Евгений Сергеев - Вспомогательные (прикладные) дисциплины. Фотодело
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, определяющей цвет глаз. Зрачок глаза обладает способностью сужаться и расширяться в зависимости от интенсивности окружающего освещения. Свет, отраженный от объекта, падает на хрусталик глаза, который, как положительная линза, строит на поверхности глазного дна уменьшенное перевернутое (обратное) изображение объекта. Поверхность глазного дна покрыта слоем светочувствительных клеток, каждая из которых способна ощущать свет. Каждая клетка передает в мозг сигнал об интенсивности принятого излучения, и так как на поверхности сетчатки содержится около миллиона таких клеток, мозг получает единое представление об изображении, построенном хрусталиком. Хрусталик глаза обладает свойством изменять свою кривизну, в результате чего свет от точек объекта, находящихся на различном удалении от глаза, фокусируется всегда на поверхности сетчатки. Изменение кривизны хрусталика при рассматривании разно удаленных объектов происходит в результате непроизвольного сокращения или расслабления связанных с ним мышц. Рассматривая объемно-пространственные формы (к которым относится и лицо), глаз как бы обегает рассматриваемый объект, фокусируя одну точку объекта за другой. Такое свойство глаза называется аккомодацией.
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.
Рис. 1.4.2. Образование изображения в камере с малым отверстиемВ 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.).
Рис. 1.4.3. Варианты мир для определения разрешающей способностиЛинейная 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.
