אור נכנס, מספרים יוצאים
תמונה נראית כמו ציור חלק, אבל בתוך מצלמה דיגיטלית היא מתחילה כרשת של מספרים. העדשה יוצרת דמות קטנה והפוכה של העולם על שבב שטוח, חיישן התמונה. החיישן מחולק למיליוני ריבועים זעירים, הפיקסלים, ובזמן שהתריס פתוח כל אחד מהם סופר את האור שנופל עליו. חלקים בהירים של המראה נותנים ספירות גדולות, וחלקים כהים נותנים ספירות קטנות. אחר כך המצלמה הופכת את רשת הספירות לתמונה שאתם רואים.
שלוש הגדרות קובעות כמה אור מקבל כל פיקסל ומה המצלמה עושה איתו. כל אחת מהן משנה את התמונה גם בדרך נוספת, ותופעת הלוואי הזאת היא מה שהופך אותן למעניינות.
הצמצם: כמה רחבה הדלת
בתוך העדשה נמצא הצמצם, טבעת של להבי מתכת דקים שיכולים להיסגר לפתח קטן יותר, מפתח הצמצם. את גודלו מציינים במספר f (יחס מיקוד): רוחק המוקד של העדשה חלקי רוחב הפתח. בעדשה של 50 mm, הסימון f/4 פירושו פתח ברוחב 12.5 mm, ו־f/16 פירושו פתח של כ־3 mm. מספר f גדול יותר הוא חור קטן יותר.
כמות האור שנכנסת תלויה בשטח הפתח, ולכן היא פרופורציונית לאחד חלקי מספר f בריבוע. הסדרה המוכרת f/1.4, f/2, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/11, f/16 עולה בכל צעד פי 1.4 בערך, מה שמקטין את השטח בחצי, וצלמים קוראים לכל חציה כזאת סטופ אחד.
הצמצם קובע גם כמה מהמראה ייראה חד. העדשה ממקדת על מרחק אחד, כאן השבשבת. אור מנקודה שנמצאת במרחק אחר לא נפגש בנקודה על החיישן; הוא מגיע כעיגול קטן, והרוחב של העיגול גדל עם רוחב הפתח. כשהצמצם פתוח לגמרי, הגינה הרחוקה נמסה לטשטוש רך ונורות הקישוט מתנפחות לעיגולים. כשהוא סגור, חרוט האור דק כל כך שגם הקרוב וגם הרחוק נראים חדים. טווח החדות המקובלת הזה הוא עומק השדה.
נסו: הזיזו את צמצם (מספר f) ל־f/1.4 ואחר כך ל־f/16. צפו בנורות הקישוט שמאחורי השבשבת גדלות לעיגולים ומתכווצות בחזרה לנקודות, ובתמונה שמתכהה בכשבעה סטופים.
התריס: כמה זמן הדלת נשארת פתוחה
התריס קובע כמה זמן החיישן אוסף אור. בהרבה מצלמות הוא זוג וילונות ממש לפני החיישן: אחד נפתח, והשני בא אחריו ונסגר. בזמנים קצרים מאוד הווילון השני רודף אחרי הראשון קרוב כל כך, שרק חריץ צר עובר על פני החיישן. הכפלת הזמן מכפילה את האור, סטופ אחד.
כל דבר שזז בזמן שהתריס פתוח נמרח לאורך המסלול שלו. השבשבת כאן מסתובבת פעמיים בשנייה, ולכן ב־1/4000 s הלהבים שלה זזים בשבריר של מעלה ונראים קפואים; ב־1/15 s הם סורקים 48° ומיטשטשים לעיגול של צבע. תריס איטי הוא לא טעות: כך צלמים מראים מים זורמים, או את פסי האור של מכוניות בלילה.
סופרים פוטונים
אור מגיע בחבילות זעירות של אנרגיה שנקראות פוטונים. כל פיקסל הוא פיסת צורן רגישה לאור, פוטודיודה. כשפוטון פוגע בה, הוא יכול לשחרר אלקטרון, והפיקסל אוגר את האלקטרונים המשוחררים במאגר קטן, הבאר שלו, עד שהחשיפה נגמרת. אז המצלמה מודדת כל באר והופכת אותה למספר.
וכאן המלכוד. פוטונים לא מגיעים בזרם קבוע אלא באקראי, כמו טיפות גשם על מרצפות. אם פיקסל מצפה ל־100 פוטונים, הוא עשוי לקבל 90 או 110; הפיזור הטיפוסי הוא בערך השורש הריבועי של הספירה. האקראיות הזאת נקראת רעש שוט. עם 10,000 פוטונים הפיזור הוא רק אחוז אחד, ואי אפשר לראות אותו; עם 100 פוטונים הוא 10 אחוזים, ופיקסלים שכנים שאמורים להיות זהים נראים שונים בבירור. זאת הגרעיניות בתמונה שצולמה באור עמום.
באר יכולה גם לעלות על גדותיה. ברגע שהיא מלאה עד הסוף, אור נוסף לא משנה דבר, ולכן החלקים הבהירים ביותר בתמונה שנחשפה יותר מדי יוצאים כולם באותו לבן אחיד. פרטים שאבדו שם אי אפשר לשחזר.
ISO: מגבירים את העוצמה
הגדרת ה־ISO לא מכניסה שום אור נוסף. היא קובעת כמה חזק מוגברת הספירה של כל פיקסל לפני שהיא הופכת לבהירות, ולכן ISO 6400 הופך את אותה ספירה לבהירה פי 64 מאשר ב־ISO 100. באור עמום זה מציל תמונה שהייתה יוצאת כהה מדי. אבל ההגברה לא יכולה להוסיף פוטונים, ולכן הגרעיניות שנובעת מספירה של מעט מדי פוטונים נשארת.
נסו: קבעו את מהירות התריס (s) על 1/4000 ואת ISO על 1600. התמונה בהירה בערך כמו בהתחלה, אבל כל פיקסל סופר עכשיו רק כ־250 פוטונים, והגרעיניות נראית. חזרו ל־1/250 ול־ISO 100, ואותה בהירות נוצרת מכמות פוטונים גדולה פי שישה־עשר, והגרעיניות נעלמת.
אם כן, חשיפה טובה באור עמום היא לא רק עניין של בהירות. צלמים פותחים את הצמצם ומאטים את התריס ככל שהנושא מאפשר, כדי לאסוף כמה שיותר פוטונים, ומשאירים ל־ISO גבוה רק את מה שנשאר.
צבע מחיישן שרואה באפור
פוטודיודה סופרת פוטונים, אבל לא יכולה להבחין בצבע שלהם. כדי ליצור תמונה צבעונית, כל פיקסל יושב מתחת למסנן זעיר שמעביר רק אור אדום, רק ירוק או רק כחול. הסידור המקובל חוזר על ריבוע של ארבעה: אחד אדום, שניים ירוקים ואחד כחול. הוא נקרא מסנן באייר (או תבנית באייר), על שם ברייס באייר, שהגה אותו בקודאק בשנות ה־70, ויש בו שני ירוקים כי העיניים שלנו רגישות ביותר לירוק ושופטות חדות בעיקר לפיו. לכן כל פיקסל רושם צבע אחד בלבד, והמצלמה מעריכה את שני האחרים לפי השכנים שלו, בשלב שנקרא דה־מוזאיקה.
מעל כל מסנן יושבת מיקרו־עדשה, כיפה זעירה שמנתבת את האור אל תוך הפיקסל, כך שפחות ממנו מתבזבז על הרווחים ועל החיווט שבין הפוטודיודות.
נסו: בחרו פיקסלים תחת חיתוך עד הפיקסלים. קטע של 36 פיקסלים מהלהב האדום מתרומם מתוך החיישן. פוטונים אדומים עוברים דרך המסננים האדומים וממלאים את הבארות שלהם; בפיקסלים הירוקים והכחולים רובם נעצרים במסנן, ולכן הבארות האלה נשארות כמעט ריקות.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
עדשת המצלמה מצוירת ככמה רכיבי זכוכית, אבל הקרניים שלה מחושבות כאילו הייתה עדשה דקה אחת; עדשות אמיתיות משתמשות ברכיבים רבים כדי לשמור על דמות חדה ונקייה משוליים צבעוניים. הסצנה מראה שבשבת קרובה בהרבה מהמרחק של 1 m שלפיו מחושבת התמונה, והטשטוש של הגינה מחושב למרחק יחיד של 10 m, ולא לכל עלה בנפרד.
ספירות הפיקסלים הן פוטואלקטרונים: פוטודיודה אמיתית הופכת לאלקטרונים בערך מחצית מהפוטונים שמגיעים אליה, או יותר, והמודל מקפל את זה למספר אחד. ההנחה היא שכתם אפור נותן כ־4,000 אלקטרונים לפיקסל בחשיפה המדויקת, ושבאר מלאה מכילה 40,000, ערכים אופייניים לחיישן פול־פריים מודרני. הקריאה מוסיפה מעט רעש משלה, כאן 3 אלקטרונים; מצלמות אמיתיות מוסיפות יותר בחלק מההגדרות, מפעילות עקומת טונים במקום לחתוך ישר ללבן, ולעיתים קרובות מפחיתות רעש בעיבוד. רעש הצבע בתמונה מצויר לכל ערוץ צבע בנפרד, ולא נוצר מדה־מוזאיקה של רשת באייר אמיתית. ההנחה היא שהשבשבת מסתובבת בקצב יציב לחלוטין, ושהמצלמה מוחזקת דוממת לגמרי על החצובה שלה, ולכן אין רעד מצלמה.