Вспомогательные (прикладные) дисциплины. Фотодело
Шрифт:
Методическое обеспечение
Основные понятия : фотографическая съёмка; фотоаппарат; корпус камеры; объектив; фотографический затвор; величина выдержки; экспозиция; видоискатель; лампа-вспышка; диафрагма; фокусное расстояние; величина относительного отверстия; глубина резкости.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое фотографическая съёмка?
2. Причины разделения фотоаппаратов по признакам.
3. Основные узлы и механизмы фотоаппарата.
4. Назначение узлов и механизмов камеры.
5. Назначение узлов и механизмов объектива
6. В каких деталях и узлах фотоаппарата проявляется дизайнерское и конструктивное отличие фотографических камер.
Задание . Сравните между собой по конструктивным особенностям несколько плёночных и цифровых фотоаппаратов. Найдите общее и различия.
Глава 1. 4. Фотографическая оптика
Важнейшей частью любого фотоаппарата является фотографический объектив. Съёмочные объективы предназначены для изображения объёмных форм и пространственного расположения разнородных предметов. Современный фотографический объектив представляет собой оптическую конструкцию, рассчитанную с учетом всех наших знаний о свете как о физическом явлении. Зрительное представление об окружающем нас мире мы получаем благодаря глазу – удивительному оптическому прибору, созданному самой природой, устройство глаза и фотографического аппарата сходны между собой.
Рис. 1.4.1. Построение изображений: а – в фотоаппарате; б – в глазе человека.
Глаз представляет собой непрозрачное яйцевидное тело, покрытое плотной непрозрачной оболочкой – склерой. На передней стенке глаза имеется выпуклость, защищенная прозрачной роговицей, за которой находится чечевицеобразное прозрачное тело – хрусталик. Если посмотреть сквозь хрусталик внутрь глазного яблока, хрусталик кажется нам черным, так как лучи света, прошедшие сквозь него, поглощаются внутри глаза и не выходят наружу. Хрусталик окаймлен цветной радужной оболочкой,
Объектив такими свойствами не обладает. Он запечатлевает каждую точку в той степени четкости, в какой она удалена от сфокусированной точки. Глубина резко изображаемого пространства в зависимости от значения диафрагмы не охватывает всего объекта. В результате на этом участке наблюдается потеря четкости изображения. На черно-белом изображении постепенный спад на закруглениях объемной формы воспринимается зрителем как пластический эффект, имеющий художественное значение, ибо на снимке он выглядит как закономерно чередующийся градиент нежного полутона. В тональных переходах цветного изображения происходит трансформация цвета, который приобретает иной характер (в живописи это называется «грязным цветом»).
В фотоаппарате это достигается также либо изменением фокусного расстояния объектива, либо изменением расстояния между объективом и светочувствительным слоем.
В простейшем случае фотографическое изображение может быть получено вообще без объектива. Если взять светонепроницаемую камеру, в передней стенке проделать иголочное отверстие, а у задней стенки поместить светочувствительный слой, как показано на рис. 1.4.2. то при съемке такой камерой можно получить сносные фотографии удаленных объектов. Именно с таких камер и начиналось развитие фотографической техники. Такая камера называлась камерой-обскурой .
Один из изобретателей XVI века догадался вставить в отверстие камеры – обскуры двояковыпуклую собирающую линзу. Улучшились изобразительные возможности камеры, усилилось её сходство с человеческим глазом. Знаменитый астроном Иоганн Кеплер приспособил камеру – обскуру для наблюдения солнечного затмения, много экспериментировал с нею и сумел построить точную оптическую схему глаза, наиболее верно описал ход лучей внутри него. Он высказал правильное предположение: лучи, собранные хрусталиком, дают на светочувствительной сетчатке глаза, как в камере-обскуре, перевернутое изображение.
Исследования физиков и врачей XX века показали, что это соответствует истине: мозг, а не глаз меняет «низ» с «верхом» еще раз, облегчая нашу ориентацию в окружающем мире. Доказано это было оригинально и просто: сами экспериментаторы, а затем и добровольцы – пациенты рискнули надеть очки, переворачивающие изображение. Сначала пациенты все видели перевернутым, но через несколько дней, мозг все поставил на место – и окружающий мир для них вновь «встал на ноги». Наука заимствования технических изобретений у природы, получившая в наши дни название «бионика», возникла, по меньшей мере, еще в конце XVII-начале XVIII века, стояла перед трудной задачей создания оптических систем, не искажающих изображение предмета.
1.4.1. Устройство объектива
Простейший объектив (монокль) состоит из одной линзы. Фотографический объектив – система оптических линз, заключенная в специальную оправу. Основные характеристики: главное фокусное расстояние, относительное отверстие, светосила, угол поля изображения. Важным свойством является то, чтобы построенное изображение имело желаемый масштаб, сохраняло подобие геометрических форм объекта, воспроизводило необходимые мелкие детали и обладало световой энергией, достаточной для воздействия на светочувствительный слой. В большинстве случаев требуется, чтобы перечисленные свойства оптического изображения были одинаковы как в центре кадра, так и на его краях. Главные характеристики объектива обозначаются на его оправе, более подробные приводятся в паспорте и описании. Модель объектива, его название, характеризует конструкцию оптической системы. По названию на оправе в справочнике можно найти подробное описание объектива, число линз и их форму.
Стандартный объектив для любого аппарата конкретного формата выбран таким образом, чтобы его фокусное расстояние было примерно равно размеру диагонали его кадра. Пленочные фотоаппараты обычно снабжены объективом с «нормальным» или «стандартным» фокусным расстоянием, выбор которого обусловлен тем, что он передает перспективу аналогично тому, как она воспринимается людьми. Такое фокусное расстояние примерно равно размеру диагонали кадра, поэтому стандартный объектив аппарата имеет фокусное расстояние около 50 мм (диагональ кадра 24х36 мм составляет 43 мм). Фокусное расстояние объектива, имеющего несколько компонентов, измеряется от его задней фокальной плоскости.
Главное фокусное расстояние объектива определяет геометрические размеры получаемого изображения, его масштаб. Чем больше фокусное расстояние объектива, тем крупнее масштаб изображения при прочих равных условиях. Величина фокусного расстояния, выраженная в миллиметрах, указывается на оправе объективов. Номинальное фокусное расстояние указано на оправе округленно, оно почти всегда отличается от фактического фокусного расстояния конкретного объектива на 3–4%.
Работая над улучшением характеристики объективов, оптики всегда стремятся, насколько возможно, увеличить диаметр действующего отверстия объектива. Сейчас многие объективы массового выпуска имеют максимальное относительное отверстие: 1:2,8; 1:2,0 и даже 1:1,2. Величину знаменателя максимального относительного отверстия иногда неправильно называют светосилой объектива. Светосилой называется отношение освещенности изображения к яркости объекта съемки. Она равна отношению квадрата диаметра действующего отверстия объектива к квадрату его фокусного расстояния или квадрату относительного отверстия.
Для удобства введения поправок в выдержку при съемке шкала диафрагмы построена таким образом, что при переходе с одного деления шкалы на другое, площадь действующего отверстия изменяется вдвое, поэтому и выдержка должна изменяться в два раза. По международному соглашению для фотографических объективов принят следующий стандартный ряд значений. Эти значения имеют геометрическую прогрессию диаметров относительных отверстий для нанесения на шкалу диафрагмы: 1:0,7; 1:1,0; 1:1,4; 1:2,0; 1:2,8; 1:4,0; 1:5,6; 1:8,0; 1:11; 1:16; 1:22; 1:32; 1:45; 1:64.
Разрешающая сила, или разрешающая способность объектива – показатель способности объектива воспроизводить в изображении мельчайшие детали объекта. Мелкие детали объектов фотографирования очень разнообразны по конфигурации и по контрасту с окружающим фоном, поэтому для сравнения объективов друг с другом применяют стандартный тест-объект, или миру (рис. 1.4.3.).
Линейная мира представляет собой группы штрихов и светлых промежутков, по-разному ориентированных на плоскости, ширина которых от группы к группе уменьшается в определенное число раз. Соответственно уменьшается и ширина светлых промежутков. При рассматривании оптического изображения миры, построенное объективом, через микроскоп, видно, что крупные штрихи первых групп четко отграничены, промежутки уверенно просматриваются и число штрихов легко пересчитать. В следующих группах, по мере уменьшения ширины штрихов и нарастания их частоты, границы становятся расплывчатыми и, наконец, сливаются, не различаются. Та группа, в которой штрихи уже не удается пересчитать, считается пределом разрешения данного объектива. Количественно разрешающая способность выражается максимальным числом штрихов и равных им по ширине промежутков, раздельно передаваемых объективом на 1 мм длины изображения. Оптическая разрешающая сила объективов всегда выше фотографической и достигает величины 200–300-1 мм, это означает что, в оптическом изображении различимы детали размером до 0,005 мм.
1.4.2. Угол зрения объектива
Объектив, как и человеческий глаз, способен воспринимать объекты в ограниченном угле зрения. Угол поля зрения объектива характеризует пространство, которое охватывает объектив при съемке. Если за объективом поместить большое матовое стекло, то на нем получится изображение в пределах круга с размытыми, затемненными краями (рис. 1.4.4.)
Рис. 1.4.4. Угол поля зрения 2a и угол поля изображения 2w объектива
Этот круг называется полем зрения объектива. Можно провести круг, в пределах которого изображение будет удовлетворительным. В границах круга с достаточно хорошим качеством изображения должен быть размещен прямоугольный или квадратный кадр заданного формата. Угол 2w с вершиной в задней главной точке объектива, опирающийся на диагональ кадра, называется углом поля изображения. Его значение указывается в паспорте объектива. Угол поля зрения объектива обозначается символом 2a. При расчете объективов исходят из заданного формата кадра и фокусного расстояния для получения нужного угла поля изображения. Глаз человека, воспроизводит высокое качество изображения объекта в пределах очень малого угла зрения, равного примерно семь градусов. Хорошее качество изображения на фотоматериале можно получить в пределах гораздо большего угла зрения, величина которого определяется типом съёмочного объектива.
В зависимости от угла поля изображения объективы могут быть широкоугольными, нормальными и узко угольными (рис. 1.4.5.). Такое деление объективов условно. Нормальным о бычно считают объектив, у которого угол поля изображения близок к углу зрения человеческого глаза и составляет в угловой мере 45–55°. Такой угол можно получить тогда, когда фокусное расстояние объектива примерно равно диагонали кадра фотоаппарата. Объективы с большим углом поля изображения считаются широкоугольным и, а с меньшим углом поля изображения – узкоугольными .
Объективы, различающиеся углом поля изображения и предназначенные для использования в одном фотоаппарате с кадром определенного размера, различаются и фокусным расстоянием, как это показано на рис. 1.4.6. Широкоугольный объектив имеет фокусное расстояние меньшее, чем нормальный и тем более узкоугольный, если они рассчитаны на кадр одинакового формата.
Рис. 1.4.5. Различные углы поля изображения объективов с одинаковыми фокусными расстояниями f: а – широкоугольный; б – нормальный; в – узкоугольный
Рис. 1.4.6. Схема объективов с различными углами поля изображения, рассчитанных для одного фотоаппарата: а – широкоугольный; б – нормальный; в – узкоугольный. Профессиональные фотографы имеют наборы сменных объективов, которые различаются углами поля изображения и фокусными расстояниями, оправа которых позволяет быстро заменить один объектив другим
1.4.3. Формы и основополагающие принципы конструкции объектива
Ф отообъективы обычно конструируются из нескольких отдельных линз, которые, если конкретно не указано что-то иное, имеют сферические поверхности. Специальная линза с поверхностью, изогнутой в идеальной форме для коррекции этих аберраций, т. е. линза, имеющая свободно изогнутую поверхность, которая не является сферической, называется асферической линзой . Фокусное расстояние одинарной двояковыпуклой линзы – это расстояние между ее центром и точкой, в которой фокусируются параллельные пучки света, поступающего от объекта, находящегося в бесконечности (точка фокусировки).
Существует пять основных конструкций, используемых в объективах с одним фокусным расстоянием общего назначения. Первый тип с одной линзой является простейшим, состоит из одной или двух соединенных линз. Второй и третий это двойные объективы , состоящие из двух независимых линз. Четвертый тип это триплеты, объективы, состоящий из трех независимых линз, расположенных в такой последовательности: выпуклая-вогнутая-выпуклая. Пятый тип – симметричный, состоящий из двух групп по одной или больше линз одинаковой формы и конфигурации в группе, симметрично ориентированных вокруг диафрагмы
Симметричные. В объективах этого типа группа линз за диафрагмой имеет почти такую же конфигурацию и форму, как группа линз, расположенная перед диафрагмой. Симметричные объективы классифицируются далее на различные типы, такие, как тип Гаусса, тройной, тип Тессар, тип Топкон и ортометрический, Из них наиболее широко используется объектив конфигурации Гаусса и его вариации, потому что его симметрическая конструкция обеспечивает хорошо сбалансированную коррекцию всех типов аберрации и можно достичь сравнительно длинного заднего фокуса. Основные характерные типы фотообъективов представлены на рис. 1.4.9.
В стандартных фотообъективах общая длина объектива (расстояние от вершины передней линзы до фокальной плоскости) больше, чем фокусное расстояние. Чтобы сохранить размер такого объектива разумной величины, в то же время, обеспечивая большое фокусное расстояние, комплект вогнутой (отрицательной) линзы располагается позади комплекта основной выпуклой (положительной) линзы, в результате чего получается объектив, который короче своего фокусного расстояния. При увеличении расстояния между аппаратом и объектом съемки и использовании объектива с большим фокусным расстоянием во время съемки одного и того же объекта перспектива станет более плоской. Кажущееся расстояние между объектами будет сокращаться, и их протяженность станет меньше. Объективы с фокусным расстоянием больше, чем у стандартного, называются телеобъективами. В таком объективе вторая главная точка расположена перед передней линзой объектива, рисунок 1.4.10.
Рис. 1.4.10.
1.4.4. Оптические искажения, возникающие в объективе
Относительное отверстие и фокусные расстояния хоть и важные, но далеко не единственные параметры, которые определяют качество объектива. При малом диаметре линз, и достаточно большом диапазоне фокусных расстояний практически невозможно избежать различных оптических искажений (абераций ).
Искажения можно разделить на два вида, геометрические и хроматические.
Геометрические искажения – это отличия изображения прошедшего через объектив с его сложной системой линз от того, что получилось на снимке. Эти искажения возникают потому что, что манипуляции с изображением которые происходят в линзах и призмах объектива, нельзя провести с абсолютной точностью. Любая насадка на камеру, например широкоугольная, с расширением возможностей объектива может создавать различные эффекты искажения.
Хроматические искажения возникают, если волны разной длины (а значит и цвета) через объектив проходят по – разному. Выглядит это как ореол другого цвета (чаще всего фиолетового) вокруг ярких объектов.
Кроме конструкции объектива, значение имеют и линзы, на основе которых объектив собран. К сожалению, оценить качество линз "на глаз" невозможно, а судить по косвенным данным (например, по бренду производителя) не всегда верно.
1.4.5. Оптические системы в цифровой фототехнике
В цифровой фотографии (ЦФ), как правило, используются оптика и механизмы традиционных фотоаппаратов, фотопленка заменена электронными светочувствительными элементами. Оптическая система является входным звеном любой цифровой аппаратуры, фильтром низких пространственных частот. В сочетании с ПЗС, объектив определяет качество съёмки.
В качестве оптических систем в любительских цифровых фотоаппаратах используются универсальные объективы. Универсальные объективы имеют средние значения, относительные отверстия не превышают 1,28 при углах зрения 50–60°. Наибольшее распространение получили трёхлинзовые объективы «Триплет», и их модификации – четырёхлинзовые объективы «Тессар». Оптическую схему представляют шесть преломляющихся поверхностей и два воздушных промежутка между линзами. Такая конструкция создаёт простейший анастигмат, в котором представлены все аберрации: как монохроматические так и хроматические а при необходимости могут быть одновременно корригированы и аберрации термооптические. Выбор стёкол в большей степени предопределяет пределы поля зрения и светосилы объектива.
Параметры, которыми определяются потребительские свойства объективов давным-давно определенны, и не являются загадкой цифры, которые можно встретить на объективах фото и видеокамер. Две цифры – указывают на то, что объектив имеет переменное фокусное расстояние. При смене фокусного расстояния меняется угол обзора. Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора. И наоборот, чем оно меньше, тем угол обзора больше. На изменении фокусного расстояния осуществляется оптический zoom объектива, чем меньше фокусное расстояние, тем больше zoom. Определить, zoom можно легко высчитать, поделив большее значение фокусного расстояния на меньшее. Так, например, объектив с фокусным расстоянием f = 3.6~36 mm имеет zoom 10x, а с фокусным расстоянием f = 4.1~73.8 mm имеет зум 18x. Значения фокусного расстояния напрямую зависят от размера ПЗС. Геометрические размеры матрицы определяет, какого максимального формата можно получить изображение.
Фокусное расстояние и зум . Фокусное расстояние характеризует охват снимаемого пространства камерой. Если оно меньше 50 мм, то камера предназначена для съёмки с широким углом зрения. Если больше 50 мм (например, 80 или 100 мм), то угол зрения уменьшается и создаётся впечатление что камера как бы "наезжает" на удалённый объект. При фокусном расстоянии 50 мм охват пространства близок к естественному восприятию глаза. Отношение "длинного" фокусного расстояния к "короткому" называется кратностью зума . Оно обычно указывается на объективе. У камер с большим зумом при съёмках в крайних его значениях возникают различные искажения (изменение пропорций предметов, возникновение цветной окантовки вокруг резких границ и источников света). Самое хорошее качество снимков наблюдается у камер с фиксированным фокусным расстоянием.
Зум-объектив (zoom) из четырех групп линз. Зум-объектив стандартной конфигурации имеет четко разграниченные функции четырех групп линз: фокусировочная группа; группа изменение увеличения; группа коррекции; группа формирования изображения. Две группы – изменения увеличения и коррекции – двигаются во время изменения фокусного расстояния. Поскольку при такой конструкции легко достичь кратности изменения фокусного расстояния с большим увеличением, она обычно используется в объективах кинокамер и в теле зум-объективах однообъективных зеркальных фотоаппаратах.
Методическое обеспечение
Основные понятия : главное фокусное расстояние; светосила; разрешающая способность объектива; мира; нормальный объектив; узкоугольный объектив; широкоугольный объектив; сверхширокоугольный объектив; зум-объектив; телеобъектив; асферическая линза; симметричные объективы; двойные объективы; триплет; дисперсные линзы; положительные линзы.
Контрольные вопросы и задания
1. Строение глаза человека?
2. Что такое аккомодация?
3. Принципы образования изображения?
4. 4.Что такое разрешающая способность объектива?
5. 5.Виды объективов?
6. Виды и назначение линз в объективе?
7. Причина появления искажения в объективе?
8. Взаимосвязь фокусного расстояния и зума?
9. 9.В чём разница зум-обьектива, триплета и трансфокатора
10. Способы проверки качественно работы объектива
Задание. Посмотрите и выявите конструктивные отличия объективов на плёночных и цифровых аппаратах. Сфотографируйте один и тот же объект с разными объективами.