Hoe een camera werkt

Van WhiteWall redactie

We gebruiken foto's om herinneringen en speciale momenten vast te leggen. Vooral in het tijdperk van digitale camera's is dit gemakkelijker dan ooit. We drukken op de ontspanknop, bekijken het beeld op het display en de herinnering is "in kannen en kruiken". Maar wat gebeurt er eigenlijk in de camera wanneer we op de ontspanknop drukken? Hoe wordt licht een beeld? En welke functies spelen een centrale rol in de camera? Wij nemen samen met u een kijkje in de camera.

Hoe licht een beeld wordt

Terwijl analoge camera's een film belichten, werken digitale camera's met complexe beeldsensoren. Beeldsensoren bestaan uit miljoenen kleine pixels, waarbij elke pixel een lichtgevoelige fotodiode toegewezen krijgt. Fotodiodes zetten licht om in elektrische lading. Hoe meer licht er op de fotodiode valt, hoe sterker het elektrische signaal en omgekeerd. Omdat voor een foto niet alleen helderheid maar ook kleurinformatie nodig is, wordt de sensor gecombineerd met een kleurenfilter dat bestaat uit de primaire kleuren rood, groen en blauw. Aan elke fotodiode wordt precies één kleur toegewezen. Dit betekent dat er pixels of fotodiodes zijn die bijvoorbeeld alleen groen of rood licht registreren. De meeste sensoren gebruiken de zogenaamde Bayer-matrix om de kleuren te rangschikken: De Bayer-matrix is verdeeld in blokken van elk twee groene, één rode en één blauwe pixel. De kleuren die in de blokken zijn opgenomen, worden later bij elkaar opgeteld in het demosaicingproces om precies de kleuren te genereren die nodig zijn voor het opgenomen beeld. De kleurverdeling van de Bayer-matrix van 50 procent groen en 25 procent blauw en rood is het resultaat van de speciale gevoeligheid van het menselijk oog voor groene tinten. De witbalans wordt door de processor gebruikt om eventuele groenzweem te compenseren die tijdens de beeldverwerking kan optreden.

De autofocus

De camera en de lens moeten perfect samenwerken om een scherp beeld van een onderwerp te produceren. Bij spiegelloze systeemcamera's wordt de scherpte bepaald door contrastmeting, bij spiegelreflexcamera's door een fasedetector. Camera's met een zogenaamde hybride autofocus kunnen beide.

Fasedetectie

Fasedetectie werkt op een vergelijkbare manier als de deelbeeldindicatoren op analoge spiegelreflexcamera's. Deze toonden een soort offset-beeld in de zoeker, dat pas bij het scherpstellen naadloos in elkaar overging. Op deze manier kon de camera conclusies trekken over de afstand tot het onderwerp en heel snel het gewenste scherpstelpunt vinden. Fasedetectie in digitale spiegelreflexcamera's werkt ook volgens dit principe.

In een DSLR valt het licht dat door de lens binnenkomt eerst op de gedeeltelijk doorzichtige hoofdspiegel, van waaruit het meeste licht in de optische zoeker wordt gericht. Het resterende licht wordt via een kleine subspiegel afgebogen naar een aparte sensor voor fasedetectie. Microlenzen op de sensor genereren een dubbel beeld van het licht. De camera analyseert vervolgens of en in welke mate deze beelden ten opzichte van elkaar verschoven zijn. Op basis van deze informatie herkent de camera of het object zich voor of achter het brandpuntsvlak bevindt en geeft deze informatie door aan de autofocusmotor in de lens, zodat deze op zijn beurt de lenzen snel en nauwkeurig in de juiste positie brengt. Als de dubbele beelden in de fasedetectie precies op elkaar liggen, zoals in de doorsnede-beeldweergave, is het onderwerp scherp. Fasedetectie werkt erg snel, maar is ook gevoelig voor fouten als de camera en de lens niet optimaal samenwerken. De scherpstelling kan dan uitvallen. Als u het zekere voor het onzekere wilt nemen, kunt u het beste de originele lenzen van de camerafabrikant gebruiken. Bij het updaten van de camerafirmware, waarmee vaak ook problemen met de autofocus worden opgelost, zijn de correcties afgestemd op de originele lenzen.

Contrastmeting

Omdat spiegelloze systeemcamera's (DSLM's) niet de grote, gedeeltelijk transparante spiegel van DSLR's hebben, gebruiken DSLM's contrastmeting om de scherpte te bepalen. Het principe is eenvoudig: hoe scherper het beeld, hoe hoger het contrast. Om de optimale scherpte te vinden, stelt de camera heen en weer scherp totdat hij het hoogste contrast heeft gekozen. Dit kan enige tijd duren, vooral bij weinig omgevingslicht, maar de contrastmeting wordt als bijzonder nauwkeurig beschouwd omdat deze rechtstreeks door de camerasensor wordt uitgevoerd en het licht niet via spiegels naar een aparte module hoeft te worden geleid, zoals bij fasedetectie op DSLR's het geval is.

Hybride autofocus

Om snel en tegelijkertijd zeer nauwkeurig scherp te stellen, vertrouwen veel fabrikanten op zogenaamde "hybride autofocus". Deze bepaalt in eerste instantie de scherpte bij benadering op hoge snelheid met behulp van fasedetectie. Daarna neemt de contrastmeting het over en wordt de scherpstelling verfijnd. De hybride autofocus van een spiegelloze camera heeft geen aparte fasedetectiemodule, maar werkt met microlenzen die op afzonderlijke pixels van de beeldsensor zijn geplaatst.

Belichtingsmeting

Hebt u wel eens een foto gehad die maar niet wilde lukken omdat hij altijd te licht of te donker lijkt? Dan is het handig om te weten hoe de belichtingsmeting van uw camera werkt. Belichtingsmeting bepaalt of het licht in het hele beeld of alleen in bepaalde delen van het beeld wordt meegenomen in de meting. Het kiezen van de juiste meetmethode is daarom cruciaal voor een geslaagde foto. Spiegelreflexcamera's en spiegelloze systeemcamera's bieden er minstens drie.

Matrix/multiveld

Op de meeste camera's is matrix- of multisegmentmeting standaard ingesteld. Bij matrixmeting wordt de beeldsectie in kleine gebieden verdeeld en wordt de helderheid in elk van deze gebieden geanalyseerd. De mate waarin de afzonderlijke resultaten in de belichting worden opgenomen, hangt af van de geanalyseerde onderwerpstructuur en waar het autofocuspunt zich bevindt.

Accent in het midden

Deze methode meet ook de helderheid over de hele beeldsectie. In de belichting zelf worden de middelste gebieden het zwaarst gewogen. Bij sommige camera's kan de grootte van het middengebied worden aangepast.

Spot

Met spotmeting wordt alleen de helderheid van een relatief klein gebied gemeten. Deze "spot" bevindt zich meestal in het midden van het beeld of valt samen met het actieve autofocuspunt. Dit zorgt ervoor dat de camera de belichting optimaal aanpast aan het beoogde onderwerp, ongeacht de omstandigheden van het omgevingslicht.

Gedetailleerde informatie over de ideale belichting vindt u in hoofdstuk "3.4 Meten en instellen van de juiste belichting".

De sluiter

De sluiter van een camera bepaalt hoe lang de beeldsensor wordt belicht. Zeer korte belichtingstijden worden bijvoorbeeld gebruikt voor bewegende onderwerpen, waarbij de beweging vrijwel "bevroren" moet zijn. Voor nachtopnames is daarentegen een lange belichtingstijd nodig. Er zijn verschillende manieren om de belichtingstijd te regelen.

De spleetsluiter

De mechanische spleetsluiter stamt uit de tijd van de analoge spiegelreflexcamera's en wordt vandaag de dag nog steeds gebruikt in moderne systeemcamera's. Hij werkt met een eerste en tweede sluitergordijn van smalle, lichte metalen schijven. Hij werkt met een eerste en een tweede sluitergordijn van smalle, lichte metalen schijven. Wanneer de ontspanknop wordt ingedrukt, beweegt het eerste sluitergordijn van boven naar beneden en wordt de sensor vrijgegeven voor de belichting. Het tweede sluitergordijn beëindigt de belichting door ook van boven naar beneden te schuiven totdat het de sensor weer volledig bedekt. Het interval waarin het tweede gordijn het eerste volgt, wordt bepaald door de sluitertijd die op de camera is ingesteld. Met de huidige mechanische sluiters zijn korte belichtingstijden tot 1/8.000 van een seconde mogelijk.

Bij zeer snelle sluitertijden beweegt het tweede sluitergordijn naar beneden voordat het eerste zelfs de bodem heeft bereikt. U kunt zich voorstellen dat niet de hele sensor wordt belicht, maar slechts een smalle spleet die van boven naar beneden beweegt. Omdat zo'n spleet tot problemen kan leiden bij flitsfotografie, bevatten de technische specificaties van alle camera's een zogenaamde flitssynchronisatietijd. Deze wordt vaak opgegeven als 1/250 seconde. De flitssynchronisatietijd is de kortste tijd waarin de sluiter nog volledig open is. Bij 1/320 van een seconde zou het tweede sluitergordijn al van boven naar beneden schuiven voordat het eerste sluitergordijn de onderkant van de sensor heeft bereikt, waardoor een deel van het bovenste beeldgebied donkerder zou worden ondanks de flitser.

De elektronische sluiter

De elektronische sluiter heeft een belangrijk voordeel. In tegenstelling tot de mechanische versie heeft deze geen bewegende delen en werkt daarom zowel geruisloos als zonder trillingen, die bij lange belichtingstijden tot onscherpe beelden kunnen leiden. Eenvoudig gezegd werkt de elektronische sluiter in de CMOS-sensoren die tegenwoordig in bijna alle digitale camera's voor consumenten worden gebruikt, als volgt: Zolang er licht op de sensor valt, wordt dit continu omgezet in elektrische lading bij de fotodiodes. Om de opname te starten, wordt de lading bij elke fotodiode kortstondig op nul gezet. Deze "herstart" komt overeen met het eerste sluitergordijn. Aan het einde van de belichtingstijd wordt de sensor lijn voor lijn van boven naar beneden uitgelezen met de conventionele elektronische sluiter. Dit moment kan worden vergeleken met het tweede sluitergordijn.

De elektronische belichting is zeer snel en maakt daarom zeer snelle sluitertijden mogelijk die met een mechanische sluiter niet mogelijk zouden zijn. De Canon EOS R3 maakt bijvoorbeeld sluitertijden tot 1/64.000 van een seconde mogelijk. Een nadeel van de conventionele elektronische sluiter treedt echter op wanneer het onderwerp of de fotograaf de camera beweegt. Wanneer de sensor regel voor regel wordt uitgelezen, kan het gebeuren dat het onderwerp zich al in een andere positie bevindt in de regels die verder naar beneden worden uitgelezen dan aan het begin van de uitlezing in de eerste regels. Dit kan leiden tot vervormingen, ook wel "rolling shutter" genoemd. Dit effect is bijvoorbeeld te herkennen aan het feit dat de rotorbladen van een ventilator enigszins vervormd in het beeld verschijnen.

Een combinatie van beide methoden

Met moderne digitale camera's kunnen beide sluitermethoden gecombineerd worden. De eerste sluiter wordt elektronisch geactiveerd. Het voordeel: er is geen geluid of trilling. Bij de tweede sluiter bewegen de schijven van de mechanische sluiter naar beneden.

Globale sluiter

Met de Sony Alpha 9 III heeft de Japanse fabrikant de eerste digitale consumentencamera geïntroduceerd met een zogenaamde global shutter. Dit is een elektronische sluiter waarbij de fotodiodes van de sensor niet regel voor regel, maar allemaal tegelijk worden uitgelezen. De globale sluiter voorkomt zo het rolluikeffect dat optreedt bij conventionele elektronische sluiters. Sony's sensor met globale sluiter in 35 mm-formaat maakt zeer snelle belichtingstijden tot 1/80.000 van een seconde mogelijk en wordt daarom met name aanbevolen voor vervormingsvrije sport- en actiefoto's met snelle sluitertijden. Daarnaast is zelfs flitsfotografie met 1/80.000 seconde mogelijk. Dit was voorheen alleen mogelijk met analoge of extreem dure digitale middenformaatcamera's met een in de lens ingebouwde elektronische sluiter.

De beeldstabilisator (IBIS)

Beweging treedt vooral op bij foto's wanneer het omgevingslicht erg zwak is - met andere woorden, wanneer de sluiter van de camera relatief lang open moet blijven om een voldoende helder beeld te krijgen. De meest effectieve manier om cameratrilling te voorkomen is het gebruik van een statief om de camera tijdens de belichting te stabiliseren. Er zijn echter maar weinig fotografen die dit lompe gereedschap altijd met zich mee willen dragen. Dit is waar beeldstabilisatie om de hoek komt kijken.

Bij spiegelreflexcamera's wordt beeldstabilisatie uitsluitend in de lens gebruikt. Individuele lenzen worden verticaal en horizontaal bewogen om cameratrillingen tijdens de belichting tegen te gaan. Bij veel moderne spiegelloze systeemcamera's gaan fabrikanten een stap verder en rusten ze ook de camerasensoren uit met beeldstabilisatie. Sony, Panasonic en Olympus waren de eerste fabrikanten die een IBIS-systeem ("In Body Camera Stabilisation") aanboden. Sindsdien hebben andere fabrikanten dit voorbeeld gevolgd.

Het principe is altijd hetzelfde: Bij sensorgestuurde stabilisatie wordt de sensor van de camera op zijn plaats gehouden door elektrische magneten. Als er trillingen of bewegingen worden gemeten, compenseert de camera deze door de sensor dienovereenkomstig te verschuiven. Moderne IBIS-systemen stabiliseren het beeld in vijf assen. Ze compenseren zowel verticale als horizontale wiebelingen, kantelen, pannen en rotatie rond de optische as. Sommige aanbieders bieden ook hybride autofocus. De beeldstabilisatie-eenheden in de camerasensor en in het objectief werken samen en maken opnamen uit de vrije hand met relatief lange belichtingstijden mogelijk. Met het OM System OM-1 Mark II kunnen bijvoorbeeld tot 8,5 f-stops langere belichtingstijden uit de hand worden gefotografeerd dan mogelijk zou zijn zonder stabilisatie.

Beeldverwerking

Nadat de camera is geactiveerd, wordt het licht op de camerasensor omgezet in elektrische signalen die worden doorgestuurd naar de beeldprocessor van de camera. Daar wordt het beeld verwerkt. Afhankelijk van welk beeldformaat in de camera is ingesteld, zijn er verschillende opties. Wanneer u in de RAW-modus fotografeert, slaat de camera alle beschikbare gegevens op in een bestand en verwerkt deze niet intern. Dit wordt daarom ook een onbewerkt gegevensformaat genoemd. RAW-afbeeldingen kunnen dan naar wens worden bewerkt met speciale RAW-convertersoftware.

Als u uw foto's echter rechtstreeks in de camera wilt bewerken om ze met anderen te delen als afgewerkte en ruimtebesparende JPEG's, moet u eerst enkele instellingen op de camera maken voor ontwikkeling. Belangrijk: Wanneer u foto's in JPEG-indeling maakt, vindt de nabewerking plaats voordat de beelden naar de geheugenkaart worden geschreven en kan deze niet ongedaan worden gemaakt. Als u de softwarematige, interne verwerking in de camera niet aan het automatische systeem wilt overlaten, kunt u handmatig ingrijpen. Witbalans, ruisonderdrukking of lenscorrecties zijn meestal toegankelijk via een apart item in het menu. Er zijn meestal aparte voorinstellingen voor correctiefuncties zoals kleurstijl, contrast, scherpte of verzadiging, die indien nodig afzonderlijk kunnen worden gewijzigd. Daarnaast bieden veel fabrikanten ook artistieke effectfilters aan. Bij Fujifilm kan de filmsimulatiefunctie ook worden gebruikt om het uiterlijk van oude analoge films te simuleren.

Conclusie

In de fascinerende wereld van de fotografie is de camera het gereedschap dat onze herinneringen vastlegt en momenten voor de eeuwigheid bewaart. De technologie achter de camera is complex, maar stelt ons in staat om onze creatieve visies vast te leggen en met anderen te delen. Door het samenspel van licht, sensor en mechanica te begrijpen, kunnen we onze fotografische vaardigheden ontwikkelen en nog indrukwekkendere beelden maken. Wij zijn er om u te helpen en te adviseren bij het perfectioneren van uw foto's.