Светосила объектива и освещенность поля изображения [1963 Штапф Г.

1. Относительное отверстие объектива. Светосила объектива зависит от его диаметра и фокусного расстояния. Чем больше диаметр, тем больше света пропускает объектив. Если уменьшить диаметр объектива в два раза, количество пропускаемого света уменьшится в четыре раза так как площадь круга возрастает пропорционально квадрату радиуса.

Но светосила объектива определяется не только диаметром блока линз. Чем больше фокусное расстояние объектива, тем дальше находится он от светочувствительного слоя и тем крупнее, следовательно, изображение. При увеличении фокусного расстояния объектива в два раза изображение распределяется на вчетверо большую площадь и освещенность его уменьшается в четыре раза. При уменьшении фокусного расстояния наполовину светосила возрастает в четыре раза. При одном и том же диаметре объектив дает тем более освещенное изображение, чем меньше его фокусное расстояние.

Рис. 79. Диаметр объектива и светосила. При уменьшении диаметра вдвое светосила уменьшается в четыре раза

Следовательно, диаметр объектива и его фокусное расстояние - величины взаимно связанные. Объектив диаметром 1 см с фокусным расстоянием 50 мм имеет такую же светосилу, как и объектив диаметром 2 см с фокусным расстоянием 100 мм.

Таким образом, для светосилы объектива существенно соотношение этих двух величин. Отношение диаметра действующего отверстия объектива к его фокусному расстоянию называется относительным отверстием (рис. 79 - 81).

Относительное отверстие является величиной относительной и поэтому не имеет размерности. Оно определяет освещенность изображения. В Германском промышленном стандарте принято, что относительное отверстие обозначается на оправе объектива в форме, например, "1 : 2,8". Кроме того, допускается сокращение, в котором знаменатель этого отношения пишется вместе с фокусным расстоянием объектива в форме дроби: "Относительное отверстие / Фокусное расстояние", например 2,8/50. При этом и фокусное расстояние, выражаемое обычно в миллиметрах, указывается без размерности.

Рис. 80. Фокусное расстояние и светосила. С увеличением фокусного расстояния вдвое светосила уменьшается в четыре раза

Рис. 81. Относительное отверстие - это величина, выражающая отношение диаметра объектива к фокусному расстоянию

По относительному отверстию объективы сравниваются между собой в светосиле, так как независимо от конструкции объективы одинаковых относительных отверстий в одинаковых условиях съемки требуют примерно одинаковой выдержки.

Светосилу объектива можно понижать с помощью диафрагмирования. В этом случае количество пропускаемого света зависит уже не от диаметра объектива, а от величины диафрагмы, так как последняя уменьшает диаметр действующего отверстия.

Указанное на объективе значение светосилы справедливо, строго говоря, только при установке на бесконечность. При съемке с близких расстояний растяжение камеры превышает фокусное расстояние объектива. Изображение отодвигается назад, и освещенность его падает пропорционально квадрату удаления от объектива. Поэтому при макросъемке нужно удлинять выдержки по сравнению с обычной съемкой (см. стр. 238).

2. Сверхсветосильные объективы. Светосилу объектива нельзя произвольно увеличивать без определенных потерь в его качестве. Многие ошибочно считают, что самый светосильный объектив является одновременно наилучшим. Повышение светосилы в большинстве случаев достигается ценой снижения резкости рисунка и сильного уменьшения глубины резко изображаемого пространства. Чтобы улучшить оба эти показателя, приходится сильнее диафрагмировать объектив, т. е. отказываться от преимуществ повышенной светосилы.

Современные нормальные объективы имеют следующую светосилу:

Сверхсветосильные объективы достигают светосилы:

1 : 0,85 для "рентгеновских" фотоаппаратов (например, "R-Биотар" Цейсса).

У последних диаметр больше фокусного расстояния. Уже это показывает, что сверхсветосильные объективы служат для специальных целей и не предназначены для любительской фотографии. При существующих высокочувствительных фотоматериалах любителей вполне удовлетворяют обычные объективы.

В 1947 г. появилась возможность заново рассчитать известный с 1931 г. цейссовский объектив "Тессар" 2,8/50. Применение новых сортов стекла - самого тяжелого флинта и тяжелого крона - позволило значительно улучшить оптические качества "Тессара" 2,8/50. Теперь он ничем не уступает "Тессару" 3,5/50, который до этого применялся в качестве нормального объектива для многих камер и, в свою очередь, получил широкое распространение в малоформатных аппаратах высокого класса.

Особо высокая светосила означает, что краевые зоны линз должны принимать участие в построении изображения. Однако, как известно, именно здесь искажения особенно сильны. Чтобы их исправить, необходимо увеличить число линз. Это влечет за собой новые трудности. Каждая линза поглощает свет, абсорбируя часть световых лучей. Кроме того, на границе воздух-стекло имеют место потери света вследствие отражения. Чем выше светосила объектива, тем больше в нем линз, следовательно, тем больше потери света на отражение. В нормальных объективах с относительным отверстием 1 : 4,5 потери света выражаются примерно в 30 %, а в конструкциях с относительным отверстием 1 : 2 они возрастают до 50%. Экспонометры и таблицы для определения выдержек предусматривают в общем потери света до 30% . При сверхсветосильных объективах, следовательно, выдержку необходимо соответственно увеличивать. Впрочем, это касается лишь более старых, непросветленных объективов.

Рис. 82. Ход лучей в собирательной линзе. Вверху: теоретический ход луча с преломлением при переходе в стекло и выходе в воздух. Внизу: световые потери вследствие отражения на границах воздух - стекло - воздух ослабляют свет

С потерями света вследствие отражения тесно связан еще один недостаток. Отраженный свет при неблагоприятных условиях может вызывать образование световых пятен на снимке. Склонность к образованию таких рефлексов в некоторых конструкциях объективов особенно велика. Вообще она тем выше, чем больше число поверхностей линз, граничащих с воздухом. Особенно сильны рефлексы в случаях, когда в пределах кадра находятся сильные источники света, например при ночных съемках и съемке против света.

3. Потери света в линзах и их устранение (просветленные объективы). Нормальный ход лучей в линзе представлен на рис. 82 (вверху). Световой луч преломляется при входе в линзу и выходе из нее. В действительности же это явление протекает гораздо сложнее (рис. 82, внизу). От 4 до 7% падающего на линзу света на границе воздух - стекло теряется вследствие отражения. При выходе из линзы отражаются еще 4 - 7% лучей. Часть отраженного света уходит наружу, другая же часть многократно преломляется на поверхностях линз. В результате некоторая часть отраженного света - так называемые блуждающие лучи - попадает в аппарат. Эти лучи засвечивают поле изображения, снижая контрасты, и создают вуаль. В другом случае они образуют побочное изображение; чаще всего это бывает в условиях ночных съемок или при контражурном освещении, когда в поле зрения объектива попадают сильные источники света. На снимке может получиться диафразменное пятно, т.е. изображение диафрагмы в виде многоугольника (рис. 83 и 85), или же в результате цветовых искажений возникает цветная вуаль. Все эти помехи усиливаются с увеличением количества линз в объективе, так как каждая линза поглощает свет и на каждой границе воздух-стекло происходит отражение лучей. Рефлексы бывают особенно сильными при фотографировании ярких светов и других объектов, обладающих высокой яркостью.

В последнее время найден способ обработки поверхности линз, уменьшающий потери света на отражение. В высоком вакууме на граничащие с воздухом отражающие поверхности линз наносится противоре-флексный слой из фтористого кальция, магния или лития, имеющий меньший показатель преломления, чем стекло. Его толщина подбирается так, что проходящий сквозь него свет вследствие наложения волн интерферирует. Это имеет место в случае, когда толщина защитного слоя равна ¹/₄ длины волны падающего на объектив света. При этом световые лучи, отраженные от поверхности стекла и от защитного слоя, взаимно препятствуют отражению, и большая часть их принимает участие в построении изображения, благодаря чему повышается эффективная светосила объектива.

Рис. 83. Пятно диафрагмы, побочное изображение и общая засветка блуждающими лучами при съемке в чистом контражуре. Фото Г. Штапфа (Лейпциг), тест-съемка непросветленным широкоугольным объективом 3,5/35

Просветленные объективы маркируются специальными знаками. Фирма "Цейсс" (Иена) помечает их красной буквой Т (Transparenz)^* на оправе, фирма "Мейер" наносит красное V^**. Просветляющий слой отсвечивает голубоватым или красно-фиолетовым оттенком. Поэтому просветленный объектив или линзу можно распознать по характерному оттенку их поверхности в отраженном свете. При рассматривании на просвет просветленная система линз бесцветна. Следовательно, просветление не грозит цветовыми искажениями и такой оптикой можно без опасений пользоваться для цветной съемки; она обеспечивает насыщенное воспроизведение цветов.

^** (Советские просветленные объективы помечаются красной буквой П (Прим. перев.).)

Действие просветляющего слоя особенно наглядно показывает рис. 84, на котором представлен снимок стеклянной пластинки с подложенным под нее черным шрифтом на листе белого картона. Верхняя половина пластинки оставлена в неприкосновенном виде, а нижняя покрыта просветляющим слоем. На непросветленной части видны сильные световые рефлексы и общая вуаль, резко снижающая контраст, из-за чего шрифт становится серым; прочесть его очень трудно. На просветленной половине пластинки шрифт воспроизведен контрастно и легко читается.

Рис. 84. Действие просветляющего слоя. Стеклянная пластинка, под которую подложен текст, в верхней части оставлена неизменной, а внизу покрыта просветляющим слоем. В верхней части световые рефлексы затрудняют чтение текста и, образуя рефлексную вуаль, снижают' контраст; шрифт выглядит серым. В нижней части бриллиантность изображения значительно выше, и шрифт четко выделяется на белом фоне

Просветленный объектив по сравнению с непросветленным обладает тремя существенными преимуществами, а именно: большее пропускание света, уменьшенная склонность к рефлексам и повышенный контраст изображения. В зависимости от числа свободных отражающих поверхностей линз он обусловливает выигрыш в количестве пропускаемого света от 20 до 30%, а в сверхсветосильных объективах - до 50%. Это означает, что противорефлексный слой повышает эффективную светосилу объектива при прочих равных условиях не менее чем на 20 %. Это - существенный резерв светосилы, особенно необходимый при съемке в неблагоприятных условиях освещения на малочувствительной цветной пленке.

Рис. 85. Горный луг. Съемка в контровом свете непросветленным объективом 'Биотар' 2/58. В непросветленном объективе блуждающие лучи приводят к общей засветке снимка и образованию большого пятна от диафрагмы. Снимок получился вялый и блеклый

Нужно добавить, что сверхсветосильные объективы чаще всего состоят из большого числа довольно толстых линз. В них выигрыш в свете как раз покрывает потери света, возникающие в линзах в связи с их значительным светопоглощением (абсорбцией). Таким образом, повышение эффективной светосилы в данном случае имеет место лишь по отношению к непросветленным объективам той же конструкции.

Рис. 86. Тот же снимок, сделанный просветленным 'Биотаром' 2/58. Просветляющий слой устранил рефлекс и блуждающие лучи, повысил бриллиантность и контрастность снимка

В сверхсветосильных просветленных объективах выдержка благодаря просветлению не сокращается, зато и не требуется ее удлинения, которое понадобилось бы с учетом большей абсорбции света. Эти величины взаимно уничтожаются, и при данной диафрагме применяется такая же выдержка, какая была бы необходима для непросветленного объектива.

С уменьшением вуали, снижающей контраст, возрастает бриллиантность снимка. Кроме того, устраняются рефлексы, возникающие при фотографировании попадающих в поле изображения источников света, контражурных съемках и при сильных световых контрастах. Снимки, приведенные на рис. 85 и 86, сделаны в одно и то же время одним аппаратом, с одной и той же точки, при одинаковых диафрагме и выдержке;

сменены были только ооъективы - непросветленый на просветленный. На первом снимке видно диафрагменное пятно в виде многоугольника и общая вуаль, снижающая контраст. Снимок вялый, теневые участки плохо проработаны. На снимке, сделанном просветленным объективом, все эти недостатки устранены. Снимок хорошо проработан во всех участках, контраст его возрос.

Побочные изображения источников света, находящихся в кадре, просветление объектива полностью не устраняет, но они становятся гораздо слабее. В зеркальных аппаратах они заметны уже при наводке по матовому стеклу, и их легко устранить, незначительно изменив положение аппарата.

В настоящее время просветляются все выпускаемые объективы. Правила ухода за ними такие же, как и для непросветленных объективов. При чистке сначала слегка проводят по поверхности линз мягкой кистью, чтобы удалить мельчайшие песчинки, прилипшие к стеклу; в противном случае они поцарапают поверхность линзы при вытирании ее тряпочкой. Удалив пыль и песчинки, объектив протирают чистой простиранной фланелью или мягкой замшей (нужно помнить, что в замше легко застревают песчинки).

Рис. 87. Действие солнечной бленды: а - отражение света внутри объектива и аппарата, вызванное попаданием прямых солнечных лучей в систему линз; б - солнечная бленда затеняет поверхность линз и в значительной мере устраняет нежелательные рефлексы

Пользуясь просветленными объективами, необходимо уменьшать выдержку в соответствии с выигрышем в свете; величины, полученные с помощью таблиц выдержки или экспонометров, требуют поправок. Особенно важно учитывать это при съемке на цветную обратимую пленку, так как обратимые слои имеют малую фотографическую широту.

4. Солнечная бленда и ее назначение. Для устранения рефлексов особое значение имеет солнечная бленда, надеваемая на объектив. Бленда выполняет две функции: затеняет переднюю линзу при съемках в контражуре и препятствует попаданию в объектив паразитных боковых лучей (рис. 87). Солнечный свет, падающий прямо на линзу, вследствие отражений в объективе создает побочные изображения и световую вуаль. Бленда защищает переднюю линзу от прямого попадания солнечных лучей. Это же можно сделать, притенив объектив рукой, шляпой или газетой. Нужно лишь следить за тем, чтобы затеняющий предмет не попадал в поле изображения.

Световую вуаль могут давать также источники света, находящиеся далеко за пределами угла изображения объектива. Особенно опасны в этом отношении бликующие водные поверхности, снежные поля и ледники.

Важно, чтобы солнечная бленда точно подходила к объективу. Она должна не только прочно сидеть на оправе, но и соответствовать углу изображения объектива, ибо ее назначение - затенить как можно больше паразитных лучей, но вместе с тем она не должна попадать в поле изображения, так как это будет вызывать виньетирование снимка. Каждый сменный объектив должен иметь свою бленду, и лучше всего, если это специальная бленда, сконструированная и изготовленная в заводских условиях.

Наряду с этим имеются тубусные бленды переменной длины для объективов разных фокусных расстояний. Лучше других оправдали себя бленды с прямоугольным окном. Правда, в этом случае необходимо следить за тем, чтобы линии выреза были строго параллельны соответствующим линиям, ограничивающим кадр. Выдержка при применении бленды не изменяется.

Внутренние стенки бленды, аппарата и объектива окрашиваются в черный цвет и матируются. Бленды нужно предохранять от царапин и потертостей, которые могут отражать свет. Солнечная бленда также защищает объектив от попадания дождевых капель и снега, брызг прибоя и водопада, пыли, сыпучего песка и искр. Таким образом, она должна применяться не только при съемках в контражуре, а во всех случаях. Защищая объектив от попадания рассеянного света, она повышает контраст изображения, что особенно необходимо в цветной фотографии.

Как уже говорилось, опасность возникновения рефлексов возрастает с увеличением числа свободных поверхностей линз. Наилучшими в этом отношении являются полностью склеенные двойные анастигматы, имеющие только четыре поверхности линз, граничащие с воздухом. К ним относятся, в частности, широкоугольный "Дагор", состоящий из двух половин, по три склеенных линзы в каждой. Он почти не дает рефлексов, способен передавать большие контрасты и работает контрастно даже тогда, когда в предметном поле находятся сильные источники света.

Опасность возникновения рефлексов тем выше, чем ближе первая линза к переднему краю оправы объектива. В современных конструкциях предусматривается углубленное расположение передней линзы. Благодаря этому, например, "Тессаром" 2,8/50 с "прыгающей" диафрагмой можно работать без бленды.

Светофильтры значительно повышают опасность появления рефлексов. В связи с этим фильтры к аппарату "Роллейфлекс" выпускаются просветленными с обеих сторон и обеспечивают максимальное повышение контрастов в пределах их полосы пропускания.

Новую конструкцию солнечных бленд разработало народное предприятие "Карл Цейсс" в аппарате "Верра" (рис. 135 и 136). Это малоформатная камера с гладким корпусом, обтянутым зеленой искусственной тканью. Спусковая кнопка расположена на верхней стенке; головка обратной перемотки, счетчик кадров и штативное гнездо находятся на нижней стенке. Солнечная бленда в нерабочем положении надевается на оправу объектива ("Тессар" 2,8/50), она соответствует форме оправы и закрывается крышкой от объектива. Если объектив предварительно установлен по красным точкам, можно фотографировать, не переводя бленду в рабочее положение.

Рис. 88. Преломление и отражение света на поверхности стекла. Оптимальные условия для поляризации создаются в случае, когда угол отражения и угол преломления в сумме составляют 90°

5. Поляризационный фильтр и его применение. Поляризационный фильтр служит для устранения отражений и рефлексов на блестящих поверхностях. Его действие распространяется только на неметаллические поверхности - стекло, глазурь, эмаль, полированные и лакированные плоскости, бакелит, воду и другие жидкости. Рефлексы зеркальных металлических поверхностей не устраняются; сюда же относятся и зеркала, так как они имеют серебряный полив.

На чем же основывается действие этого фильтра?

Свет, падающий на поверхность стекла, преломляется и частично отражается (рис. 88). Человеческий глаз не замечает никакой разницы между прямым и отраженным светом, в действительности же они существенно разнятся между собой. В прямом свете колебания происходят в различных направлениях, перпендикулярных к направлению лучей (рис. 89,а). Отраженный же свет поляризован, т.е. колебания большей или меньшей части лучей осуществляются только в одном определенном направлении (рис. 89,в).

Рис. 89. Поляризация света и принцип действия поляризационного фильтра: а - падающий неполяризованный свет; б - отражение света от зеркальной поверхности; в - отраженный, полностью поляризованный свет; г - поляризационный фильтр в положении пропускания; д - поляризационный фильтр в положении запирания (поляризованный свет не пропускается)

Поляризация не происходит, когда свет падает перпендикулярно к поверхности стекла или "скользит" по ней. Отраженный свет поляризуется полностью, если угол отражения (в случае стекла) равен 55° и угол преломления - 35°; в сумме они составляют прямой угол. Преломленный и отраженный лучи при этом также составляют угол 90° (рис. 88).

Свет поляризуется и при прохождении сквозь кристаллическую решетку, например через апатит. Эта решетка пропускает только колебания в плоскости, параллельной ее "стержням", все остальные колебания задерживаются, гасятся. Если поставить такой фильтр на пути предварительно поляризованного света, последний пройдет сквозь него лишь в том случае, когда плоскость колебаний будет параллельна направлению "стержней" решетки (положение пропускания, рис. 89,г). При ином положении решетки (положение запирания) свет гасится (рис. 89, д).

Рис. 90. Гашение рефлексов поляризационным фильтром: а - падающий деполяризованный свет; б - вследствие рефлекса на поверхности стекла находящийся под ним рисунок неразличим; в - отраженный поляризованный, свет; г - поляризационный фильтр в положении запирания; д - поляризованный свет исключен; е - неполяризованный свет дает четкое изображение рисунка

Об этих закономерностях нужно помнить, пользуясь поляризационным фильтром. Он может погасить только те отражения, которые вызваны поляризованным светом, и только в случае, когда "стержни" решетки "запирают" световые колебания. Точнее, поляризационный фильтр действует наиболее эффективно только тогда, когда мы смотрим на бликующие неметаллические поверхности под углом зрения 35°. Чем больше мы отклоняемся от этой оптимальной величины в ту или иную сторону, тем меньше поляризован отраженный свет и тем меньший эффект дает фильтр. Следовательно, перед фотографированием нужно отыскать правильный угол съемки, рассматривая объект сквозь фильтр. Помимо этого, для каждого конкретного случая съемки необходимо в первую очередь найти правильный поворот фильтра. Лучше всего это удается сделать при наводке по матовому стеклу. Поляризационный фильтр надевают на объектив и поворачивают его до тех пор, пока не будет достигнуто наилучшее гашение рефлексов.

Рис. 91. Два снимка, сделанные в одинаковых условиях съемки: слева - без фильтра; справа - с поляризационным фильтром

В малоформатных аппаратах без матового стекла это сделать несколько труднее. Сначала устанавливают фильтр перед видоискателем и, медленно поворачивая его, находят положение, при котором он действует наиболее эффективно. Такое же положение должен принять фильтр на объективе аппарата во время съемки.

В двухобъективных зеркальных камерах применяется поляризационная насадка с двумя фильтрами. При вращении фильтра перед объективом видоискателя автоматически в том же направлении вращается фильтр перед съемочным объективом. Непременным условием является установка "стержней" решетки примерно перпендикулярно к направлению колебаний поляризованного света.

Таблица 7. Основные области применения поляризационного фильтра

При фотографировании с поляризационным светофильтром гасятся отражения от неба и блики на неметаллических поверхностях (рис. 90 - 91).

Поляризационный фильтр поглощает свет, поэтому выдержку при его применении следует увеличивать. Как правило, достаточно двух-трехкратного удлинения выдержки, если отражающих поверхностей не слишком много. Большие же поверхности, занимающие весь кадр, например витрины, увеличивают количество света, регистрируемое экспонометром; поэтому, чтобы в достаточной степени проработались предметы, расположенные за стеклом, нужно удлинять выдержку в 5 - 6 раз.

Основные области применения поляризационного фильтра приведены в табл. 7.

Поляризационные фильтры, обладающие собственной окраской, обусловливают избирательную абсорбцию; в большинстве случаев синие и фиолетовые лучи поглощаются ими. сильнее, чем длинноволновые излучения. В цветной фотографии они могут применяться лишь в определенных случаях, так как дают оранжевую вуаль.

6. Освещенность и интервал яркостей объекта. Большое значение для фотографии имеет освещенность объекта съемки. Как показывают рис. 92 и табл. 8, она изменяется в очень широких пределах. Мерой освещенности является люкс (лк) - освещенность, создаваемая источником света силой в одну свечу на белой поверхности, отдаленной от нее на 1 м, при перпендикулярном падении лучей.

Таблица 8. Колебания освещенности

Особенно бросается в глаза разница в освещенности между объектами, освещенными прямыми солнечными лучами, и находящимися в тени, освещаемыми только отраженным светом.

Рис. 92. Освещенность объектов в различных условиях

В большинстве случаев фотографическая съемка производится при освещенностях от 100 до 50 000 лк.

Разницу в освещенности при фотографировании необходимо компенсировать тем или иным путем, а именно:

а) подбором негативного материала соответствующей светочувстви тельности ;

б) снижением слишком высокой освещенности с помощью диафрагмы;

Церковь и ратуша в Дрездене (ночной снимок). Источником света служил прожектор. Выдержка 120 сек. Объектив 'Триотар' 4/135, диафрагма 8. Съемка со штатива (Фотоархив фирмы 'Игаже')

Если, например, мы хотим снять пейзаж на пленку средней чувствительности с выдержкой ¹/₅₀ сек, диафрагма должна быть:

Рис. 92 показывает еще одно важное свойство объектов. Они характеризуются не одной, общей для всех яркостью, а широкой шкалой всевозможных яркостей отдельных участков объекта. Этот контраст называется также интервалом яркостей объекта. Чем больше интервал яркостей объекта, тем сложнее сделать снимок. При очень широком интервале яркостей, который не может быть охвачен фотографическим слоем, теневые участки выходят недодержанными и на позитиве сливаются в сплошное черное пятно или, наоборот, цвета получаются настолько передержанными, что небо, например, на снимке выглядит совершенно белым и непроработанным. Поэтому на первых порах надо выбирать для съемки объекты с малым или средним интервалом яркостей. Съемка сюжетов с большим интервалом яркостей требует значительного опыта.