Hoe zet een camera licht om in beeld?

Het zit in je broekzak, maar is ook als luxe uitvoering voor fotograven te verkrijgen. Het is de camera waarmee voortaan bijna iedereen op elk gewenst tijdstip een moment kan vastleggen als foto. Alleen hoe worden alle lichtstralen omgezet tot een foto?
In dit artikel wordt die vraag beantwoordt en wordt er informatie gegeven over hoe een camera in zijn geheel werkt.

Hoe wordt licht omgezet tot een foto?

Om bovenstaande vraag te kunnen beantwoorden gaan we eerst een paar stapjes terug. Om een foto te kunnen maken moet licht worden weerkaatst door een object, waarbij de weerkaatsing van de lichtstralen in de camera lens vallen. Een goed voorbeeld hiervan is wanneer het licht van de zon op een object valt zoals een tafel.

Op moment dat de tafel groen is, zal het licht van de zon (wit licht waar alle kleuren in zitten) op de tafel vallen. De tafel zal alle kleuren absorberen, behalve de kleur groen. Deze kleur wordt weerkaatst en gaat door de lens de camera in. Hierbij komt het licht op een sensor die de lichtstralen van het object omzetten in een afbeelding. Hierover meer informatie verderop in het artikel.

Overbelichting en onderbelichting

Een belangrijk aspect bij het maken van een foto is dat er geen over- of onderbelichting aanwezig moet zijn. Overbelichting zorgt ervoor dat op een foto een witte waas ontstaat, waardoor dat deel verloren gaat in de foto. Door overbelichting doet een object te veel lichtstralen weerkaatsen, waardoor het technische bereik van de camera dit niet aan kan. Dit wordt ook wel het dynamische bereik van een camera genoemd. Het menselijk oog heeft hier minder last van, omdat het oog verder is ontwikkeld met meerdere laagjes in het netvlies.

Onderbelichting zorgt ervoor dat details niet goed genoeg weergenomen kunnen worden. Door onderbelichting kan er ruis in een foto ontstaat. Ruis is een verkeerd gedetecteerde pixel in een foto, waarbij er in een omgeving opeens een zwarte of witte pixel ontstaat. Deze pixel wijkt af van de kleuren die in de omgeving aanwezig zijn rondom de ruis pixel.
Tips om dit op te lossen kunnen in verderop bij het kopje lens worden gevonden.

Het oog en de camera

Het menselijk oog kan op een bepaald punt worden vergeleken met een fotocamera. Dit komt omdat de camera voor een deel is gebaseerd op het oog van de mens en die van dieren. Het oog is opgebouwd uit verschillende onderdelen zoals hiernaast te zien is. Hierbij zorgt het netvlies ervoor dat kleuren, maar ook zwart en wit gezien kunnen worden.

Het oog is zo opgebouwd dat er meer dan 130 miljoen receptoren in het netvlies zijn opgenomen voor super scherp zicht. Doordat er zoveel receptoren in het netvlies zitten is er een hele kleine oppervlakte per receptor en zijn er veel overgangen. De scherpte van een afbeelding bij een foto wordt ook wel de resolutie genoemd.

De beeldsensor

Bij een beeldsensor gebeurt voor een deel het zelfde als in een oog. Er vallen lichtstralen op de sensor die bestaan uit alle kleuren van het lichtspectrum. Veel sensoren zijn uitgerust met rood, groen en blauwe zogenoemde photosites genoemd. Deze zetten het beeld om een elektrische stroom, waarmee de afbeelding kan worden vormgegeven.

Resolutie

Een van de kenmerken van een sensor is de resolutie. Hierbij wordt er gekeken naar hoeveel pixels de foto bevat en dat heeft invloed op hoe scherp de overgangen zijn. Op moment dat kleine objecten moet wordt gefotografeerd is het belangrijk om een hoge resolutie te hebben. Hierdoor valt het detail in de foto niet weg.

Het zelfde geldt voor een inspectiecamera waar bijvoorbeeld scheurtjes in een object zoals glas gevonden moeten worden. Daarnaast speelt goede belichting een grote rol op het moment dat er kleine details gefotografeerd moeten worden. Goede belichting is een van de belangrijkste aspecten dat een foto maakt of breekt.

Om de gewenste resolutie van een camera te bepalen kunnen de volgende formules worden gebruikt:
Hierin staat de n voor het aantal pixels dat per overgang aanwezig moet zijn (normaal 2). De FOV is het Field of View, waarmee de afmeting van het object in millimeter wordt bedoelt. Het k detail gaat over het kleinste detail dat de camera moet kunnen waarnemen, bijvoorbeeld een scheur van 2 millimeter.
De eenheid van Sa x/y gewenst is in pixels

Sensorformaten

Om een gehele afbeelding op te kunnen vangen met de beeldsensor moet de sensor groot genoeg zijn om alle lichtstralen op te vangen. Om te berekenen hoe groot de sensor moet zijn kan de volgende formule worden gebruikt:

Onder het kopje resolutie zijn het aantal pixels berekend die nodig zijn om een foto te kunnen maken waarin een bepaald detail zit. Het aantal pixels dat hierbij nodig is wordt in bovenstaande berekening meegenomen en vermenigvuldigd met de grootte van de pixel. Hieruit komt de afmeting van de het beeld dat op de sensor terecht komt. De sensor zal dus minimaal deze lengte en breedte moeten hebben.

Opbouw een pixel

In elke pixel zit een rood, groen en blauw component die ervoor zorgen dat een lichtstraal wordt omgezet in een afbeelding. De afbeelding bestaat uit meerdere kleine stroompjes die de componenten versturen naar het verwerkingssysteem in de camera. Door vervolgens de verschillende hoeveelheden de drie kleuren te mengen kunnen van de primitieve kleuren (rood, groen en blauw) additieve kleuren worden gemaakt (roze, oranje, paars).

Wat doet een lens?

Een lens is een belangrijk onderdeel van een camera. Dit komt omdat een lens ervoor zorgt dat de foto die wordt gemaakt scherp is en op de goede afstand is ingesteld om de foto te nemen. Dit komt door een paar punten zoals het brandpunt. Daarnaast zit er voor de lens een diafragma die de juiste hoeveelheid licht doorlaat.

Brandpuntafstand

De brandpuntafstand zorgt ervoor dat de afstand tussen de lens en de camera sensor goed kan worden afgesteld. Er zijn op de markt verschillende lenzen te koop met verschillende brandpunt afstanden zoals 6, 12 en 25 millimeter. Deze zorgen ervoor dat de richting waarmee het licht de lens in en uit gaat wordt aangepast.

Met de volgende berekening kan de brandpunt afstand worden berekend:
Hierbij moet eerst de vergrotingsfactor worden berekend tussen het voormaat dat het object in de echte wereld is en de afmeting die het op de sensor moet zijn.
Daarna kan de afstand tussen de camera lens en het voorwerp worden berekend in millimeters.

Wat is een diafragma en wat doet het?

Een camera kan bij het maken van een foto worden afgesteld op scherpte van de foto. Om een optimale foto te kunnen krijgen is het belangrijk om de belichting van de sensor goed te krijgen. Hierbij kan worden gekozen voor een extra lichtbron zoals een lamp, ringlight, domelight of backlight. Ook kan er worden gespeeld met het diafragma dat kan worden afgesteld.

Het diafragma is een element in de camera dat de grote van de opening waar licht doorheen komt kan regelen. Deze kan verder open worden gezet bij te weinig licht en nauwer worden afgesteld bij overbelichting. Een overschot aan licht zorgt ervoor dat er vertroebeling ontstaat in het beeld. Denk er bijvoorbeeld aan als er opeens een felle lamp aan gaat en er voor enkele secondes niks kan worden gezien. Hiermee kan het worden vergeleken en dat zorgt ervoor dat de camera het beeld niet scherp kan opslaan.