấy nét là bộ phận được kết nối với cơ chế lấy nét bên trong ống kính. Bạn có thể lấy nét thủ công, hoặc một số ống kính có cơ chế lấy nét tự động bởi thiết bị điều khiển điện tử.

Ví dụ, ống kính nặng như dòng Canon 85mm f/1.2 II.

Chống rung (ổn định hình ảnh)

Trong một số ống kính hiện đại, bạn sẽ tìm thấy bộ phận chống rung giúp máy ảnh chụp ảnh (hoặc quay) được ổn định hơn trong quá trình di chuyển. Bộ phận này thường nằm riêng bên ngoài cấu trúc máy và được gắn ở phía sau ống kính.

Với sự trợ giúp của con quay hồi chuyển, bộ phận chống rung sẽ tương thích với các chuyển động máy ảnh linh hoạt.

Tùy theo thương hiệu mà tên gọi của bộ phận chống rung khác nhau, như hãng Canon gọi là IS (Image Stabilizer – bộ ổn định hình ảnh), Nikon gọi là VR (Vibration Reduction – giảm rung), Sony gọi là OSS (Optical SteadyShot – Quang học),…

Trọng lượng và kích thước

Kích thước và trọng lượng của ống kính phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như:

• Khẩu độ lớn, tốc độ màn trập nhanh, nghĩa là ống kính cần phải lớn.
• Phạm vi zoom rộng, đòi hỏi ống kính cần dài hơn để phóng to và có thể thu vào một cách linh hoạt.  
• Kích thước cảm biến càng lớn, thì ống kính càng lớn.
• Bộ phận chống rung cũng ảnh hưởng đến trọng lượng ống kính, như nặng hơn chẳng hạn.

Thông thường, các nhà sản xuất thiết kế ống kính để mang lại sự cân bằng tuyệt vời cho trọng lượng máy ảnh. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, ống kính mang lại cảm giác mất cân bằng cho toàn bộ sản phẩm, như loại ống kính tele nhanh và siêu tele (Canon 200mm f/2,…) và ống kính góc siêu rộng nhanh (Sigma tựa 14mm f/1.8).

Ống kính kết nối với thân máy ảnh

Có hai loại ống kính máy ảnh: 1 loại có thể thay thế và 1 loại cố định vào thân máy.

• Loại ống kính cố định vào thân máy, thường tìm thấy trên máy ảnh Compact và máy ảnh Bridge camera. Một số thương hiệu như Leica.
• Loại ống kính có thể thay vào thân máy, thường thấy trên máy ảnh DSLR và máy ảnh MILC. Mỗi nhà sản xuất sẽ có tiêu chuẩn ngàm ống kính khác nhau, để đảm bảo ống kính được kết nối vừa mới thân máy.

Bên cạnh việc giữ các ống kính an toàn và ổn định, mỗi ngàm cũng có một giao thức điện tử. Điều này là cần thiết để cung cấp năng lượng cho tự động lấy nét và ổn định cũng như các yếu tố (khẩu độ, khoảng cách lấy nét, thu phóng,…).

Nhiều loại ngàm ống kính đáng chú ý như Canon có EF / EF-S (máy ảnh DSLR), RF (full-frame mirrorless), EF-M (cropped-sensor mirrorless); Nikon có F (DSLR) và Z (mirrorless); hay Sony A (DSLR) và E (mirrorless),…

Máy ảnh

Sau khi tìm hiểu ống kính là gì và những yếu tố liên quan đến ống kính, chúng ta tiếp tục tìm hiểu thêm về thông số có liên quan đến máy ảnh ra sao:

Hầu như dòng máy ảnh DSLR và máy ảnh mirrorless (không gương lật) đều được trang bị kính ngắm. Có 2 loại kính ngắm: kính ngắm quang học và kính ngắm điện tử.

Trong máy ảnh kỹ thuật số DSLR sử dụng kính ngắm quang học, ánh sáng sẽ đi vào ống kính, gặp gương lật và bị phản xạ xuyên qua kính mờ, đến thấu kính hội tụ rồi lên lăng kính ngũ giác, sau đó bị phản xạ một lần nữa rồi mới đi ra kính ngắm quang bên ngoài.

Đồng thời, một số ánh sáng được phản xạ xuống phía dưới, qua gương phụ, vào đi vào cảm biến để lấy nét tự động.

Trong máy ảnh mirrorless (không gương lật), không có sự kết nối quang học giữa ống kính và mắt của bạn, vì ánh sáng sẽ chiếu trực tiếp vào cảm biến. Từ cảm biến, chế độ xem trực tiếp được truyền kỹ thuật số đến kính ngắm điện tử (EVF) hoặc đến màn hình trên máy ảnh.

Màn trập

Màn trập là cơ chế cho phép ánh sáng chiếu vào phim hoặc cảm biến trong một khoảng thời gian nhất định (cũng được gọi là tốc độ màn trập).

Trước khi máy ảnh kỹ thuật số ra đời, phổ biến nhất là màn trập cơ.

Màn trập cơ học, được tìm thấy trong hầu hết các máy ảnh và thường có hai cửa trập. Khi bạn nhấn nút chụp, cửa trập đầu tiên sẽ trượt lên và để ánh sáng chiếu vào cảm biến máy ảnh. Sau đó, cửa trập sau sẽ kéo xuống che cảm biến để kết thúc quá trình phơi sáng.

Một trong những nhược điểm của màn trập cơ học là bạn có thể sử dụng đèn flash tiêu chuẩn dưới một tốc độ màn trập nhất định. Khoảng thời gian này thường là 1/200 giây, hiển thị một phần khung hình ngay thời gian đó. Các màn cửa có thể di chuyển từ bên này sang bên kia.

Trái lại, nếu sử dụng đèn flash tức thời (ở tốc cao), thì tốc độ màn trập sẽ giảm lại, chỉ sáng một dải khung hình. Bạn có thể cải thiện vấn đề này bằng cách sử dụng tính năng High Speed Sync (Đồng bộ tốc độ cao đèn flash với máy ảnh).

Màn chập điện tử là thành phẩm ra đời của thời đại máy ảnh kỹ thuật số. Nó được sử dụng để đọc hình ảnh một cách nhanh chóng và liên tục.

Màn trập điện tử thường được tìm thấy trong hầu hết các máy ảnh kỹ thuật số hiện nay. Nó hoạt động bằng cách thu thập dữ liệu từ cảm biến theo các khối (thường là các hàng pixel) theo hướng đi xuống.

Loại màn trập này phù hợp cho việc chụp ở chế độ im lặng (silent shooting) và tốc độ màn trập rất thấp, thậm chí là đạt 1/32000 giây.

Nhược điểm của màn trập điện tử là không dùng được cho các đối tượng chuyển động nhanh, vì mang lại hình ảnh bị méo đo đọc không đồng bộ. Thay vào đó, chế độ kiểm tra hình (Live View) và quay video đều có thể sử dụng màn trập điện tử trong máy ảnh.

Đối với một số máy ảnh tiên tiến, bạn sẽ tìm thấy màn trập điện tử global. Nó cho phép ghi toàn bộ khung hình cùng một lúc và giải quyết vấn đề biến dạng hình ảnh. Loại màn trập này chủ yếu được sử dụng trong máy ảnh để quay video chuyên nghiệp.

Cảm biến kỹ thuật số bao gồm nhiều điểm nhạy sáng (pixels). Các điểm ảnh này là các phần tử có khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng.

Hầu hết các máy ảnh kỹ thuật số đều có một lớp cảm biến CMOS hoặc CCD. Trong đó, CMOS mang lại công nghệ đột phá hơn CCD vì cho phép đọc từng điểm ảnh và tiêu thụ điện năng thấp.

Các pixel được bố trí và sắp xếp theo hình thức thể khảm (kiểu mosaic) với bộ lọc đa sắc màu. Khảm này bao gồm các khối (mỗi khối gồm bốn pixel), hai màu xanh lá cây, một màu đỏ và một màu xanh lam. Mỗi pixel chỉ nhạy cảm với màu của chính nó, để cho hình ảnh hiển thị theo sắc màu đỏ, xanh lá cây và xanh dương nằm rải rác khắp trên khảm.

Để có được tông màu chính xác cũng như hiển thị hình ảnh mượt mà, bộ xử lý hoặc phần mềm chỉnh sửa trên máy ảnh sẽ phải liên tục hoạt động.

Độ nhạy sáng ISO

Độ nhạy trong máy quay phim sẽ khác với độ nhạy trong máy ảnh kỹ thuật số.

Độ nhạy ISO của máy ảnh sẽ lại khác nhau, tùy thuộc vào mỗi loại máy ảnh của bạn cũng như giá trị ISO.

Máy ảnh có cảm biến CMOS (trong hầu hết máy ảnh kỹ thuật số) có bộ khuếch đại nhỏ cho từng pixel riêng lẻ. Sau khi khung hình được phơi sáng, nó khuếch đại các pixel lên mức cao hơn, theo giá trị của ISO, thường là ISO 1600.

Ngoài ra, ISO là một thẻ kỹ thuật số được nhúng trong (file) tệp thô hoặc khuếch đại kỹ thuật số cho các tệp jpg.

Bộ chuyển đổi và xử lý kỹ thuật số

Sau khi ghi hình từ cảm biến máy ảnh kỹ thuật số và đi qua bộ khuếch đại, hình ảnh sẽ được chuyển đổi thành dữ liệu kỹ thuật số. Đây là nhiệm vụ của bộ chuyển đổi tương tự số (analog-to-digital converter).

Hầu hết các máy ảnh hiện đại chuyển đổi thành 16 bit nhưng chỉ sử dụng 14 bit, và 2 bit kia cho phép linh hoạt hơn trong quá trình xử lý hậu kỳ và lọc. Trong đó, 14 bit tương ứng với 16.384 pixel, chứng tỏ hình ảnh có nhiều màu và cho dải màu rộng lớn trong máy ảnh kỹ thuật số hiện đại.

Dữ liệu pixel này tiến hành xử lý hình ảnh. Bộ xử lý thực hiện một số thuật toán, lọc, gỡ lỗi và nén nếu bạn chọn hình thức lưu ảnh dưới dạng jpg. Hình ảnh cuối cùng sau đó được ghi vào thẻ của máy ảnh.

Hy vọng, với những chia sẻ trên sẽ giúp bạn hiểu sâu sắc hơn về nguyên lý hoạt động của máy ảnh. Kiến thức này sẽ hỗ trợ bạn trong quá trình sử dụng thiết bị này.