Физические изобретения в цифровом-зеркальном фотоаппарате

 

 

Установка диафрагмы  на соответствующее значение диафрагменного числа может производиться вручную (в неавтоматических и полуавтоматических фотоаппаратах) или с помощью приводного механизма (в автоматических).

В зависимости от типа фотоаппарата (его сложности и стоимости) применяются  различные конструкции для установки  диафрагмы:

♦  диафрагма с кольцом предварительной установки. На объективе фотоаппарата имеются два кольца. С помощью одного из них, имеющего фиксатор через 1 или 0,5 ступени, выставляется необходимое значение диафрагмы, но при этом сама диафрагма остается открытой, чтобы можно было производить фокусировку. После проведения фокусировки вторым кольцом диафрагмируют объектив и производится фотографирование;

♦  прыгающая диафрагма. В этой диафрагме также имеется кольцо предварительной установки с фиксатором, но диафрагма открывается одновременно со взводом затвора и перемоткой пленки. При нажатии на спусковую кнопку диафрагма закрывается до заранее установленного значения, и после этого производится экспонирование пленки;

♦ нажимная диафрагма. Эта диафрагма постоянно открыта и закрывается до значения, заранее установленного на кольце предварительной установки диафрагмы, при нажатии на спусковую кнопку. При отпускании спусковой кнопки диафрагма снова открывается;

♦ моргающая диафрагма. При нажатии на спусковую кнопку эта диафрагма закрывается до заранее установленного значения только на время выдержки. После закрытия затвора диафрагма автоматически открывается.

Большинство современных зеркальных фотоаппаратов имеют моргающую  диафрагму, меньшее количество —  нажимную.

Диафрагма регулирует не только световой поток, проходящий через объектив в момент съемки, но и глубину резкости изображаемого пространства.

Глубина резкости — расстояние вдоль оптической оси съемочного фотографического объектива, в пределах которого нерезкость изображений различно удаленных предметов не превышает допустимого кружка нерезкости.

Здесь учитываются особенности  человеческого зрения: глаз на расстоянии наилучшего видения 25—30 см принимает  за точку любой кружок диаметром  меньше 0,1 мм. Для негативов форматом (24x36) мм допускается изображение отдельных точек в виде кружков диаметром 0,03—0,05 мм, которые принято называть кружками нерезкости.

Следовательно, если фотопленку сместить из фокальной плоскости Р (см. рис.), приближая или удаляя ее от объектива  на расстояние 5 так, что диаметр кружка нерезкости будет не более 0,05 мм, то изображение еще будет оставаться визуально резким. Тогда двум расстояниям (f +5) и (f — 5) будут соответствовать в предметном пространстве две плоскости, расположенные на различных расстояниях от объектива, и все точки пространства, лежащего между ними, будут изображаться в виде кружков диаметром не более 0,05 мм. Это 

 

и будет глубина резко  изображаемого пространства. Чем  меньше световое отверстие (действующий  диаметр объектива), тем больше значение 5, т.е. шире пространство, в котором получаем резкое изображение (см. рис.).

При съемке разноудаленных объектов с наилучшей резкостью изображается тот объект, на который произведена  фокусировка объектива. На практике резкими получаются изображения объектов, расположенных на определенном расстоянии от объекта, на который сфокусирован объектив.

Чтобы найти это пространство, в  пределах которого получается резкое изображение, объективы имеют на оправе шкалу резкости. Это симметрично  расположенные относительно установочного знака т диафрагменные числа. Шкала глубины резко изображаемого пространства нанесена над шкалой расстояний и может перемещаться относительно нее. Знак °° (бесконечность) обозначает наименьшее расстояние, с которого лучи, поступающие от точечного источника света в объектив, можно считать параллельными. Если против индекса т установить знак *, т.е. навести объектив на резкость по удаленному предмету, то расстояние до передней границы резко изображаемого пространства будет тем меньше, чем меньше относительное отверстие объектива.

Как видно из рис, при диафрагме 2,8 передняя граница резко изображаемого  пространства будет находиться на расстоянии 15 м от фотоаппарата, при диафрагме 16 — на расстоянии 1,5 м.

Расстояние до передней границы  резко изображаемого пространства при установке объектива на °° называется гиперфокалъным расстоянием.

Если объектив установлен, например, на расстоянии 3 м, то по шкале глубины  резкости можно опреде»лить расстояние до передней и задней границ резко  изображаемого пространства для той или иной диафрагмы. Так, для диафрагмы 2,8 передняя граница будет находиться на расстоянии около 2,5 м, а задняя — на расстоянии 4,5 м; для диафрагмы 5,6 м — 1,8 м и 15 м, соответственно.

 

Чтобы получить наибольшую глубину резко изображаемого пространства при съемке с выбранным значением диафрагмы, объектив следует фокусировать путем совмещения символа °° с числом на шкале глубины резкости, соответствующим заданному значению диафрагмы (рис., в).

Угол поля изображения (угловое  поле изображения) также является важной характеристикой каждого фотообъектива. Любой объектив дает изображение в пределах определенного поля, имеющего форму круга и называемого полем изображения. В пределах этого поля резкость и освещенность изображения неодинаковы — по мере удаления от центра поля изображения они уменьшаются.

Поэтому из поля изображения объектива  выбирают прямоугольник или квадрат, имеющий равномерную резкость по всей площади и ограничивающий кадр фотоснимка.

Угол, ограниченный лучами, идущими от оптического центра фотообъектива к концам диагонали расчетного кадра, называется углом поля изображения.

(Величина угла поля изображения  влияет на масштаб изображения.  Чем больше угол поля изображения,  тем большую площадь при съемке  фотообъектив может передать на фотопленку. При этом масштаб изображения снимаемых объектов уменьшается. Объективы с малым углом поля изображения, наоборот, уменьшают площадь (пространство) и создают на снимке (фотокадре) увеличенные изображения снимаемых объектов. Угол поля изображения 2р" зависит от величины фокусного расстояния объектива f.

Угловым полем объектива называется наибольший угол с вершиной в оптическом центре объектива, при котором все предметы находящиеся в 

его пределах, будут изображаться объективом в плоскости кадрового окна объектива.

Разрешающая способность (сила) R — это способность фотографического объектива четко воспроизводить мельчайшие детали объекта. Она оценивается по количеству воспроизводимых штрихов на 1 мм длины изображения. Разрешающую способность фотообъектива определяют фотографированием специальных штриховых таблиц, называемых мирами.

Эта способность объектива  в центре поля изображения всегда выше, чем по краям, поэтому в технический  паспорт фотографических объективов заносятся два значения разрешающей способности: для центра и для краев поля изображения. Для хорошо корригированных объективов она достигает 250—300 лин/мм, практически же она оказывается значительно меньшей, поскольку в определении ее участвует фотографический слой, разрешающая способность которого, будучи более низкой, чем разрешающая способность объектива, ограничивает последнюю.

В реальных условиях хорошо корригированные  объективы дают при большем действующем  отверстии 40—45 лин/мм в центре поля и 20—25 лин/мм на краях.

 

 

Аберрации.

В реальных оптических системах невозможно обеспечить идеальные условия прохождения световых лучей, что, естественно, приводит к искажениям изображения.

Аберрация (от лат. aberratio, букв. — уклонение) — это искажения  изображения, вызванные неидеальностью оптической системы фотоаппарата. Они проявляются в нерезкости изображения, окрашенности его контуров, в нарушении подобия между объектом и его изображением.

Стремление к уменьшению аберраций  приводит к усложнению конструкции  объектива — увеличению количества линз, но при этом возрастают потери на отражение и светорассеяние, которые сводят к минимуму внесенные улучшения. Чтобы устранить указанные потери, используют технологию, которая получила название "просветление оптики". Она заключается в создании на поверхности линз тончайшей пленки с показателем преломления меньше, чем показатель преломления стекла, из которого изготовлена линза.

В зависимости от способа получения  пленки и ее свойств отражение  снижается до 1—1,5%, а общее пропускание  света объективом возрастает до 80—90% вместо прежних 50—60%.

Имеют место также искажения, возникающие  вследствие того, что лучи света, проходящие через центр линзы и ее края, преломляются под разными углами — это так называемая сферическая аберрация. Сферическую аберрацию можно значительно уменьшить, если поверхность линзы сделать несферической (см. рис.). Такие линзы называются асферическими. С помощью этих линз удается добиться превосходного качества изображения при больших значениях диафрагмы.

 

Искажения, вносимые в изображение вследствие того, что лучи света, имеющие разную длину волны (цвет), преломляются линзой по-разному, называются хроматической аберрацией. Она устраняется использованием для изготовления линз стекла с низкой дисперсией, т.е. не разлагающего белый свет в спектр. Такими свойствами обладают прозрачные кристаллы кварца и флюорита. У современных ФА хроматическая аберрация практически отсутствует.

Светосила объектива — важнейшая фотометрическая характеристика, определяющая достоинство объектива.

Под светосилой J объектива понимается отношение освещенности изображения (Е) на светочувствительном слое к яркости (В) снимаемого объекта:

 

Показатель светосилы  зависит от величины действующего диаметра объектива и его фокусного  расстояния. Чем больше площадь светового пучка, проходящего через объектив при данном фокусном расстоянии, тем выше будет показатель светосилы. Поскольку площади кругов относятся как квадраты их диаметров, светосила будет прямо пропорциональна квадрату действующего диаметра объектива. Но освещенность зависит и от фокусного расстояния и изменяется согласно основному закону освещенности обратно пропорционально квадрату расстояния от источника света до освещаемой поверхности.

Отсюда J светосила пропорциональна квадрату отношения т.е. пропорциональна квадрату относительного отверстия так как дробь в скобках есть величина относительного отверстия.

 

При сравнении двух объективов имеют в виду, что их светосилы  относятся как квадраты относительных  отверстий. Например: один объектив имеет  относительное отверстие 1:2, а второй 1:2,8. Очевидно, светосила первого объектива будет примерно в два раза больше светосилы второго:

 

При применении пленок одинаковой чувствительности выдержки при съемке тем короче, чем выше светосила  объектива. Большая светосила дает возможность производить съемку при менее благоприятных условиях освещения.

 

 

 

 

Изменения в фотоаппаратах. Трансфокатор.

Изменения, произошедшие в структуре цифровых фотоаппаратах, являются великим техническим прогрессом. Фотоаппараты 20 века были пленочные и на проявку фотографии требовалось время. В начале 21 века фирмой Canon Inc. была внедрена в состав фотоаппарата цифровая матрица, которая позволила, хоть и не сразу, получать готовый вид фотографии. Со временем пленочный тип фотоаппаратов отошел на задний план и остался в пользовании у истинных ценителей прошлого. Современный фотоаппарат отличается быстродействием по сравнению со своими предшественниками. Процесс регистрации изображения стал намного быстрее и проще, безопаснее.

Внедрение в объектив намного большего количества линз позволило получать изображение, которое находится очень далеко от фотоаппарата или наоборот приближенное. Появление так называемого «трансфокатор» позволило снова упростить процесс регистрации изображения.

Трансфокатор (Вариообъектив или «зум» от англ. zoom) — объектив с переменным фокусным расстоянием.

Трансфокатор представляет собой оптическую систему, состоящую из афокальной панкреатической насадки с переменным угловым увеличением и объектива с постоянным фокусным расстоянием. Исправление аберраций производится для обеих частей трансфокатора по отдельности. В такой системе трансфокатором могут называть только афокальную насадку.

Вариообъектив представляет собой оптическую систему, рассчитанную как единое целое с точки зрения аберраций. По сравнению с трансфокатором позволяет достичь лучшего исправления многих аберраций при меньшем числе линз и компонентов, а также добиться большей геометрической светосилы во всём диапазоне фокусных расстояний. По схеме вариообъектива построен фотографический объектив «Рубин-1», киносъёмочные объективы «Вариогоир». В широком применении находятся объективы обоих типов, и оба термина часто применяются к ним как синонимы.

Исторически зум-объективы  имели небольшой коэффициент  увеличения — от двух до трёх, так как не было мощных вычислительных средств для расчёта таких многолинзовых конструкций.

Первые механические версии объективов с трансфокатором разрабатывались так, чтобы при  изменении фокусного расстояния не сбивалась установка на резкость. В настоящее время, в связи с массовым переходом на автофокусные объективы, это условие было снято для удешевления конструкции, хотя профессиональные репортёрские объективы по прежнему не меняют дистанцию фокусировки при смене фокусного расстояния.

 

 

 

 

Достоинства трансфокаторов

Главное достоинство  — возможность оперативного изменения  масштаба изображения часто позволяет  получить изображение более качественное, нежели увеличение фрагмента с плёнки или матрицы.

Один трансфокатор весит меньше, чем набор объективов с дискретными фокусными расстояниями, и покупка трансфокатора может быть экономически оправданной.

 

Недостатки  трансфокаторов

Если рассмотреть  некоторый трансфокатор, из которого планируется разработать дискретный объектив, тогда, взяв исходный трансфокатор в рассматриваемом положении фокусного расстояния как исходную конструкцию, можно:

• упростить, сократив количество линз и добиться, как минимум, меньшего светорассеяния.
• улучшить оптические характеристики, такие как хроматические аберрации, дисторсии.
• увеличить светосилу, путём варьирования параметров линз исходной конструкции.