Фотографировании удаленного предмета фотоаппаратом объектив. Формула тонкой линзы

628. Какая экспозиция нужна при фотографировании чертежа с линейным увеличением V\, если при фотографировании с увеличением V2 экспозиция равняется t2?

629. В фокальной плоскости положительной линзы установлено матовое стекло. Оказалось, что размытость деталей изображения предметов, находящихся на расстоянии а = 5 м от линзы, составила d = 0,2 мм. Определить светосилу линзы, если ее фокусное расстояние F=IO см.

Примечание. Светосилой линзы называют квадрат отношения диаметра линзы к ее фокусному расстоянию.

630. Фотоаппарат, объектив которого имеет фокусное расстояние F = 20 см, наведен на предмет, находящийся на расстоянии fli = 4 м. До какого диаметра нужно задиафрагмировать объектив, чтобы размытость изображения предметов, находящихся на расстоянии а2 = 5 м от фотоаппарата, не превышала 0,2 мм?

631. При фотографировании удаленного точечного источника на фотографии из-за невысокого качества объектива и применяемого фотоматериала получается светлый кружок диаметром d = 0,1 мм. С какого максимального расстояния можно сфотографировать в тех же условиях два точечных источника, расположенных на расстоянии I = 1 см друг от друга, чтобы на

127фотографии их изображения еще не перекрывались? Фокусное расстояние объектива F = 5 см.

632. В микроскопе главное фокусное расстояние объектива Fi = 5,4 мм, а окуляра F2 = 2 см. Предмет находится от объектива на расстоянии ах = 5,6 мм. Определить линейное увеличение микроскопа для нормального глаза и длину микроскопа (расстояние между объективом и окуляром), предполагая, что глаз аккомодирован на расстояние наилучшего зрения d = 25 см.

633. Объектив зрительной трубы имеет фокусное расстояние Fі = 30 см, а окуляр - фокусное расстояние F2 = 4 см. Труба установлена на бесконечность*). В каком месте нужно поставить диафрагму, чтобы поле зрения было резко ограничено? Какова величина угла поля зрения, если диаметр диафрагмы 12 мм? Каково угловое увеличение трубы?

Примечание. Угловым увеличением называют отношение тангенсов углов, образованных выходящими и входящими пучками с оптической осью.

634. Между источником света и зрительной трубой помещена рассеивающая линза с фокусным расстоянием Fi = -15 см на расстоянии U = 85 см от источника. Где в промежутке между источником и рассеивающей линзой нужно поместить собирающую линзу с фокусным расстоянием F2 = 16 см, чтобы источник света был виден резко в трубу, установленную на бесконечность? При каком из возможных положений линзы изображение в трубе будет иметь наибольшие угловые размеры?

635. Объектив зрительной трубы имеет фокусное расстояние Fi = 25 см и диаметр 5 см, а окуляр - фокусное расстояние F2 = 5 см. Труба установлена на бесконечность. Если за окуляром поместить матовое стекло, то при некотором его положении освещенный кружок на матовом стекле имеет наименьшие размеры и резко ограниченные края. Чему равно при этом расстояние от матового стекла до окуляра и чему равен диаметр кружка?

*) В тексте данной и ряда последующих задач не содержится указаний относительно аккомодации глаза наблюдателя. В подобных случаях рекомендуется решать задачи в предположении, что глаз аккомодирован на бесконечность (см. примечание к решению данной задачи). .

128636. Зрительная труба с фокусным расстоянием объектива F = 50 см установлена на бесконечность. На какое расстояние надо передвинуть окуляр трубы, чтобы ясно видеть предметы на расстоянии а = 50 м?

637. Зрительная труба перемещением окуляра может фокусироваться на предметы, находящиеся на расстоянии от Cil = 2 м до а2 = 10 м. Какую линзу нужно приложить к объективу, чтобы труба могла настраиваться на бесконечность? Где при этом будет находиться ближняя точка фокусировки?

638. Перед объективом зрительной трубы Кеплера (с собирающей линзой в качестве окуляра) помещен предмет на расстоянии а < Fi. Отношение фокусных расстояний объектива и окуляра FiIF2=IO. Труба установлена на бесконечность. Найти линейное увеличение V = у/х (л;-размер предмета, у- размер изображения). Определить характер изображения.

639. Перед объективом зрительной трубы Галилея (с рассеивающей линзой в качестве окуляра) помещен предмет на расстоянии а > Fi. Отношение фокусных расстояний объектива и окуляра FJF2 = -10. Труба наведена на бесконечность. Найти линейное увеличение V = у/х, где X - размер предмета, у - размер изображения. Определить характер изображения.

640. Зрительная труба имеет фокусное расстояние объектива Fi = 50 см и фокусное расстояние окуляра F2 = 10 см. Чему равен угол, под которым видны через трубу два удаленных предмета, если при наблюдении невооруженным глазом этот угол равен 30"? Труба установлена на бесконечность.

641. Объектив и окуляр зрительной трубы Галилея имеют фокусные расстояния, равные F і = 57 см и F2 = -4 см соответственно. Труба наведена на Солнце. На расстоянии Ъ = 12 см от окуляра расположен белый экран. При каком расстоянии L между объективом и окуляром на экране получится четкое изображение Солнца. Каков будет диаметр D этого изображения, если угловой размер Солнца а = 30"?

Солнцем цифры не испортишь или О цифровых источниках получения изображений

Юрий Самарин, докт. техн. наук, профессор МГУП им. Ивана Федорова

Цифровые фотоаппараты (камеры) теперь повсеместно используются в журналистике, издательском деле и полиграфии. Цифровой фотоаппарат по конструкции схож с обычным фотоаппаратом, но вместо фотопленки, на которой фиксируется изображение, у него имеются специальные датчики (фотоматрицы): матричные приборы с зарядовой связью — ПЗС (Charge Coupled Device, CCD) или комплементарные металлооксидные полупроводниковые приборы КМОП (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS). Эти датчики преобразуют проецируемое на них объективом изображение в цифровую форму.

Известно несколько вариантов конструкции цифровых фотоаппаратов: камеры с задней разверткой, трехкадровые камеры и однокадровые камеры с одной или тремя фотоматрицами. В настоящее время в основном применяются однокадровые фотокамеры.

Камера с задней разверткой производит сканирование в плоскости изображения. Принцип работы такой камеры (рис. 1) напоминает технологию сканирования, реализованную в сканерах с построчным считыванием информации. Сканирующая головка, содержащая линейку светочувствительных ПЗС, перемещается с небольшим шагом вдоль задней фокальной плоскости камеры поперек изображения, регистрируя за каждый шаг одну строку пикселов. Камеры, в которых применяется такой принцип, позволяют получать изображения с высоким разрешением, но время экспозиции может достигать нескольких минут, что делает технику задней развертки непригодной для съемки движущихся объектов или при работе со вспышкой. Во время сканирования затвор камеры остается открытым, поэтому необходимо применять постоянное освещение, так как ни вспышка, ни стробоскоп в данном случае не годятся.

Трехкадровая камера предназначена для регистрации цветных изображений неподвижных объектов (рис. 2). В качестве светочувствительного датчика используется двумерная матрица ПЗС. Плоские двумерные матрицы имеют гораздо меньшее разрешение, чем линейные. Каждый элемент матрицы формирует одну точку изображения. Экспозиция производится с такой скоростью, что можно пользоваться освещением от обычной вспышки.

Для регистрации цветного изображения нужно сделать три отдельных снимка через три светофильтра (красный, зеленый и синий). Между экспонированиями диск со светофильтрами поворачивается таким образом, чтобы в момент съемки перед матрицей находился красный, зеленый или синий фильтр.

Технология, реализованная в однокадровых камерах с одной матрицей, обеспечивает высокую скорость оцифровывания изображения, но характеризуется более низким разрешением и худшей цветопередачей, чем «многоснимочная» технология. Такие камеры называются также камерами с вычислением цветов.

Как и в трехкадровой, в однокадровой камере с одной матрицей (рис. 3) применяется плоская матрица, но данные о цвете регистрируются не через отдельные фильтры, а через нанесенный на поверхность ПЗС-матрицы пленочный фильтр, состоящий из красных, зеленых и синих элементов. Данные о каждой точке изображения регистрируются только в одном из трех цветов (например, в красном). Для добавления к нему надлежащих долей зеленого и синего программа обработки интерполирует данные о цветах соседних точек. Поскольку требуется всего одна экспозиция, однокадровые камеры обеспечивают съемку движущихся объектов.

Принцип действия однокадровой камеры с тремя матрицами (камеры для однокадровой цветной съемки), в состав которой входят три матрицы, заключается в расщеплении приходящего света на красную, зеленую и синюю составляющие, причем каждая из них направляется на свою матрицу (рис. 4). В одних моделях каждая матрица регистрирует свой цвет, в других — объединяются плоская матрица, на поверхность которой нанесены красный и синий пленочные фильтры, и две дополнительные матрицы с зелеными фильтрами. Во втором случае интерполяция производится только по двум цветам, что приводит к повышению качества зафиксированного изображения. Недостаток этого способа регистрации — относительно невысокое разрешение.

Несмотря на конструктивные различия, цифровые фотоаппараты разного типа имеют в общем одну структуру (рис. 5).

Основными компонентами цифрового фотоаппарата являются объектив, фотоматрица (ПЗС или КМОП), жидкокристаллический дисплей (ЖКД), звуковая карта, карта памяти и процессор, в состав которого входят аналого-цифровой преобразователь, устройство управления экспозицией и фокусировкой и устройство формирования файла и сжатия цифрового изображения.

Объектив фотоаппарата представляет собой набор линз, вставленных в тубус, и предназначен для формирования резкого изображения на поверхности светочувствительного сенсора (ПЗС или КМОП), расположенного в фокальной плоскости объектива.

В современных цифровых фотоаппаратах применяются объективы с переменным фокусным расстоянием, которые имеют сложную оптическую схему, так как при любом положении его подвижных элементов требуется сохранять аберрации в заданных пределах.

Среди технических характеристик объектива важнейшей является разрешающая способность, которая определяет возможности объектива передавать мелкие детали. Измеряется разрешающая способность объектива в линиях на миллиметр, для чего фотографируют испытательную таблицу — специальное тестовое изображение с тонкими линиями. То место, где отдельные линии становятся неразличимы, считается порогом разрешающей способности. Разрешающая способность объектива в оптическом центре линз всегда выше, чем по краям. Хорошим считается объектив, у которого разница между разрешающей способностью в центре и по краям кадра не превышает 30%.

Просветляющее покрытие изготавливается многослойным — оно включает до десяти слоев, расположенных один над другим. Каждый слой настроен на волны определенного участка спектра, поэтому покрытие в целом способно работать с волнами любой длины.

Важнейшей характеристикой цифрового фотоаппарата является фокусное расстояние объектива, вернее — оптический зум (zoom), который определяет способность объектива варьировать фокусное расстояние при неизменном положении плоскости изображения (фотоматрицы). Варьирование фокусного расстояния позволяет динамически изменять масштаб съемки, увеличивать или уменьшать размеры изображения. При изменении масштаба в объективе происходит перестановка линз, в результате которой меняется фокусное расстояние.

На любительских камерах зум фотоаппарата обычно обозначается кратностью (отношение минимального фокусного расстояния к его максимальному значению). Например, зум фотоаппарата 4х — это 4-кратный зум.

На профессиональных камерах указывается непосредственно фокусное расстояние объектива, например 24-70 мм — минимальное и максимальное фокусные расстояния соответственно.

Наряду с оптическим зумом цифровые фотоаппараты обладают цифровым зумом, с помощью которого происходит «программное» увеличение изображения: картинку, которую фотоаппарат получает через объектив, он кадрирует (вырезает и увеличивает фрагмент). При этом снижается качество изображения: возрастает количество шумов, теряется детализация и падает разрешение. При цифровом зуме, увеличивающем изображение вдвое, разрешение 12 мегапикселов превращается в 3 мегапиксела.

От величины фокусного расстояния объектива зависит угол обзора. Чем меньше фокусное расстояние объектива, тем больше угол обзора и, наоборот, чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора объектива. На рис. 6 приведены примерная схема углов обзора и фокусных расстояний и классификация объективов.

Длинные фокусные расстояния позволяют снимать удаленные предметы крупным планом с большим увеличением. При фотографировании с большим увеличением особенно сложно стабилизировать изображение из-за дрожания рук фотографа, что приводит к смазыванию кадра. Современные цифровые фотоаппараты снабжены системой стабилизации изображения. Для этого в них встроены специальные сенсоры, работающие по принципу гироскопов или акселерометров. Эти сенсоры постоянно определяют углы поворота и скорости перемещения фотоаппарата в пространстве и выдают команды электрическим приводам, которые отклоняют стабилизирующий элемент объектива или матрицу.

Стабилизирующий элемент объектива, подвижный по вертикальной и горизонтальной осям, по команде с сенсоров отклоняется электрическим приводом системы стабилизации так, чтобы проекция изображения на матрице полностью компенсировала колебания фотоаппарата за время экспозиции.

В результате при малых амплитудах колебаний фотоаппарата проекция всегда остается неподвижной относительно матрицы, что и обеспечивает картинке необходимую четкость. Однако наличие дополнительного оптического элемента снижает светосилу объектива.

В некоторых цифровых моделях движение (дрожание) фотоаппарата компенсируется не оптическим элементом внутри объектива, а его матрицей, закрепленной на подвижной платформе.

Подобные объективы являются более дешевыми, простыми и надежными, стабилизация изображения работает с любой оптикой. Это важно для зеркальных фотоаппаратов, имеющих сменную оптику. Стабилизация со сдвигом матрицы, в отличие от оптической, не вносит искажений в изображение и не влияет на светосилу объектива. В то же время считается, что стабилизация со сдвигом матрицы менее эффективна, нежели оптическая стабилизация, так как с увеличением фокусного расстояния объектива матрице приходится совершать слишком быстрые перемещения со слишком большой амплитудой и она не успевает за «ускользающей» проекцией.

Существует электронная (цифровая) стабилизация изображения, при которой примерно 40% пикселов на матрице отводятся на стабилизацию изображения и не участвуют в формировании картинки. При дрожании видеокамеры картинка «плавает» по матрице, а процессор фиксирует эти колебания и вносит коррекцию, используя резервные пикселы для компенсации дрожания изображения. Такая система стабилизации широко применяется в цифровых видеокамерах с матрицами небольшого разрешения — имея более низкое качество, чем прочие типы стабилизации, она оказывается дешевле, поскольку не содержит дополнительных механических элементов.

Существует три типичных режима работы системы стабилизации изображения: однократный, или кадровый, непрерывный и режим панорамирования.

В однократном, или кадровом, режиме система стабилизации активируется только на время экспозиции в момент съемки, что теоретически наиболее эффективно, так как требует минимальных корректирующих перемещений.

В непрерывном режиме система стабилизации работает постоянно, что облегчает фокусировку, но эффективность при этом может оказаться несколько ниже, поскольку в момент экспозиции корректирующий элемент может быть уже смещенным, что снижает его диапазон корректировки. Кроме того, в непрерывном режиме система потребляет больше электроэнергии, что приводит к более быстрой разрядке аккумулятора.

В режиме панорамирования система стабилизации компенсирует только вертикальные колебания. При фотографировании с большим увеличением или при больших выдержках рекомендуется использовать штатив.

Диафрагма фотоаппарата — это устройство, которое влияет сразу на два параметра объектива: светосилу, определяющую количество света, проходящего внутрь фотоаппарата, и глубину резкости, от которой зависит величина предельного несовпадения плоскости светочувствительного материала (в пленочном фотоаппарате) или фотоматрицы (в цифровом фотоаппарате) и плоскости оптического изображения, воспроизводимого на этом материале.

При несовпадении этих плоскостей изображение получается нерезким.

Диафрагма предназначена для ограничения пучков лучей в оптической системе и позволяет регулировать освещенность фотоматрицы путем изменения диаметра (апертуры) отверстия входного зрачка объектива.

Широкое применение имеют ирисовые диафрагмы, плавно изменяющие в заданных пределах действующее отверстие объектива. Ирисовая диафрагма состоит из набора тонких дугообразных пластинок (лепестков), кольцевой оправы и поворотного кольца (коронки). На концах лепестков имеются штифты. Один штифт (осевой) каждого лепестка входит в отверстие кольцевой оправы, другой (ведомый) — в соответствующий радиальный паз поворотного кольца. При повороте коронки все лепестки поворачиваются в оправе, изменяя диаметр отверстия диафрагмы.

На рис. 7 схематически показано действие ирисовой диафрагмы при изменении ее апертуры от f/2 до f/22.

Для открывания пути прохождения света в оптическую систему объектива и экспонирования фотоматрицы цифровые фотоаппараты оснащаются механическими или электронными затворами. Механический затвор фотоаппарата приоткрывает шторки для попадания света на фотоматрицу. От продолжительности приоткрытия затвора (выдержки) зависит экспозиция кадра. Электронный затвор встроен в фотоматрицу и управляет ее включением и выключением.

Цифровые фотоаппараты можно разделить по конструкции оптической системы на два типа (рис. 8): зеркальная фотокамера и цифровой компакт. При этом основным признаком типа является система визирования изображения. В процессе визирования фотограф рассматривает в видоискатель оптическое изображение, которое он собирается зарегистрировать в виде цифровых данных.

Рис. 8. Оптическая система цифрового фотоаппарата: а — зеркальной фотокамеры; б — цифрового компакта

Оптическая система зеркальной фотокамеры (см. рис. 8а ) состоит из объектива 1 , датчика системы автофокусировки 2 , зеркала автофокусировки 3 , затвора 4 , фотоматрицы 5 , поворотного зеркала 6 , окуляра видоискателя 7 , пентапризмы 8 и фокусировочного экрана 9 .

В зеркальной камере при визировании фотограф наблюдает в видоискатель оптическое изображение, спроецированное на фокусировочный экран. Изображение на фокусировочном экране 9 формируется тем же световым пучком, который проецируется на фотоматрицу 5 в момент фотосъемки. Достигается это с помощью поворотного зеркала 6 , благодаря которому конструктивный тип фотокамер и получил свое название. Зеркало может фиксироваться в двух положениях. В процессе визирования оно направляет прошедший через объектив световой пучок на фокусировочный экран, а в момент съемки зеркало 6 поднимается, открывается затвор 4 , и световой поток попадает непосредственно на фотоматрицу 5 . Кроме контроля над будущим снимком, зеркальная камера дает возможность использовать разные объективы, которые конструктивно и оптически совместимы с данной камерой. Большинство профессиональных и полупрофессиональных камер являются зеркальными.

С применением пентапризмы 8 , которая имеет крышеобразную (первую по ходу лучей света) отражающую грань, становится возможным наблюдать в окуляр 7 прямое изображение. Фокусировочный экран 9 предназначен не только для того, чтобы на его матированной стеклянной поверхности формировалось спроецированное изображение объекта съемки, но и для точной фокусировки в ручном (не автоматическом) режиме. Соответствие границ изображения, наблюдаемого через видоискатель, тому, что проецируется на матрицу (поле зрения видоискателя), является важной характеристикой качества зеркальной камеры. У хороших камер оно составляет 90-100%. Меньшие показатели заставляют фотографа делать мысленную поправку, учитывая, что реально снятый кадр будет несколько больше того, что он видит в видоискателе.

В цифровом компакте (см. рис. 8б ) световой поток всегда направлен на светочувствительную матрицу 5 , данные об изображении с которой после соответствующих преобразований в электронном блоке 6 обработки видеосигнала поступают на жидкокристаллический экран малогабаритного дисплея 7 . В момент фотографирования срабатывает затвор 4 , который закрывается, открывается на время экспонирования и после получения данных об изображении закрывается и снова открывается для визирования следующего кадра. Такой системе визирования присущи следующие недостатки: жидкокристаллический экран имеет ограниченное разрешение и ограниченный цветовой охват, поэтому по изображению на небольшом экране сложно оценить резкость. Преимущество данной системы в том, что яркость изображения на электронном экране может быть всегда достаточной для комфортного просмотра, в то время как в зеркальных камерах яркость изображения в видоискателе зависит от условий освещенности объекта или вспышки. Разрешение встроенных дисплеев в современных цифровых камерах обычно составляет 230 000 пикселов, но может достигать 920 000 пикселов при размере экрана 2-3 дюйма.

Цифровые фотоаппараты снабжены системой автоматической фокусировки объектива — так называемым автофокусом. Автофокус построен на основе оптико-электронных устройств, которые оценивают резкость создаваемого объективом оптического изображения. Результаты этой оценки обрабатываются процессором и преобразуются в сигнал управления встроенными в объектив миниатюрными электроприводами подвижных компонентов объектива. Автофокус осуществляет настройку фотоаппарата на съемку конкретного объекта быстрее, чем это делает фотограф вручную с помощью видоискателя.

Применяются два режима работы системы автофокуса: контрастно-детекторный и фазодетекторный. Цифровой компакт наводит на резкость, ориентируясь на контраст оптического изображения, сфокусированного объективом в целом в плоскости фотодетектора 2 (см. рис. 8б ), — это контрастно-детекторный метод.

Принцип работы контрастно-детекторной системы автофокуса основан на том, что диапазон яркостей — разность яркостей между самым ярким и самым темным участками — в сфокусированном изображении больше, чем в размытом.

В цифровых компактах сигнал изображения, снимаемый с фотоматрицы 5 (см. рис. 8б ), используется для работы системы автофокусировки. Система управления постепенно перемещает подвижные линзы объектива, фокусируя объектив. По мере наводки объектива на резкость изображение становится более контрастным.

В зеркальных камерах применяется фазодетекторный метод, при котором автофокус работает с несколькими резкими изображениями, сформированными разными частями объектива.

Принцип работы фазодетекторного способа автофокусировки основан на том, что в сфокусированном состоянии различные области объектива формируют в фокальной плоскости одинаковые оптические изображения, которые, будучи совмещенными друг с другом, формируют одно резкое изображение предмета. Если же объект не сфокусирован, то в плоскости фотодетектора формируется несколько сдвинутых друг относительно друга изображений предмета.

При хорошей фокусировке все лучи, исходящие из одной точки предмета, фокусируются в одну точку на фотодетекторе. В результате сенсор захватывает одно резкое и контрастное изображение предмета, которое и фотографируется.

На большинстве цифровых фотоаппаратов установлена встроенная вспышка. Такое приспособление способно осветить пространство на расстоянии не более 3 м от фотографа. Необходимость в ней появляется, когда недостаточно естественного или искусственного освещения. Вспышка применяется при репортажной съемке. В случае если светит солнце или есть возможность осветить объект лампами, она не нужна. Если расстояние до объекта более 3 м, приходится использовать отдельную, более мощную вспышку; для нее на многих аппаратах предусмотрены специальные крепежные салазки и контакт синхронизации. Объект, расположенный дальше 10 м, не удастся осветить никакой вспышкой.

Элементы ПЗС- и КМОП-матриц примерно одинаково чувствительны ко всем цветам видимого спектра света. Поэтому для получения цветного изображения в цифровых фотоаппаратах применяются в основном три технологии цветоделения, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. В первой технологии используются специальные цветоделительные призмы с дихроичными светофильтрами и три фотоматрицы (3 CCD), каждая из которых создает цифровое цветоделенное изображение одного из основных цветов: красного, зеленого, синего (цветовая модель RGB). Во второй технологии применяются цветоделительные светофильтры Байера и одна фотоматрица, а в третьей — специальные «трехслойные» фотоматрицы, каждая из которых позволяет получить сразу все три цветоделенных изображения.

Достоинствами использования цветоделительных призм являются:

• лучшая передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного муара;
• отсутствие алгоритмов для восстановления потерянной информации, обязательных для одноматричных систем с массивом цветных фильтров;
• более высокое разрешение, так как каждая из трех матриц полностью используется для создания цифрового цветоделенного изображения;
• возможность цветокоррекции за счет постановки дополнительных фильтров перед отдельными матрицами, что позволяет добиться гораздо более высокой цветопередачи при нестандартных источниках света;
• возможность повышения эффективного разрешения вдвое по одной из координат путем сдвига трех матриц друг относительно друга на 1/3 пиксела и проведения интерполяции трех изображений с учетом этого сдвига.

Недостатками этой технологии являются:

• принципиально большие размеры цифрового фотоаппарата из-за наличия трех фотоматриц и использования объективов с большими рабочими отрезками;
• проблема сведения цветов, для решения которой требуется точная юстировка. Чем больше размер матриц и выше их физическое разрешение, тем сложнее добиться необходимого класса точности.

В технологии с применением цветоделительных светофильтров на каждом светочувствительном элементе фотоматрицы устанавливается светофильтр, который пропускает свет с определенным спектром излучения. Часто в таких фотоматрицах цветной фильтр сверху закрывается микролинзой (рис. 9), которая служит для дополнительной фокусировки света, что повышает светочувствительность матрицы.

Наиболее популярным массивом цветных фильтров на фотоматрице является байеровский RGBG-фильтр, построенный по цветовой модели Брайса Байера (Bryce Bayer) в начале 70-х годов прошлого века компанией Kodak. Фильтры, построенные по принципу Байера (рис. 10), выглядят мозаичными с преобладанием зеленого цвета.

Особенно важным здесь является наличие преобладающего цвета (не обязательно зеленого), который служит для обеспечения частоты дискретизации яркостного канала, превышающей частоту двух оставшихся цветовых. Подобный принцип реализован и в телевидении. Зеленый цвет выбран в качестве яркостного канала только потому, что кривая чувствительности глаза человека по яркости имеет максимум около 550 нм, что соответствует именно зеленому тону. Да и число рецепторов, чувствительных к зеленому цвету, на сетчатке глаза вдвое больше, чем тех, которые воспринимают красный или синий цвет.

Если взять элементарный байеровский квадрат 2Ѕ2, на котором один синий элемент, один красный и два зеленых (RGBG), то можно определить яркость по зеленому, а цвет пиксела (RGB-значение) получить в результате интерполяции — усреднения по нескольким близко расположенным ячейкам одного цвета. Из-за того, что цвет итогового пиксела изображения размывается по нескольким соседним ячейкам, происходят потери в цветопередаче и в разрешении. Например, резкие контуры (цветовые переходы) размываются, мелкие детали (сравнимые по размеру с шириной интерполяции) теряются, а на изображении может появиться дефект, который называется Blooming (расплывание). Это становится возможным тогда, когда изображение имеет сильную локальную контрастность, то есть если светлый объект находится по соседству с темным. При увеличении этой области фотографии можно увидеть, что пикселы на их границах имеют очень странные цвета. Дело в том, что алгоритмы обработки изображения не могут разобраться в цвете на границе контрастных областей, ведь при интерполяции они переходят на соседнюю область, что дает неправильные яркость и тон.

С ростом вычислительной мощности процессоров цифровых камер линейная интерполяция постепенно заменяется кубической, сплайновой и другими видами. Если алгоритм получения изображения настолько сложен, что его трудно реализовать в самом фотоаппарате, то его можно применить в программных RAW-конверторах. Для этого после сохранения фотографии в RAW-формате, когда изображение не подвергается обработке внутри камеры, в файл записываются данные, полученные напрямую с матрицы, а процесс интерполяции, повышения четкости, подавление шумов и другие операции со снимками выполняют на компьютере.

В последние годы производители цифровых фотоаппаратов с целью повышения разрешения и улучшения цветопередачи пытаются модернизировать классический фильтр Байера. Например, фирма Sony предлагает использовать матрицы с четырехцветным RGBE (Emerald — изумрудный) фильтром. Применение такой технологии, по сравнению с классическими трехцветными фильтрами Байера, обеспечивает более естественную передачу цвета. Четырехцветный фильтр, в котором к привычным цветам RGB добавлен изумрудный (Emerald, E), позволяет наполовину уменьшить количество ошибок при конвертировании цвета и приблизить качество снимков к натуральной гамме цветов, воспринимаемой человеческим зрением.

Предлагается также (фирма Kodak) вместо классического фильтра Байера использовать в качестве четвертого, добавочного светочувствительного сенсора сенсор, не покрытый светофильтром (W). Данный тип сенсора чувствителен ко всем зонам видимого спектра, что позволяет сократить потерю светлоты в изображении. Вследствие этого RGBW-фильтры, изготовленные по данной технологии, обладают лучшим, по сравнению с RGB-фильтром, соотношением «сигнал/шум». Наличие W-сенсоров также приводит как к повышению монохроматической чувствительности матрицы, так и к улучшению разрешающей способности в условиях недостаточной освещенности, например при использовании осветительной аппаратуры с узким спектром излучения или при съемке в условиях вечернего либо ночного освещения, что вызвано увеличением актиничного потока излучения.

RGBW-фильтр имеет свои недостатки: в режиме работы в нормальных световых условиях неизбежны потери мелких цветовых деталей. На сенсорах есть области 2Ѕ2 пиксела, состоящие только из W- и B-сенсоров. В этих областях невозможно выделить цвет изображения по осям R и G . При совпадении же тонкой цветной линии с одним из выделенных направлений в матрице она может даже пропасть или стать пунктирной.

RGBW-фильтры могут различаться между собой расположением в ячейке светочувствительных сенсоров. Однако такие альтернативные схемы не получили широкого распространения и сегодня в большинстве цифровых камер по-прежнему применяются классические байеровские фильтры.

При использовании трехслойных фотоматриц Х3 (матрицы компании Foveon) цветоделение на основные цвета RGB проводится в толщине полупроводникового материала послойно, с применением физических свойств кремния, заключающихся в том, что с увеличением длины волны световых волн растет и глубина их проникновения в кремний (рис. 11а ). Фотодиоды, созданные чередованием зон проникновения света, размещают один под другим на характерных глубинах для улавливания фотонов синего, зеленого и красного цветов.

Рис. 11. «Трехслойная» фотоматрица: а — принцип действия; б — структура фотоматрицы

Синяя часть спектра поглощается верхним слоем (толщина 0,2 мкм), зеленая — средним (толщина 0,4 мкм), а красная — нижним (более 2 мкм). Толщина каждого слоя выбрана по результатам экспериментальных исследований глубины проникновения квантов соответствующего спектрального диапазона в кремний. Слои, в которых происходит фотоэффект, разделены дополнительными тонкими зонами низколегированного кремния и имеют отдельные выводы сигнала.

Таким образом, получается датчик, регистрирующий информацию о всех трех цветовых компонентах изображения в одной точке, точно соответствующей координатам формируемого пиксела.

Достоинствами «трехслойных» фотоматриц является то, что они не требуют установки цветных фильтров и в связи с этим повышения соотношения «сигнал/шум», так как фильтры поглощают примерно 2/3 светового сигнала, а также потенциально более высокое разрешение.

Недостатками «трехслойных» фотоматриц следует считать невысокую точность цветопередачи, так как в наибольшей степени она определяется свойствами кремния, а также относительно высокий уровень цифрового шума из-за того, что часть фотонов поглощается в «не своей» области.

Одной из важнейших характеристик фотоматриц является чувствительность — способность определенным образом реагировать на оптическое излучение, то есть генерировать электрический заряд. Чем выше чувствительность, тем меньшее количество света требуется для реакции фотоматриц при регистрации изображения. Чувствительность измеряется в единицах ISO (International Standards Organization — Международная организация стандартов). Различают интегральную и монохроматическую чувствительность.

Интегральная чувствительность представляет собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания. Этот параметр позволяет оценить чувствительность сенсора в целом.

Монохроматическая чувствительность есть отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определенной длине волны. Набор всех значений монохроматической чувствительности для интересующей части спектра составляет спектральную чувствительность — зависимость чувствительности от длины волны света. Таким образом, спектральная чувствительность показывает возможности сенсора по регистрации оттенков определенного цвета.

В характеристиках цифрового фотоаппарата обычно приводят так называемую эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы, указываемую в общепринятых единицах ISO в виде диапазона (ISO 100-800) либо набора значений (ISO 50, 100, 200, 400). Вычисляется она каждым производителем по-своему, но в основу расчетов положена пара стандартных формул для определения экспозиционного числа (индекса).

Экспозиционный индекс EV выражает значение экспозиции в логарифмической шкале, которая удобна тем, что вместо перемножения коэффициентов можно просто складывать соответствующие индексы.

Экспозиционный индекс равен:

EV = S + N ,

где S — индекс чувствительности фотоматрицы; N — индекс освещенности.

За N = 0 принята освещенность, при которой фотоматериал светочувствительностью 100 единиц ISO при экспонировании с относительным отверстием 1:1 и выдержкой 1 с получает корректную экспозицию.

Соотношение индекса чувствительности и единиц чувствительности ISO представлено в табл. 1.

Экспозиционный индекс может быть выражен через индекс А диафрагменного числа К объектива и индекс Т выдержки t :

EV = A + T .

В табл. 2 представлена зависимость экспозиционного индекса EV для различных комбинаций стандартных значений диафрагменного числа К и выдержки t . Любая комбинация выдержки и диафрагменного числа, если сумма их индексов, значения которых указаны соответственно в первом столбце (индекс выдержки Т ) и первой строке таблицы (индекс диафрагменного числа А ), одинакова и обеспечивает одинаковую экспозицию.

Цифровые фотоаппараты настраиваются на нужную для фотографирования экспозицию автоматически. При этом путем анализа индексов освещенности и чувствительности встроенный в цифровой фотоаппарат фотоэкспонометр достаточно точно определяет значение экспозиции, при которой объекты со средней отражательной способностью попадают в среднюю часть диапазона фотографической широты. В большинстве случаев автоматическая настройка параметров съемки (диафрагменное число, выдержка) оказывается корректной.

Таблица 1. Соотношение индекса чувствительности и единиц ISO

В ситуациях, когда осуществляется фотографирование объектов с очень высокой или низкой отражательной способностью, возникает необходимость вводить в ручном режиме экспокоррекцию в автоматическую настройку экспозиции. Современные цифровые фотокамеры позволяют осуществлять экспокоррекцию в диапазоне ±2 EV ступенями в 1/3 EV или даже точнее.

Одним из параметров цифрового фотоаппарата является размер фотоматрицы, который складывается из размеров светочувствительных элементов и расстояния между ними. Больший размер матрицы при одинаковом разрешении позволяет иметь бо льшие размеры светочувствительных ячеек, которые с большей площади могут накопить больший электрический заряд. Это позволяет получить высокую чувствительность и широкий динамический диапазон. При одинаковом количестве светочувствительных ячеек фотокамера с матрицей большего размера снимает более качественные изображения.

Матрицы цифровых фотоаппаратов принято характеризовать числом, указывающим на диагональ сенсора в долях дюйма (1/2,5, 1/1,8, 2/3 и т.д.). Данное число, именуемое формфактором, не соответствует реальной диагонали матрицы, составляющей примерно 2/3 от формфактора. Например, ПЗС-матрица с формфактором 1/1,8 имеет диагональ 9 мм. Несовпадение это вызвано тем, что термин «формфактор», описывающий размер регистрирующего элемента, перекочевал в цифровую фотографию из телетехники. Размеры матриц даже одного формфактора, но разных производителей могут немного различаться.

В пленочных фотоаппаратах применялась 35-мм фотопленка с размером кадра 36Ѕ24 мм. В большинстве цифровых фотоаппаратов используются сенсоры меньшего размера. В очень дорогих зеркальных фотокамерах применяются полноформатные сенсоры, размер которых равен кадру 35-мм пленки и даже еще больше. Например, известны цифровые фотокамеры с полноформатными сенсорами размером 48Ѕ36 мм и разрешением 28 и 33,3 Мпикс.

Процессор в цифровых фотоаппаратах управляет работой затвора, объективом, вспышкой, определяет экспозицию, формирует и выдает на дисплей информацию о выбранных режимах съемки, настройках, само изображение и т.д.

На рис. 12 представлена схема процесса оцифровывания оптического изображения, сформированного объективом цифрового фотоаппарата на светочувствительных элементах фотоматрицы.

Светочувствительные элементы фотоматрицы фиксируют монохромное изображение, точнее величину яркости каждого пиксела, для трех основных цветов: красного, зеленого и синего.

Оцифрованные АЦП данные в процессоре преобразуются в изображение на основе внесенных производителем алгоритмов (программного обеспечения). Алгоритмы определяют координаты полученных от сенсора точек и присваивают им значения трех основных цветов (RGB), из которых формируются все возможные из воспроизводимых оттенки. Процессор учитывает цифровое значение уровней сигнала в трех каналах основных цветов соседних пикселов. Такая операция преобразования называется demosaic. Процессор также регулирует яркость, контрастность, насыщенность, резкость изображения, убирает шумы, при этом учитываются особенности человеческого зрения. В некоторых моделях применяется несколько процессоров, каждый из которых выполняет отдельные задачи. Процессор камеры преобразует поток данных в файл изображения в формате JPEG, TIFF или RAW. К этому файлу прикрепляются и метаданные фотографии (значение диафрагмы, выдержки, баланс белого, коррекция экспозиции, режим съемки и работы вспышки, чувствительность, фокусное расстояние, разрешение, модель камеры, версия программного обеспечения камеры, время, дата и т.д.).

Таблица 2. Экспозиционная таблица

При этом графический формат RAW, название которого в дословном переводе означает «сырой материал», представляет изображение в виде первичного необработанного цифрового оригинала. Массив данных в формате RAW содержит данные, зафиксированные (непосредственно) фотоматрицей и откорректированные в соответствии с калибровочной таблицей фотокамеры. В RAW-файл образ кадра записывается с разрядностью, с которой он был оцифрован АЦП камеры. Во многих современных моделях цифровых фотокамер используются 10- и 12-разрядные АЦП, а следовательно, образ кадра в RAW записывается с более высокой разрядностью, нежели стандартный 8-битовый JPEG или TIFF. Если файл не записывается в форматы RAW или TIFF, то он сжимается в соответствии с выбранным пользователем коэффициентом сжатия и алгоритмами работы программного обеспечения камеры. Алгоритмы сжатия в фотоаппарате стараются соблюсти баланс между размером файла, скоростью обработки и качеством изображения.

Наиболее экономичным из упомянутых форматов является JPEG. Типичный размер 4-мегапиксельного JPEG, сохраненного с максимальным качеством, колеблется в пределах 1,8-2,5 Мбайт (в зависимости от конкретного сюжета разброс может быть и больше). Объем изображений, сохраненных в формате TIFF, для 4-мегапиксельного снимка занимает почти 12 Мбайт, а 8-мегапиксельный — 24. Объем файла формата JPEG (даже при установке минимальной степени компрессии) получается в 5-6 раз меньше аналогичного по разрешению TIFF. Файлы формата RAW содержат необработанные (или обработанные в минимальной степени) данные, что позволяет избежать потерь информации. В таких файлах находится полная информация об оцифрованном изображении, причем в несжатом виде. Поэтому файлы формата RAW имеют больший размер, чем файлы прочих форматов. После того как сформирован файл в каком-либо формате, изображение записывается либо на встроенную память, либо на съемную карту памяти.

Диаскоп

Часто при чтении лекций или проведении научных семинаров возникает необходимость показать на экране большому числу слушателей какое-либо изображение, сделанное на прозрачной пленке – диапозитиве. Для этой цели используется специальный прибор – диаскоп . В него вставляют диапозитив, и на экране появляется его сильно увеличенное изображение.

Возникает вопрос: как же "работает" диаскоп?

Главный секрет диаскопа – это собирающая линза. В самом деле, если на очень малом расстоянии от главного переднего фокуса собирающей линзы поместить небольшой предмет, то собирающая линза даст сильно увеличенное изображение этого предмета (рис. 9.1).

Изображение это действительное и перевернутое. Если в том месте, где получилось изображение, поставить непрозрачный экран (желательно белый), то мы увидим на нем четкое изображение предмета.

Читатель: Но нам же не нужно перевернутое изображение! Нам нужно нормальное изображение.

Эту проблему легко решить. Достаточно вставить диапозитив в диаскоп "вверх ногами". Тогда изображение как раз получится нормальным. А для того чтобы изображение всегда получалось четким, диапозитив можно перемещать вдоль главной оптической оси линзы, подбирая расстояние между линзой и диапозитивом так, чтобы изображение получалось точно в том месте, где находится экран. Это называется наводкой на резкость.

Теперь, когда основная идея устройства нами понята, рассмотрим схему реального диаскопа (рис. 9.2).

Диапозитив 1 помещается перед фокальной плоскостью собирающей линзы 5 , которая называется объективом. Источник света 2 освещает диапозитив с помощью системы линз, которая называется конденсором 3 . Конденсор нужен для того, чтобы вся поверхность диапозитива 1 была освещена равномерно. За источником света расположено вогнутое зеркало 4 , которое возвращает обратно свет, падающий от источника на заднюю стенку диаскопа. Изображение получается на экране 6 .

Увеличение диапозитива – это линейное увеличение в собирающей линзе:

Выразим d из (2): и подставим в (1), получим:

Ответ :

СТОП! Решите самостоятельно: А1, А2, В1, В2.

Фотоаппарат

Я думаю, нет нужды объяснять, что такое фотоаппарат. Но интересно было бы разобраться, как он устроен.

В фотоаппарате есть два основных секрета. Первый секрет – это светочувствительная фотопленка. Если на этой пленке на очень короткое время (доли секунды) удается получить четкое изображение фотографируемого предмета, то это изображение остается на ней навсегда. Дело здесь в химическом (весьма сложном) действии света на фотопленку. В детали химических процессов мы, понятное дело, сейчас вникать не будем.

Рис. 9.3

Второй секрет – это объектив. В простейшем случае объективом фотоаппарата служит обычная собирающая линза. С ее помощью и удается получать на фотопленке нужные изображения. Принцип действия фотоаппарата показан на рис. 9.3.

Предмет АВ , который мы хотим сфотографировать, обычно находится достаточно далеко от объектива, то есть на расстоянии, значительно превышающем фокусное расстояние объектива. В этом случае изображение получается действительным, перевернутым и сильно уменьшенным. И находится это изображение за задней фокальной плоскостью объектива на очень малом расстоянии от нее. Значит, если в том месте, где находится изображение А ¢В ¢, поместить фотопленку, то на ней получится четкое изображение предмета АВ .

Рис. 9.4

Теперь рассмотрим схему простейшего фотоаппарата (рис. 9.4). Фотоаппарат состоит из объектива 1 и ящика 2 со светонепроницаемыми стенками. Этот ящик называется камерой. Объектив помещается в передней стенке камеры, а у задней стенки помещают светочувствительную фотопластинку 3 . Для получения четкого изображения объектив можно перемещать относительно задней стенки камеры (наводка на резкость).

Промежуток времени, необходимый для освещения фотопластинки (экспозиция) зависит от чувствительности пластинки к свету и от условий освещенности фотографируемого предмета. При фотографировании в яркий солнечный день экспозиция в современных фотоаппаратах составляет сотые и даже тысячные доли секунды. Но если вы захотите тем же фотоаппаратом сфотографировать ночное небо, потребуется экспозиция минут тридцать.

Рис. 9.5

Современные фотоаппараты принципиально устроены точно так же, разница лишь в деталях: например, вместо фотопластинки обычно используется фотопленка, да и размеры у современных фотоаппаратов как правило небольшие (рис. 9.5).

СТОП! Решите самостоятельно: А3, А4, В3, В4.

Задача 9.2. При съемке автомобиля длины l = 4,0 м пленка располагалась от объектива на расстоянии f = 6,0 см. С какого расстояния d снимали автомобиль, если длина его негативного изображения l = 32 мм?

СТОП! Решите самостоятельно: А5, В4.

Задача 9.3. Определить оптическую силу объектива фотоаппарата, которым фотографируют местность с самолета на высоте 5 км в масштабе 1: 20 000. В каком масштабе получится снимок, если этим фотоаппаратом сделать съемку поверхности Земли с искусственного спутника, находящегося на высоте 250 км? (Все значения считать точными.)

То есть масштаб и линейное увеличение – это одна и та же величина. В данном случае высота h – это расстояние от предмета до линзы. Пусть f – расстояние от линзы до изображения (от объектива до фотопленки), а F – фокусное расстояние объектива линзы. Тогда по формуле линзы получим

Теперь учтем, что в условии задачи h >> f , поэтому и слагаемым в формуле (1) можно пренебречь. Тогда f = F , т.е. изображение получается в фокальной плоскости линзы.

Линейное увеличение k , как известно, равно . А поскольку линейное увеличение в данном случае равно масштабу, получим формулу

Применим эту формулу к нашей задаче. В первом случае

во втором случае

Разделив уравнение (3) на уравнение (2), получим

.

Ответ :

СТОП! Решите самостоятельно: А6, А7.

Задача 9.4. С помощью фотоаппарата, имеющего размеры кадра 24´36 мм 2 и фокусное расстояние объектива F = 50 мм, проводится фотографирование стоящего человека, рост которого h = 1,8 м. На каком минимальном расстоянии d от человека нужно установить аппарат, чтобы сфотографировать человека во весь рост?

а формула линзы имеет вид

Фотографическая оптика была известна задолго до изобретения фотографии и использовалась художниками в качестве вспомогательного инструмента для точного изображения пейзажей. Впервые оптическая схема из двух собирающих линз была описана Кеплером (Kepler) в 1611 году, но была забыта и заново изо?бретена Барлоу (Barlow) в 1834 году, а в 1891 году такой объектив был использован Даллмейером (Dallmeyer) в фотографических целях. Следует заметить, что Кеплер не воплощал свою конструкцию «в стекле», но его теоретические изыскания оказали существенное влияние на более поздние разработки.

Исторически основным применением телеобъективов были фотографирование удаленных объектов крупным планом и портретная фотосъемка. В последнем случае длиннофокусная оптика обеспечивает минимальное искажение пропорций лица и хорошее отделение его от фона, который, находясь вне зоны резкости, размывается. Эти два направления актуальны в фотографии и сегодня. Кроме того, телеобъективы позволяют производить множество других интересных видов фотосъемки.

Самый большой телеобъектив для гражданского применения, изготовленный в настоящее время, спроектирован и собран компанией Carl Zeiss. Он имеет фокусное расстояние 1700 мм, максимальное относительное отверстие (диафрагму) F/4 и массу 256 кг (фото 1). Этот объектив выпущен в единственном экземпляре по заказу любителя фотографирования живой природы с больших расстояний, предъявляющего очень высокие требования к качеству изображения.

Оптические схемы телеобъективов

Простейшая конструкция объектива, представляющая собой одну длиннофокусную линзу, обладает рядом недостатков. Самые существенные из них — невысокое качество изображения и очень большие габариты конструкции. Длина такого объектива при фокусировке на бесконечность равна его фокусному расстоянию. Поэтому в настоящее время используется другая оптическая схема, называемая телеобъективом. В простейшем случае телеобъектив состоит из одной собирающей и одной рассеивающей линзы, однако, в целях уменьшения аберраций их обычно заменяют группами линз, изготовленных из стекла с разными оптическими свойствами (рис. А). В современных телеобъективах обычно используются дополнительные группы линз, еще более улучшающие качество изображения и реализующие дополнительные функции, например, стабилизацию изображения, при этом общая идея конструкции остается прежней.

Между группами линз обычно находится диафрагма. Это устройство ограничивает поперечное сечение светового пучка и используется для изменения количества проходящего через объектив света и глубины резко изображаемого пространства. Форма размытия в зоне нерезкости представляет собой изображение отверстия диафрагмы.

С увеличением фокусного расстояния длина телеобъективов быстро увеличивается. Для обеспечения достаточной светосилы линзы приходится делать большого диаметра. В результате увеличивается вес и растет цена объектива. Задача создания компактных сверхдлиннофокусных объективов успешно решена с применением зеркально-линзовой оптической схемы, напоминающей классический телескоп (рис. Б). В такой схеме диафрагма отсутст?вует (ее оптическую роль обычно играет оправа переднего элемента), объектив имеет фиксированную светосилу и относительное отверстие, а размытие изображения вне зоны резкости имеет характерную кольцевидную форму.

Механические свойства телеобъективов

Как уже упоминалось, телеобъективы обычно имеют довольно большую длину. Для получения приемлемых значений относительного отверстия, которое влияет на количество проходящего через оптическую систему света, приходится использовать линзы большого диаметра. Все это приводит к тому, что качественный телеобъектив невозможно сделать легким и компактным. При небольших размерах светочувствительного материала (например, в компактных цифровых фотокамерах) это ограничение несущественно, однако, увеличение требуемого размера изображения приводит к пропорциональному росту линейных размеров оптики. Умеренный телеобъектив с истинным фокусным расстоянием 200 мм и светосилой F/2.8 уже нелегко держать в руках длительное время: в такой ситуации лучше использовать штатив или монопод.

Кроме того, небольшой угол зрения длиннофокусного объектива приводит к тому, что даже очень небольшой поворот оптической системы приводит к значительному смещению изображения. Если такое смещение происходит во время экспозиции, фотография получается смазанной. Эмпирическая формула, верная для большинства случаев, гласит, что при съемке с рук «безопасная» (в смысле смазывания изображения) выдержка (в секундах) должна быть численно не больше величины, обратной эквивалентному фокусному расстоянию (в миллиметрах). Особо «длинные» объективы не дают выполнить это условие даже при ярком освещении сцены. Для исправления ситуации используются два принципиально различных подхода. Один из них состоит в том, чтобы максимально надежно зафиксировать оптическую систему в пространстве и не допустить ее смещения во время съемки. Для этого используются штативы или моноподы. Реже применяются более дорогие и громоздкие гироскопические платформы, которые беспрепятственно перемещаются в пространстве, но точно сохраняют первоначально заданную ориентацию. Второй способ, называемый оптической стабилизацией, состоит во введении в оптическую систему специального подвижного элемента, компенсирующего смещение изображения в результате дрожания камеры. Этот элемент может быть или одной из линз объектива, или платформой, на которой крепится светочувствительная матрица цифрового фотоаппарата.

Очень крупные объективы весят намного больше, чем камера, на которую они устанавливаются. Поэтому они имеют специальное крепление, обычно в виде хомута с площадкой, для установки системы на штатив. Иногда конструкцией устройства предусматривается также ручка для его переноски. Уже упоминавшийся гигант Carl Zeiss Apo Sonnar T* 4/1700 в силу своих массогабаритных особенностей предназначен для установки на специальную платформу, смонтированную в кузове автомобиля. В таких экстремальных случаях логичнее говорить об установке камеры на объектив, а не наоборот.

Фокусировка светосильных длиннофокусных объективов связана с перемещением массивных линз. Это значительно уменьшает скорость и точность автоматического наведения на резкость и увеличивает энергопотребление. Одно из важнейших направлений современных исследований — улучшение этих параметров. Отчасти по той же причине минимальная дистанция фокусировки быст?ро увеличивается с ростом фокусного расстояния. Путем введения этого ограничения удается сократить ход составных частей в процессе наведения на резкость, а значит, сократить время фокусировки. Некоторые объективы имеют переключатель, позволяющий выбирать диапазон дистанций фокусировки: полный — для съемки близко расположенных объектов или сокращенный — для ускорения процесса.

Для уменьшения длины и массы объективов в них применяют дорогостоящее оптическое стекло с экстремально высоким показателем преломления. Некоторые современные разработки используют с той же целью дифракционную оптику.

Увеличение фокусного расстояния объектива

Бывает, что фокусное расстояние объектива слишком мало для решения конкретной фотографической задачи. В некоторых случаях замена объектива на более длиннофокусный невозможна (например, при использовании компактной камеры с несменной оптикой) или нежелательна (обычно супертелеобъективы весьма недешевы). На помощь придут оптические устройства, называемые телеконвертерами. Их можно разделить на два больших класса: размещаемые между объективом и камерой на манер удлинительных колец и устанавливаемые перед передней линзой объектива.

За увеличение фокусного расстояния оптической системы такими методами приходится платить уменьшением светосилы. 1.4х телеконвертер уменьшает светосилу на одну ступень, 2х — на две. То есть, например, при использовании объектива со светосилой F/2.8 и 2х телеконвертера получается система со светосилой F/5.6. Не слишком много, но вполне приемлемо. Качество изображения при использовании телеконвертеров того же производителя, который выпустил объектив, обычно страдает незначительно, но более дешевую продукцию третьих фирм следует приобретать с известной осторожностью.

Особенности изображения

Фотографирование любого объекта геометрически представляет собой его изо?бражение на плоскости в центральной проекции. Это утверждение верно при использовании любых объективов с исправленной дисторсией. Вся существующая длиннофокусная оптика обладает этим свойством, поэтому другие случаи мы рассматривать не будем.

Размер объекта, изображение которого занимает всю площадь кадра, зависит от размера кадра, фокусного расстояния объектива и расстояния от камеры до объекта. Уменьшая площадь кадра, можно добиться укрупнения масштаба при печати изображения, сохраняя при этом тот же формат бумаги. Поэтому фокусное расстояние объектива само по себе не может быть мерой его широкоугольности. Например, объектив с фокусным расстоянием 50 мм будет нормальным для пленки типа 135, имеющей формат кадра 24х36 мм, широкоугольником для среднего формата 60х45 мм и супертелевиком для цифровой фотокамеры с размером сенсора 8х6 мм. Для упрощения расчетов было введено понятие эквивалентного фокусного расстояния, которое определяется как истинное фокусное расстояние объектива, имеющего тот же угол зрения при диагонали кадра 43 мм, который соответствует получившей наибольшее распространение пленке типа 135.

Объективы с эквивалентным фокусным расстоянием около 40-50 мм называют нормальными, поскольку они дают изображение, похожее на видимое невооруженным глазом (в обоих случаях пространственные соотношения предметов визуально будут одинаковыми). Более короткофокусная оптика называется широкоугольной. В этой статье мы рассматриваем объективы с эквивалентным фокусным расстоянием, которое существенно больше нормального.

В качестве телеоптики можно использовать универсальные объективы с переменным фокусным расстоянием, которые часто устанавливаются в компактных фотоаппаратах с несменной оптикой. Геометрия изображения не зависит от конструкции объектива и определяется только его эквивалентным фокусным расстоянием.

Как бы странно это ни звучало, пространственные соотношения между частями изображения объекта не зависят от фокусного расстояния объектива, с помощью которого производилась съемка. Они определяются только расстоянием от фотоаппарата до объекта съемки. Это утверждение легко доказать с использованием элементарных сведений из геометрии; эту задачу мы предлагаем решить любознательным читателям самостоятельно.

Заметим, что из неизменности пространственных соотношений следует «геометрическая» эквивалентность цифрового и оптического зума. Но на практике использование цифрового увеличения приводит к уменьшению максимальной разрешающей способности изображения. Происходит так потому, что цифровой зум «вырезает» из кадра фрагмент меньшего размера, а значит, использует лишь часть светочувствительных элементов матрицы. Точно такого же эффекта можно добиться, выполняя кадрирование снимка, сделанного без цифрового увеличения в камере.

Поговорим о телеобъективах

Предупреждение - статья основана только на личном опыте. Основное внимание уделяется технике Canon, с которой я работал в течение своего фотографического опыта.

Для чего вообще нужен телеобъектив?

Купить себе телеобъектив хотят, наверное, не меньше половины обладателей зеркалок со стандартным зум-объективом. На вопрос "а зачем вам нужен телеобъектив?"

чаще всего приходится слышать ответ, с которым сложно поспорить - "чтобы все приближать!" :) Как правило, телеобъектив действительно используется для съемки объектов, к которым нельзя подойти - начиная от банальных кувшинок и домиков "на том берегу", заканчивая профессиональной фотоохотой, спортивной съемкой, съемкой самолетов и так далее. Еще телеобъективы, благодаря своей способности сильно размывать задний план, часто используются для портретной съемки. Некоторые телевики позволяют снимать неплохое макро. Иными словами, спектр задач, которые позволяет решать телеобъектив достаточно широк.

В данной статье рассматриваются основные моменты во время выбора, покупки и использования телеобъектива.

Какой выбрать телеобъектив

У каждого производителя фототехники, как правило существует огромное количество длиннофокусных объективов. Если рассматривать Canon, то на ум приходит не меньше десятка моделей (фиксы пока в расчет не берем)!

• Canon EF-S 55-250mm f/4-5.6 IS
• Canon EF 70-200mm f/2.8 USM L
• Canon EF 70-200mm f/2.8 USM L IS
• Canon EF 70-200mm f/4 USM L IS
• Canon EF 70-200mm f/4 USM L
• Canon EF 70-300mm f/4-5.6 USM IS
• Canon EF 70-300mm f/4-5.6 USM L IS
• Canon EF 100-300mm f/5.6 L
• Canon EF 100-400mm f/4.5-5.6 USM L IS

У остальных производителей ситуация похожая. Все это разнообразие дополняется большим количеством моделей телевиков от Sigma, Tamron. Стоимость телеобъективов может составлять от нескольких сот до нескольких тысяч долларов! Как разобраться во всем этом разнообразии и выбрать телеобъектив с оптимальным соотношением цены, функциональности и качества изображения?

Прежде всего, давайте проведем небольшую вольную классификацию телеобъективов .

По фокусному расстоянию

Как и вся оптика, телеобъективы делятся на зумы и фиксы. Зум-объектив имеет возможность менять фокусное расстояние в определенных пределах, таким образом меняя масштаб съемки объекта от среднего до очень крупного (мелкий масштаб дают широкоугольники, о них речь шла ранее).

Телеобъективы с фиксированным фокусным расстоянием такой возможности не имеют, чтобы кадрировать с ними придется бегать. Причем, принимая во внимание их очень малый угол обзора, бегать придется на очень большие расстояния, а иногда даже лазить по горным склонам, лестницам, стремянкам, деревьям - в зависимости от того, что мы собрались снимать. Использование длиннофокусных фиксов - в основном, удел фотоохотников, астрофотографов, спортивных фоторепортеров. Как правило для съемки используются специальные площадки, кабинки, расположение которых "подогнано" для того, чтобы место действия хорошо просматривалось и расстояние до объектов съемки было оптимальным для применения данного фокусного расстояния.

В повседневном использовании гораздо практичнее зум-объективы. В большинстве случаев они имеют худшую светосилу и четкость изображения, хотя встречаются и весьма резкие и красиво рисующие зумы - в данном случае речь идет о профессиональных "умеренных" телеобъективах 70-200mm.

Более наглядно дать понятие, как связана "степень приближения" с фокусным расстоянием поможет симулятор объектива:

Посмотрите, как изменяется поле зрения объектива при изменении фокусного расстояния и при использовании на полнокадровой матрице (FX) и на кропе 1.5 (DX).

По светосиле

Светосила характеризует максимальное светопропускание объектива. Чем светосильнее объектив, тем больше света достается матрице (при полностью открытой диафрагме) и тем короче требуется выдержка. Еще одна общеизвестная закономерность - чем больше светосила, тем в больших пределах можно менять глубину резкости. Это актуально для портретной съемки, в которой весьма ценятся объективы, дающие сильное и красивое размытие заднего плана.

Светосильная длиннофокусная оптика позволяет воплощать в жизнь большое количество творческих замыслов. Как правило, это весьма недешевые объективы профессионального класса. Одним из элементов престижа у каждого производителя являются "умеренные" телеобъективы с диапазоном фокусных расстояний 70-200мм и постоянной светосилой f/2.8. Это профессиональные зум-объективы, "заточенные" под портретную съемку. Они, как правило, дают замечательное качество изображения - в зоне резкости детализация огромная, задний план при этом размывается очень сильно и красиво. Контрастность, цветопередача, устойчивость к засветке также на весьма высоком уровне. Объективы 70-200mm f/2.8 имеют огромную популярность среди свадебных фотографов, позволяя одновременно решать задачи по репортажной и портретной съемке. Объективы 70-200 мм имеют также "облегченные" версии - с постоянной светосилой 4. Они ощутимо дешевле и компактнее своих "старших братьев", однако и возможностей у них меньше, хотя, на самом деле, эта оптика очень неплохая.

Светосила большинства любительских телеобъективов весьма невысока - на коротком конце f/4, на длинном - f/5.6 и даже меньше. Это накладывает некоторые ограничения в использовании таких объективов в художественной портретной съемке (которая чаще всего ведется в диапазоне до 135-150 мм) и съемке быстро движущихся объектов - из-за малого количества света, попадающего на матрицу для съемки с короткой выдержкой приходится сильно поднимать чувствительность ISO.

Если посмотреть внимательно, среди профессиональных телеобъективов иногда встречаются и не особо светосильные! Вот пример:

• Canon EF 70-300mm f/4-5.6 USM IS (стоит около 20.000 рублей)
• Canon EF 70-300mm f/4-5.6 USM L IS (стоит около 45.000 рублей)

Вроде бы, отличия только в одной букве, но "элька" стоит больше чем в 2 раза дороже. В чем подвох?

На самом деле, эти объективы внешне довольно похожи друг на друга (обычный 70-300 черный, "элька" белая и чуть больше в диаметре). Разница в начинке. Объективы имеют разную оптическую схему и в них используются линзы разных классов. В итоге недорогой "простой" 70-300 имеет приемлемое качество картинки лишь на 2/3 своего диапазона (где-то до 200 мм), дальше идет ощутимое снижение резкости, появляются хроматические аберрации. "Элька" дает более яркую, сочную и резкую картинку на всем диапазоне фокусных расстояний.

По наличию/отсутствию стабилизации

Вам наверняка известно, что стабилизатор изображения помогает компенсировать движение камеры, вызванное дрожанием рук фотографа (шевеленку), таким образом позволяя снимать с более длинной выдержкой и получать при этом четкие снимки. Сейчас стабилизаторы ставят практически во все объективы, но наибольшую актуальность стабилизация имеет в длиннофокусной оптике, то есть, в телеобъективах.

Есть такое правило - чтобы получать гарантированно четкие снимки, нужно снимать с выдержкой не длиннее 1, деленной на фокусное расстояние (в пленочном эквиваленте). То есть, если фокусное расстояние у нас 50 мм, то "безопасная" выдержка составит 1/50 секунды (и короче). Если у телеобъектива фокусное расстояние 300 мм, то "безопасная" выдержка составит 1/300 секунду на полном кадре и примерно 1/460 секунды на "кропнутой" камере (в пересчете на кроп 1.6 300 мм превращаются в 460 мм).

Из этого следует, что 300-мм телеобъективом с рук получится снимать только ярким солнечным днем! Если выдержка получается длиннее безопасной, выходы есть - открывать шире диафрагму (часто, жертвуя при этом детализацией), повышать ISO (при этом растет уровень шумов), либо воспользоваться штативом (это снижает мобильность фотографа).

И тут нам приходит на помощь стабилизация - включенный стабилизатор способен увеличить безопасную выдержку в 2-3 раза. То есть, вместо 1/300 секунды, "безопасная" выдержка для 300 мм составит 1/100 секунды (1/160 сек на кропе). Согласитесь, стабилизатор дает серьезное преимущество и позволяет в большинстве случаев отказаться от использования штатива и снимать на низкой чувствительности ISO не только в солнечную, но и в пасмурную погоду, иногда даже вечером.

Таким образом сожно сделать вывод о исключительной пользе функции стабилизации изображения для телеобъектива. Однако, справедливости ради стоит отметить, что стабилизатор полезен только при съемке неподижных объектов (например, пейзажа). Если вы собрались снимать движущиеся объекты, например, спортсменов, стабилизация вам не поможет - чтобы "заморозить" движение, нужно сокращать выдержку за счет открытия диафрагмы и/или повышения чувствительности ISO.

Что нужно знать, покупая недорогой телеобъектив?

Основные недостатки большинства бюджетных телеобъективов - низкая светосила, ощутимое снижение качества изображения при увеличении фокусного расстояния, хроматические аберрации, виньетирование на открытой диафрагме. У некоторых особо дешевых моделей отсутствует стабилизация изображения - такие объективы включаются в спецпредложения магазинов и "впариваются" вместе с бюджетными зеркалками в качестве бонуса (естественно не бесплатного). Таким образом магазины избавляются от залежалого неликвидного товара. Прежде чем "клюнуть" на подобное предложение, подумайте, что вы будете этим объективом фотографировать?

Портрет

Да, по сравнению с китовым этот объектив будет лучше размывать задний план. Ниже приведен портрет, сделанный при помощи на телеобъектива Canon EF 75-300mm f4-5.6 IS USM (фокусное расстояние 75 мм, f/4, Canon EOS 300D)

Как видно, размытие есть, но не очень сильное. Чтобы его усилить нужно увеличить фокусное расстояние примерно до 200 мм. Следующий пример - портрет, сделанный на телеобъектив Canon EF 100-400mm f4-5.6L IS USM (фокусное расстояние 210 мм, f/5.6, Canon EOS 5D)

Уже лучше, но пришлось вести съемку с очень большого расстояния (около 10 метров), что не всегда удобно.

Но если вы попробуете поснимать портреты светосильный фиксом, пусть даже недорогим и не столь длиннофокусным, например 50mm f/1.8, у вас наверняка полностью отпадет желание продолжать снимать портреты бюджетным телевиком и сразу возникнет желание накопить на хороший "портретник", например, 50мм f/1.4 (лучше для кропа) или 85мм f/1.4 (лучше для полного кадра). Они стоит примерно так же, как бюджетный телеобъектив, иногда даже дешевле.

Последняя фотография сделана на Canon EOS 5D с объективом Samyang 85mm f/1.4 на полностью открытой диафрагме. Вы видите, насколько сильного размытия можно достигать при использовании светосильного "портретного" фикса. Причем, дистанция съемки в данном случае не превышала 3 метров.

Пейзаж

Хотя пейзажная съемка не является основной функцией телеобъектива, тем не менее, он иногда может успешно использоваться для съемки каких-то интересных фрагментов пейзажа. О том, какое качество обеспечит дешевый телеобъектив при съемке пейзажа, можете судить по этим двум фотографиям:

Фокусное расстояние 300 мм

Снимки были сделаны 6-мегапиксельным Canon EOS 300D и объективом Canon EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM в далеком 2005 году. Мы видим, что на 220 мм качество можно назвать с большой натяжкой терпимым, но на 300 мм банально нет резкости! Тем не менее, я совсем недавно видел в магазине "дабл-кит" - 18-мегапиксельный Canon EOS 600D с китовым объективом 18-55 мм и к ним впридачу еще объектив Canon 75-300mm (фотографии с него вы уже видели), причем версия без стабилизатора! Стоит ли выкидывать небольшие, но все же деньги за такую оптику?

Кто-то справедливо возразит, что у новых телеобъективов четкость картинки стала лучше. Да, но не стоит забывать, что при этом многократно выросло и разрешение матриц, следовательно, даже если ситуация в целом и улучшилась, то не радикально - 100% кропы фотографий будут примерно такими же. Бюджетные телеобъективы на длинном конце не способны дать действительно качественную картинку.

Фотоохота

Из-за низкой разрешающей способности на длинном конце фотографии зверей и птиц будут пригодны только для печати небольшим форматом или публикации в Интернет. Из-за низкой светосилы придется ощутимо повышать ISO, чтобы фотографировать животных и птиц в движении - это станет причиной повышенной шумности снимков. Очень быстро выяснится, что 250-300 мм - это слишком мало для съемки животных в естественной среде их обитания, максимум кого вы сможете снимать более-менее крупным планом - это животных, привыкших к людям (котов, собак, голубей и т.д.). Диких зверей с таким объективом получится снять разве что в зоопарке (сквозь решетки и стеклянные стены загонов).

Съемка в путешествиях

Для этих целей гораздо удобнее "тревел-зум" - объектив, имеющий диапазон фокусных расстояний от широкоугольника до умеренного телевика. Самый популярные "тревел-зумы" для кропа - Canon 18-135mm, Nikon 18-105mm. Имея два объектива - штатный зум и телевик, вы неминуемо столкнетесь с двумя сложностями - габариты и вес комплекта (два объектива больше и тяжелее одного), а также необходимостью эти объективы менять местами (рискуя что-то уронить или нахватать пыли на матрицу). По своему опыту скажу, что во время экскурсий довольно редко бывает возможность неторопливо поснимать - даже если вам экскурсовод дает свободное время, желающих фотографировать(ся) очень много и вам придется действовать быстро. В этом отношении предпочтительнее иметь один универсальный объектив, чем два для разных целей. Качество картинки у "тревел-зумов" вполне неплохое, зачастую они превосходят и китовый объектив и бюджетный телевик.

Если напрячься, можно еще найти кучу поводов, чтобы отговорить от покупки дешевого телевика. Но если желание покупать до сих пор не отпало, тогда приведу некоторые рекомендации - как не прогадать покупкой и как получать удовольствия от съемки?

1. Главная рекомендация - если объектив не светосильный, крайне желательно наличие стабилизатора. Стабилизация изображения ощутимо уменьшит процент бракованных снимков из-за шевеленки, а также даст возможность прикрывать диафрагму до 8-11 - именно при этих значениях достигается наилучшая резкость.

2. Не связывайтесь с "суперзумами" - 18-200mm, 28-300mm, 18-270mm и т.п. Они имеют никудышную светосилу надлинном конце, четкость изображения у таких объективов может быть на порядок ниже, чем, даже, у китового 18-55 мм.

3. Обязательно проверьте объектив на фронт/бэкфокус.

Какой объектив покупать - "кропнутый" или "полнокадровый"?

Если у вас "кропнутый" аппарат и вы в обозримом будущем не планируете переходить на полный кадр, лично я не вижу большого смысла приобретать "полнокадровый" объектив 70-300 мм - стоит он раза в полтора дороже, как минимум, а качество дает сопоставимое с "кропнутыми" объективами семейства 55-250 мм.

Напоминаю, что у бюджетных телевиков "рабочие" только 2/3 диапазона, дальше идет ощутимое снижение четкости. При этом разница по "эффективным" фокусным расстояниям между 55-250 и 70-300 вообще сходит на нет.

Объектив 55-250 не лишен и недостатков механического плана - у него нет пылезащиты, при телескопической конструкции это неизбежно вызовет попадание пыли внутрь и оседание ее на линзах. Но за такую цену - это весьма неплохое приобретение, особенно, если он включен в так называемый "дабл-кит" - тогда цена его получается вообще смешной.

Еще есть весьма интересный вариант - Canon EF 70-200mm f/4 L USM . Стоимость его составляет около 40 тысяч рублей (б/у можно найти дешевле). Несмотря на то, что эта самая дешевая версия объектива не имеет стабилизатора, качество картинки у него ощутимо лучше, чем у выше названных телевиков. Для кого-то это будет сильным аргументом - при использовании штатива этот объектив позволит результат просто недостижимый для бюджетной оптики.

Объектив имеет исключительно надежную конструкцию, предусматривающую внутреннюю фокусировку и внутреннее зуммирование - это исключает попадание внутрь объектива влаги и пыли. Недостатки - достаточно крупные габариты и немалый вес. Есть версия объектива со стабилизатором, но стоит она в 1.5 раза базовой версии.

Бюджетные телеобъективы сторонних фирм - стоит ли связываться?

Наиболее популярными сторонними производителями являются фирмы Sigma и Tamron. Как правило, их объективы стоят дешевле оригинальных, но часто бывают не хуже по своим характеристикам и обеспечивают сопоставимое или даже лучшее качество изображения. Но есть и подводные камни. Главный из них - бОльшая вероятность нарваться на некачественный экземепляр. Если вы склоняетесь к покупке телевика Sigma, Tamron, рекомендую не брать первый попавшийся объектив, а протестировать несколько экземпляров и выбрать лучший.

Как выбрать лучший?

Есть два способа - сделать фотографии при помощи всех тестовых объективов, а затем, посмотрев на большом экране (например, на ноутбуке, взятом с собой в магазин) выбрать тот, у которого качество картинки наилучшее. Вариант надежный, но не всегда приемлемый - не всегда есть возможность воспользоваться ноутбуком.

Второй способ - ставите фотоаппарат на штатив, фиксируете его настройки и ставите по порядку на него все объективы из тестового набора, снимаете одно и то же и смотрите на размер файла ! Чем он больше, тем лучше детализация фотографии. Этот способ позволяет быстро выбрать самый резкий экземпляр. Но, повторюсь, для всех объективов нужно создать абсолютно равные условия. Лучше всего для фотосъемки подходят пестрые объекты, полностью попадающие в зону ГРИП, например, страница с текстом, витрина магазина, плакат на стене.

Как тестировать объектив при покупке, читайте в моих очерках.