Фотоаппараты

1.1. Устройство фотоаппарата

Фотография - рисование светом, фиксация явлений действительности с помощью физико-химических средств. Знакомство с фотографией начинается обычно с устройства фотоаппарата.

Любой фотоаппарат (ил. 1.1) состоит из корпуса, объектива, затвора, устройства для определения границ изображения, механизма для фокусировки объектива и места для размещения фотопленки.

Корпус объединяет все узлы и детали в оптико-механическую систему. Стенки корпуса представляют собой светонепроницаемую камеру, в передней части которой находится объектив, а в задней - светочувствительный материал.

Объектив - сложный оптический прибор, состоящий из десятков деталей. Его оправа обеспечивает точное размещение линз и других элементов, защищает их от механических воздействий и загрязнения, служит для присоединения объектива к фотоаппарату. В передней части оправы предусмотрены посадочные поверхности для установки насадок и светофильтров. Объективы делятся на жестковстроенные (ил. 1.2, а) и сменные (ил. 1.2, б), отличающиеся от основных углом поля изображения, светосилой или иными параметрами.

Плоскость, в которой располагаются изображаемые объекты (она называется плоскостью наведения), и плоскость, в которой объектив дает резкое изображение, являются сопряженными, то есть расстояния между ними взаимозависимы. Чем дальше от объектива находится предмет, тем ближе располагается его изображение. Очень далекие предметы изображаются в главной фокальной плоскости, удаленной от объектива на величину главного фокусного расстояния. Это важнейшая характеристика объектива. Масштаб изображения прямо пропорционален фокусному расстоянию, которое определяет (совместно с размерами кадра) угловое поле зрения фотоаппарата.

Существует понятие нормальный (или стандартный) объектив. Такой объектив дает перспективные изображения, наиболее близкие тем, которые воспринимает человеческий глаз. Его угол поля изображения составляет 40-50°, что соответствует фокусному расстоянию 45-50 мм для формата кадра 24x36 мм; 75-80 мм - для формата 6x9 см и т. д.

Ил. 1.1. Внешний вид фотоаппарата

Объективы с углом поля изображения больше нормального называются широкоугольными. Они отличаются меньшим фокусным расстоянием и потому дают изображение в меньшем масштабе.

Объективы, предназначенные для крупномасштабной съемки удаленных предметов, имеют увеличенное фокусное расстояние и называются телеобъективами.

Чем больше диаметр линз объектива, тем большее количество света он пропускает. Для сопоставления светопропускающих качеств разных объективов служит безразмерная величина - относительное отверстие, представляющее собой отношение диаметра действующего отверстия к главному фокусному расстоянию. На шкале диафрагмы нанесены цифры: 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22. Это знаменатели величины относительного отверстия, то есть она составляет 1: 2,8; 1:4 и т. д. Каждое значение диафрагмы отличается от соседнего приблизительно в 1,4 раза, но, поскольку яркость изображения пропорциональна квадрату относительного отверстия, изменение диафрагмы на одно деление приводит к двукратному изменению светового потока, прошедшего через оптическую систему. Знаменатель максимального относительного отверстия объектива называется его светосилой.

Многие объективы, предназначенные для зеркальных фотоаппаратов, имеют дополнительное устройство, называемое автоматической, или прыгающей, диафрагмой. В них при изменении установленной на шкале величины светосилы действующее отверстие не меняется; фокусировка производится при максимальной яркости изображения.

Ил. 1.2. Объективы: жестковстроенный (а) и сменный (б)

Специальный механизм закрывает диафрагму до установленного значения перед срабатыванием затвора, а затем объектив вновь полностью открывается.

Чем больше размер кадра, на котором нужно получить изображение, тем (при прочих равных условиях) объектив сложнее и дороже. Поэтому каждый из объективов рассчитан на определенный формат, за пределами которого изображение получается некачественным или вовсе отсутствует. Обычно деталированность и освещенность изображения к краям кадра несколько уменьшаются; равномерность работы по всему полю является одним из признаков высококачественного объектива.

Ил. 1.3. Шкала глубины резко изображаемого пространства

Почти все объективы помимо шкал диафрагмы и расстояний снабжены шкалой глубины резко изображаемого пространства (ил. 1.3). В инструкциях к фотоаппаратам указывается, что при установке некоторой величины диафрагмы соответствующие ей цифры показывают на шкале расстояний дальнюю и ближнюю границы пространства, в пределах которого предметы будут изображены резко.

Разберемся в понятии резкость. Любой видимый предмет, как и его изображение, можно представить себе состоящим из отдельных точек. Идеальный объектив должен изображать идеальную (то есть не имеющую размеров) точку также точкой. Но реальный объектив в силу присущих ему искажений и рассеяния света изображает точку в виде небольшого кружка, который называется кружком нерезкости. Человеческий глаз не воспринимает предметы, если они меньше определенного размера. На расстоянии наилучшего видения, равном 25-30 см, кружок диаметром 0,1 мм будет восприниматься точкой. Практика подтвердила, что для негативов, подлежащих увеличению, допустимая величина кружка нерезкости составляет 1/30 мм.

Объектив рисует изображение точки пучком лучей в виде конуса (ил. 1.4). В пределах пространства, простирающегося в обе стороны от изображения, где диаметр пучка не превосходит допустимой величины кружка нерезкости, кружок будет казаться точкой. А объекты, расположенные в предметном пространстве на удалениях, когда их изображения находятся в зоне глубины резкости, будут казаться изображенными резко. Расстояние между этими объектами и является глубиной резко изображаемого пространства. На ил. 1.4 меньший конус показывает, что с уменьшением относительного отверстия глубина резкости объектива увеличивается.

Итак, глубина резкости не есть зона, в пределах которой все, что попало в кадр, изображается одинаково резко. Просто изображения выглядят одинаково резкими при определенных условиях рассматривания. Иными словами, шкала глубины резко изображаемого пространства определяет зону, в которой нерезкость находится в допустимых пределах. Но полезно помнить, что во всех случаях наиболее резко будет изображено то, что находится в плоскости точной наводки объектива.

При фокусировке весь объектив или часть его перемещается вдоль своей оси. Пределы фокусировки у нормальных объективов обычно таковы, что позволяют фотографировать предметы на расстояниях от 1 м до бесконечности (∞). Иногда применяют объективы, специально рассчитанные и снабженные оправой с увеличенным ходом. Тогда становится возможной съемка с более близких расстояний.

Некоторые аппараты позволяют перемещать объектив не только вдоль оптической оси, но и смещать его в поперечном направлении, а также наклонять. Широкие пределы перемещений платы крепления объектива относительно светочувствительного материала позволяют использовать разнообразную оптику и в значительной степени влиять на характер изображения.

Ил. 1.4. Изображение точки объективом (к понятию глубины резкости)

Способы фокусировки. Почти все фотоаппараты снабжены устройством фокусировки, и лишь некоторые из них имеют неподвижно установленные объективы и обеспечивают резкое изображение предметов, находящихся в пределах определенных расстояний. Эти пределы определяются глубиной резко изображаемого пространства, поэтому жестко установленные объективы всегда относительно короткофокусные и имеют малую светосилу.

Простейшее устройство фокусировки представляет собой ряд цифр, нанесенных на оправу объектива. Они указывают расстояние до снимаемого объекта в метрах. Этот ряд цифр называют шкалой метража.

Из практики известно, что при съемке портрета крупным планом фотограф старается приблизиться к объекту до расстояния примерно в 1 м, а при съемке группы людей до 3-4 м. При съемке пейзажа объектив чаще всего фокусируют на бесконечность (∞). Поэтому во многих простых аппаратах для удобства на шкале наводки на резкость нанесены символы характерных объектов съемки.

При фокусировке по шкале метража степень резкости зависит, во-первых, от того, насколько точно измерено расстояние фотоаппарат - объект, и, во-вторых, как тщательно оно установлено на шкале. Обычно измерение производится визуально, на глаз, и считается, что неизбежные погрешности перекрываются глубиной резко изображаемого пространства.

Фокусировка с помощью оптического дальномера, встроенного в фотоаппарат или используемого в качестве отдельного прибора, заключается в совмещении видимых в окуляре двух изображений объекта. Объект рассматривают из двух точек, находящихся на некотором расстоянии одна от другой. Когда предмет расположен далеко, изображения его совпадают, но для более близких предметов - расходятся, причем с уменьшением расстояния все сильнее. Чтобы изображения совместить, требуется переместить элемент оптической системы. В качестве подвижного элемента используют зеркала, призмы, оптические компенсаторы.

Устройства автоматической фокусировки - одно из последних достижений конструкторов. В основу их работы положено измерение расстояний до объекта с помощью инфракрасных лучей или ультразвука. В зависимости от результатов измерения объектив смещается вдоль оптической оси. Другой принцип - сравнение двух изображений предметов, "рассматриваемых" фотоэлементами через оптическую систему, аналогичную использованной в дальномерных фотоаппаратах. Электронная схема устроена таким образом, что наибольший ток фотоэлементы вырабатывают в тот момент, когда изображения на них совпадают. Таким образом, это своего рода автоматический дальномер. Принцип фокусировки в аппаратах, оснащенных такой системой, приведен на ил. 1.5.

Большинство крупноформатных фотоаппаратов имеет фокусировку по матовому стеклу. Она наглядна (можно оценить не только резкость, но и степень нерезкости) и очень точна при условии, что фотопленка будет установлена в той же плоскости, что и матовое стекло.

Более удобна фокусировка в зеркальных фотоаппаратах. В них нет необходимости попеременно устанавливать в кадровом окне матовое стекло и фотоматериал. В одних типах изображение создается дополнительным, вторым, объективом (ил. 1.6). Этот объектив соответствующим образом связан с основным, съемочным, чтобы фокусировка обоих объективов совпадала. Такие фотоаппараты называются двухобъективными зеркальными. Например, всем известный аппарат "Любитель-166". На горизонтально расположенном матовом стекле изображение зеркально повернуто, что требует от фотографа определенного навыка при съемке, особенно движущихся предметов.

Ил. 1.5. Схема фотоаппарата с автоматической фокусировкой

Другой принцип устройства зеркальных фотоаппаратов - когда зеркало установлено наклонно перед фотопленкой и отражает на матовое стекло свет, прошедший через съемочный объектив. При нажатии кнопки затвора зеркало откидывается вверх, только после этого затвор срабатывает. Эти аппараты называются однообъективными зеркальными. Фокусировка и съемка производятся в них через один и тот же объектив (ил. 1.7).

При всех своих достоинствах фокусировка по матовому стеклу имеет серьезные недостатки: точность ее зависит от остроты зрения фотографа и, кроме того, в значительной степени определяется яркостью изображения. Это привело к использованию в зеркальных фотоаппаратах вспомогательных оптических элементов, облегчающих фокусировку (ил. 1.8). Плоско-выпуклая линза с матированной поверхностью, установленная на место матового стекла, значительно улучшает условия рассматривания, особенно периферийных участков кадра. Во многих среднеформатных аппаратах ее заменяют более легким и компактным устройством - линзой Френеля. Для повышения точности фокусировки в центре матового стекла помещают фокусировочные клинья, а вокруг них - в кольцевой зоне - микрорастр. Он представляет собой множество миниатюрных пирамид, расположенных в плоскости матового стекла. При малейшей расфокусировке, когда на матовом стекле еще трудно уловить нерезкость, на микрорастре появляется хорошо видимое мерцание.

Фокусировочные клинья - это две наклоненные в разные стороны оптические грани, линия пересечения которых находится точно в плоскости матового стекла. Если объектив расфокусирован, контуры его, пересекающие границу раздела клиньев, по этой границе сдвинуты, а при точной фокусировке - совпадают. Матовое стекло загорожено от постороннего света коробчатой шахтой, чаще всего складной.

Ил. 1.6. Принцип фокусировки в двухобъективном зеркальном фотоаппарате: 1 - съемочный объектив; 2 - объектив видоискателя; 3 - зеркало; 4 - коллективная линза; 5 - окуляр; 6 - фотослой

Значительно повышает удобство пользования зеркальным фотоаппаратом - пентапризма. Она дает возможность получить прямое изображение, ось зрения при этом, как правило, параллельна оптической оси объектива.

Видоискатели. В фотоаппаратах с матовым стеклом, в том числе зеркальных, устройство фокусировки объединено с видоискателем. Он служит для определения границ кадра и для наблюдения за объектом при съемке.

Некоторые фотоаппараты снабжены дополнительными визирными устройствами. Наиболее совершенные модели имеют механизм автоматической (прыгающей) диафрагмы и возвратное зеркало. Как только затвор закрывается, зеркало становится на свое место; диафрагма объектива открывается полностью. Поэтому изображение в видоискателе пропадает только на время выдержки плюс 0,1-0,2 с, за которые зеркало успевает совершить свое движение.

Ил. 1.7. Принцип фокусировки в однообъективном зеркальном фотоаппарате: 1 - съемочный объектив; 2 - зеркало; 3 - фотослой; 4 - коллективная линза; 5 - пентапризма; 6 - окуляр

Ил. 1.8. Коллективная линза (а), линза Френеля (б), фокусировочные клинья (в), микрорастр (г), увеличенный фрагмент микрораствора (д)

Все эти и другие усовершенствования, прекрасное оснащение оптикой, разнообразными вспомогательными устройствами позволили в полной мере реализовать достоинства зеркальных фотоаппаратов и привели к широкому распространению их в любительской практике.

Ил. 1.9. Рамочный видоискатель

Выпускаемые крупными сериями фотоаппараты типа "Зенит", популярные среднеформатные камеры "Киев-60ТТL", недавно разработанные модели под названием "Алмаз" и многие другие относятся к современным однообъективным "зеркалкам".

Из других типов видоискателей наиболее употребимы рамочный и телескопический.

Рамочный видоискатель (ил. 1.9) состоит из проволочной или иной рамки, сделанной по форме кадра, и второй, меньшей рамки, обеспечивающей определенное положение глаза наблюдателя. Большая рамка ограничивает телесный угол, в пределах которого предметы попадают в поле зрения объектива. Достоинство рамочного видоискателя в том, что он дает возможность наблюдать за объектом непосредственно, без каких-либо оптических устройств, что очень удобно, например, при спортивной съемке. Кроме того, тонкая проволочная рамка позволяет видеть часть пространства и за границами кадра. Основные недостатки - громоздкость и неизбежный значительный параллакс, то есть неполное совпадение видимого и фотографируемого изображений из-за сравнительно большого расстояния между осями зрения видоискателя и объектива.

Телескопический видоискатель (ил. 1.10) состоит из двух компонентов (короткофокусного отрицательного в виде прямоугольной плоско-вогнутой линзы и длиннофокусного положительного), дает прямое уменьшенное изображение, очень компактен и поэтому легко встраивается в фотоаппарат. Небольшие поперечные размеры позволяют приблизить его элементы к объективу и уменьшить параллакс.

Ил. 1.10. Телескопический видоискатель

Универсальный телескопический видоискатель ВУ снабжен несколькими оптическими элементами на револьверной головке, поворотом которой можно менять поле зрения прибора соответственно установленному в фотоаппарате объективу. Видоискатели ВУ и ВИ-20 имеют поправку на параллакс при съемках на близких расстояниях. На ил. 1.11 изображен установленный на фотоаппарате видоискатель ВУ, рядом - видоискатели ВИ-35, ВИ-20, ВИ-85. По угловому полю зрения эти видоискатели соответствуют объективам с фокусными расстояниями 35, 20 и 85 мм.

Затвор является устройством, открывающим на определенное время доступ света к светочувствительному слою. Современные фотографические затворы располагаются между линзами объектива (центральный затвор), позади объектива (залинзовый затвор) или перед светочувствительным слоем (шторный затвор).

Центральные и залинзовые затворы похожи по конструкции. Это несколько, обычно 2-5, фасонных пластинок-лепестков из тонкого листового материала, перекрывающих отверстие объектива. При срабатывании механизма затвор открывается, остается в открытом состоянии некоторое время и закрывается вновь. Существуют устройства, в которых регулируется не только время выдержки, но и диаметр просвета. Такой затвор выполняет также функцию диафрагмы. Минимальные выдержки у центральных затворов составляют 1/300- 1\500 с, максимальные могут быть любыми, но автоматически отрабатывается обычно выдержка в 1 с. Центральный затвор изображен на ил. 1.12.

Ил. 1.11. Видоискатели: 1 - ВУ; 2 - ВИ-35; 3 - ВИ-20; 4 - ВИ-85

Шторные затворы, в отличие от центральных, построены по принципу последовательного экспонирования участков фотокадра. При этом свет проходит через щель в непрозрачной шторке, пробегающей перед светочувствительным материалом. Регулировка выдержки производится изменением ширины щели и скорости ее движения. Шторки могут быть сделаны из металлических пластинок, перекрывающих друг друга, из тонкой металлической ленты или других материалов, но наиболее распространенный материал - прорезиненная светонепроницаемая ткань.

Затвор аппаратов "Зенит" (ил. 1.13) состоит из двух раздельных шторок с тесемками; при взводе механизма шторки сомкнуты. В момент съемки одна из них начинает двигаться перед кадровым окном, а вслед за ней, с небольшим запаздыванием, - другая. Расстояние между шторками регулируется специальным механизмом и определяет величину выдержки. Простые шторные затворы позволяют осуществлять выдержки от 1\20- 1\30 до 1\500-1\1000 с. Для получения более длительных выдержек применяют специальные замедляющие устройства на механическом или электрическом принципе. Сверхкороткие выдержки (порядка 1\2000 с и менее) получают с помощью специальных прецизионных механизмов с металлическими особо прочными и легкими шторками.

Ил. 1.12. Центральный затвор

В серийных затворах минимальная величина выдержки составляет 1\4000 с.

Центральный затвор при срабатывании не приводит к значительным сотрясениям фотокамеры и связанной с этим потере резкости. Другое его преимущество - возможность применения импульсных ламп при любых выдержках.

Шторный затвор, в отличие от центрального, никак не связан с объективом, поэтому он, как правило, используется в фотоаппаратах, где предусмотрена возможность применения сменных объективов. Ассортимент их чрезвычайно широк, в особенности богато оснащены ими зеркальные малоформатные аппараты. К ним выпускаются широкоугольные объективы с углом поля зрения до 180° и даже больше; телеобъективы, "вырезающие" в пространстве угол в единицы градусов. Особую группу составляют объективы с переменным фокусным расстоянием, в которых путем передвижения компонентов можно плавно изменять масштаб изображения. Однако возможность применения сменных объективов предусмотрена не во всех фотоаппаратах.

Ил. 1.13. Шторный затвор

Вспомогательные устройства. Многие фотоаппараты снабжены автоспуском, приводящим в действие затвор через 10-15 с после нажатия его кнопки и позволяющим фотографу занять место перед аппаратом; синхроконтактом - для подключения импульсных источников света, которые должны автоматически включаться в момент открытия затвора, и специальной клеммой - для установки дополнительных видоискателей или для малогабаритных фотовспышек.

Существуют модели, снабженные встроенными экспонометрами. В широко распространенной системе, названной TTL, электронная схема оценивает яркость света, прошедшего через объектив. Таким образом учитывается фактическое светопропускание оптики с учетом потерь, влияние любых насадок, погрешностей шкал и т. п. В некоторых конструкциях фотоаппаратов по специальной программе автоматически устанавливаются диафрагма и скорость затвора. Встроенная фотовспышка посредством электронных управляющих устройств включается при недостатке освещения, причем на такое время, чтобы экспозиция оказалась достаточной для получения нормального снимка.