ha1

Теория и конструкция.

Оптический рисунок изображения полученного с помощью отверстия малого диаметра имеет специфические характеристики, служащие отличительными художественными особенностями . Пинхол изображения мягче – преимущественно менее резкое — чем фотографии, сделанные объективом. Изображения имеют почти бесконечную глубину резкости. Широкоугольные изображения остаются абсолютно прямолинейны. С другой стороны, пинхол изображения страдают от большей хроматической аберрации, чем фотографии, сделанные с помощью простой линзы, и они пригодны лишь для незначительных увеличений.
Журнал Amateur Photographer в своё время назвал пинхол-стиль «школой туманной фотографии» (school of foggy photography).

Пинхол – самая простая фотографическая камера, и при этом, как уже было отмечено, практически свободна  от линейных оптических  искажений  и многих  аберраций,  за исключением,  хроматической, дифракции, и астигматизма.

Принципиально камера вызывает отдельный интерес ещё и тем, что может быть настолько проста,  не составляя большой трудности для самостоятельной постройки, что открывает широкие горизонты для поисков и открытий в сфере дизайна. Некоторые пинхол-камеры красивы сами по себе и являют собой произведения искусства. В то же время простота в работе с  пинхол-камерой позволяет сконцентрироваться на свободе самовыражения, оставляя при этом большое пространство для исследований и экспериментов.

В большинстве случаев свет распространяется в однородной воздушной среде прямолинейно, основываясь на этом мы можем построить простой  «объектив», сделав небольшое отверстие в непрозрачной пластине. Отраженный от объектов  свет движется прямолинейно через «прокол» и, достигая поверхности способной воспроизвести (отразить) или запомнить изображение строя зеркально отраженную и перевернутую вверх тармашками картинку.

ha1

 

Free focus. Глубина резко изображаемого пространства пинхола,  в определенном  приближении с некоторыми  оговорками, лежит в промежутке от самого отверстия и до  ∞.  А это значит, что все предметы сцены будут в резкости  от самого фотоаппарата до горизонта при фиксированном фокусе и потребность в каком-либо фокусировочном  устройстве отсутствует.

Разрешающая способность. Допустимый кружок рассеивания. Предел разрешения вашего глаза измеряется в угловых величинах. Предположим, ваше поле зрения охватывает два пятна. Отличить их можно, если угол между ними больше, чем определенное минимальное значение, приблизительно 0,001 радиан. Если угол меньше, вы видите только один нерезкий объект. Например, если две соседние точки разделены на один миллиметр и находятся на расстоянии одного метра от вас, они будут просто на пределе ваших возможностей для их различения. Камеры с такой же  разрешающей способностью будет достаточно; дальнейшее повышение разрешения не может быть замечено человеческим зрением.  Всё в принципе зависит от конечного увеличения оригинального изображения при печати.

Фокусное расстояние системы равно расстоянию от отверстия до поверхности светочувствительного носителя.  При фотографировании пинхолом каждая точка объекта перед камерой бросает соответствующее пятно света на пленку. Если изображение должно быть понятно, соседние точки не должны перекрываться. Поэтому они должны быть как можно меньше. Часть задачи при конструировании камеры сводится к выбору диаметра отверстия и размера фотоаппарата в соответствии с оптимальным расстоянием при котором блики на пленке остаются дискретными (различимыми) и настолько яркими, насколько возможно. В принципе фокусное расстояние могло бы быть  большим, что,  до возникновения эффекта «ложного разрешения» работало бы на увеличение дискретности пятен и, как следствие — разрешающей способности. Но это приведет к пропорциональному квадрату увеличения расстояния падению яркости и без того не светосильной системы.  Когда камера больше, чем должна быть бедное разрешение  может добавить ошибочные детали (шум) к фотографии. Эффект, так называемого «ложного разрешения» является результатом наложения изображений с нескольких соседних объектов. Три типа разрешения см. рис

ha2

 

Существует также теоретический предел того, насколько маленькой камера может быть.

Угол поля зрения обусловлен величиной фокусного расстояния и форматом светочувствительного материала легко выстраивается геометрически. При квадратной или прямоугольной форме  светочувствительного материала под углом зрения обычно подразумевают  угол при вершине треугольника  содержащей в себе точку на плоскости  самого отверстия, с основанием треугольника включающем в себя точки диагонали (или её проекции, если материал залягает не в одной плоскости) светочувствительного носителя. В некоторых случаях отдельно говорят о горизонтальном и вертикальном угле поле зрения.

При плоской поверхности пленки обскуры имеет предельный угол зрения ок. 125 градусов. Диаметр изображения составляет около 3 1/2 раза любого фокусного расстояния. Изображение будет исчезать к  краям при увеличения фокусного расстояния из- за падения освещенности и в следствии дифракции. С изогнутыми плоскостями пленки камера-обскуры может иметь более широкий круг охвата (примерно 160 градусов).

Освещенность по полю фильма неоднородна по нескольким причинам. Предположим, что в кадре свет от двух равносильных точечных источников света, лучи от одного  являются коаксиальными, а от другого периферийными. Свет от источника вне оси  встретит на своём пути крошечное отверстие пинхола в форме эллипса, поэтому меньшее количество света пройдет от источника вне оси, чем от источника лежащего на оси.  К тому же от отверстия до фильма периферийные лучи должны преодолевать большее расстояние, тем самым теряя интенсивность. Кроме того, этот свет достигает плоскости пленки под углом, который приводит к увеличению площади светового блика на пленке, тем самым к снижению его интенсивности. Эти потери  освещенности по полю  устанавливают практически придел поля зрения системы.

Одним из способов увеличения поля зрения заключается в использовании полусферических светочувствительных поверхностей. При этом любой луч  от объекта,  даже отклоняющийся практически на 90°  от центральной оси будет достигать поверхности изображения под прямым углом совершив путь равный фокусному расстоянию, что также позитивно скажется на разрешении. К сожалению применение полусферических светочувствительных поверхностей  не очень практичны. Адекватным компромиссом стали цилиндрические фильмодержатели.

Другим решением проблемы получения сверх-широкоугольных снимков стало изобретение

Джона М. Франке (John M. Franke), сотрудника  National Aeronautics and Space Administration’s Langely Research Center. Он разместил стеклянную полусферу за  отверстием камеры, в которой пленка лежит в одной плоскости. В результате преломления света полное поле зрения, составляющее 180° сводится к световому конусу в 84°. Оптический элемент Франке изготавливается из стекла с коэффициентом преломления около 1,5 марки ВК-7 диаметром 25,4 мм. Диаметр не является критичным. Различные результаты получены со стеклом, которое имеет другой индекс рефракции. Если вы намерены экспериментировать с другими стеклами и даже пластмассой  оптического качества для достижения угла в 180° то вам придется столкнуться с некоторыми оптическими искажениями по краю поля изображения.

 

Оптический элемент франке

Оптический элемент Франке

Цвет.

Во время наблюдений мы описываем бесчисленное количество раз цвета объектов. В большинстве случаев мы используем для обозначения цвета такие термины, как красный, оранжевый, желтый и т.д., а по мере необходимости добавляем: насыщенный, ненасыщенный, бледный. Благодаря этим обозначениям нами характеризуется цвет во всем его разнообразии. Когда мы говорим о яркости цвета (темный или светлый), мы имеем ввиду его густоту, которая не меняет оттенка.

svet-prizma-2

Глядя в окно железнодорожного вагона, мы можем увидеть не только открывающийся за ним пейзаж, но также слабое отражение пейзажа, проносящегося за противоположным окном. Эти два изображения накладываются одно на другое, так что можно наблюдать смешение цветов. Отражение синего неба делает зелень полей сине-зеленой, причем комбинированный цвет становится более бледным и менее насыщенным, что вообще присуще смешению цветов.

Смешение цветов, наблюдаемое в магазинной витрине

Смешение цветов, наблюдаемое в магазинной витрине

Стекла в магазинные витрины часто вставляют без рам, поэтому из точки О можно видеть сквозь стекло внутреннюю часть подоконника А и в то же время — отражение его внешней части В. Если А и В окрашены по-разному, мы имеем прекрасный пример смешанных цветов, и с перемещением глаза вверх и вниз комбинированный цвет будет соответственно приближаться к цвету А или к цвету В.

 Дисперсия Белого света. Наполним колбу водой и поместим её на солнце.

Радуга, как пример разложения дневного света на спектр

Радуга, как пример разложения дневного света на спектр

На экране АВ, снабженным круглым отверстием (несколько большим, чем колба), возникает тусклая радуга R. Она имеет форму замкнутой окружности с угловым радиусом около 42° и с красной полосой снаружи, как и в настоящей радуге.

Опыт может быть проведен с равным успехом и с обыкновенным стаканом, который должен быть, однако, более или менее цилиндрическим. Опыт следует ставить утром или вечером, когда Солнце низко. Изображение теперь уже не будет окружностью, а будет состоять из цветных полос.

Хроматические аберрации. Оптимальный диаметр отверстия (для заданного фокусного расстояния)  зависит от длины волны света. Камера  может быть оптимизирована  лишь для одной длины волны. Максимально возможная  разрешающая способность будет достигнута лишь для лучей одного спектрального  диапазона, при этом разрешающая способность для других длин волн в белом свете  будет  хуже.

Результатом на цветном материале будет размытие по краю изображения предметов и, возможно, несколько заметные цветные контуры.На черно-белом материале видны лишь  размытия краев. Одним из способов устранения хроматической аберрации, при необходимости,  является использование черно-белой пленки с цветным фильтром перед отверстием, отсекающем  весь спектр лучей, кроме расчетного желаемого цвета.

Хроматические аберрации возникают вследствие зависимости показателя преломления линз от длины волны света.

Фокусные расстояния простых выпуклых линз для красных лучей оказываются больше (на 1—3% в зависимости от сорта стекла), чем для синих.

Показатель преломления зависит от частоты (длины) волны света.

Положение изображения следовательно зависит от ЦВЕТА.

Различают - продольную хроматическую аберрация: в следствии того, что фиолетовые лучи отклоняются больше, чем красные фиолетовое изображение формируется ближе к отверстию, чем красное; и — хроматическую разность увеличения: построение  изображения протяженного объекта с использованием хода лучей  показывает, что  размер  фиолетового изображения  будет меньше, чем у красного. Изображение точки представляет собой цветное пятнышко, окруженное ореолом дополнительных цветов в следствии поперечной хроматической аберрации.

ХРОМАТИЧЕСКАЯ

000000

203_1

 

Астигматизм. Даже когда мы имеем дело с коаксиальными лучами (лежащими у центральной оси отверстия) формой проекции круглого пятна от точечного источника, не паралельного к оси в результате рассматриваемой аберрации является овал.

Астигматизм объясняется зависимостью углов преломления лучей пучка от углов их падения. Астигматизм появляется при значительном смещении точки предмета с оси. При малом диаметре входного отверстия, особенно при значительном угле поля зрения, большое количество лучей от точек предметной среды отклоняются на значительные углы.

Лучи в астигматическом пучке (в противоположность гомоцентрическому или стигматическому пучку, все лучи которого пересекаются в одной точке) в отдельных случаях могут пересекаться, как показано на рис:

 

000003

 

Световая волна имеет здесь различную кривизну в разных сечениях: в сечениях АВМ и CDN кривизна максимальна; а в АСР и BDQ — минимальна. Поэтому лучи, лежащие в сечении АВМ, проходят через точку М, а лучи сечения АСР проходят через точку Р. Таким образом, все лучи, ограниченные контуром ABDC, пересекают соответствующие точки отрезка MN, а затем отрезка PQ. Расстояние между MN и РQ, характеризующее степень неопределенности положения наилучшего изображения, называется астигматической разностью.

При косом падении лучей от светящейся точки  (отверстие не обладает осевой симметрией относительно оси пучка) лучи, прошедшие через верх и низ отверстия, сойдутся в точке М, а прошедшие через разные точки его горизонтального диаметра — в точке Р смотрите рисунок:

000004

 

В этом случае радиальные прямые плоскости OS, перпендикулярной оптической оси (и плоскости чертежа), изобразятся резко на поверхности вращения р (образованной вращением РО′ вокруг ОО′), а концентрические окружности той же плоскости изобразятся четко на поверхности m. На поверхности n, средней между р и m, длина пятна, изображающего любую точку плоскости OS, минимальна.

Астигматизм зависит от предметной координаты.

В зависимости от положения плоскости изображения при астигматизме пятно рассеяния может принимать форму эллипсов, отрезков или круга:

4111_13_1

Горизонтальный отрезок наблюдается, если плоскость изображения совпадает с меридиональным фокусом, а вертикальный – если с сагиттальным. Посередине между ними пятно рассеяния имеет форму круга. В остальных положениях – пятна эллиптической формы.

Кроме того, если центр пленки расположен на расчетном расстоянии от отверстия, любая другая точка фильма будет более удалена, следовательно разрешение не может быть одинаковым и оптимальным по полю изображения.

Дифракция.

Ночь. Вдалеке шум автомобиля, приближающегося к нам. Его фары бросают ослепительные лучи света на широкую дорогу. Велосипедист случайно пересекает эти ослепительные лучи так, что мы на мгновение оказываемся в его тени. И тогда внезапно силуэт велосипедиста обрисовывается удивительно красивым светом, как будто излучаемым краем силуэта. Это эффект дифракции. Дифракцией называют искривление световых лучей у края непрозрачного экрана, при котором часть волнового фронта проникает в область, где согласно законов геометрической оптики следовало бы ожидать тень. Интенсивность отклонения  света велика, если угол отклонения очень мал, но быстро уменьшается для больших углов. Картина особенно красива, когда велосипелист далеко от нас, а автомобиль далеко за ним.

Разрешение любого оптического прибора ограничено дифракционной картиной, возникающей в результате волновой природы света, проходящего через определенную диафрагму.

fig1

 

Рассмотрим два точечных источника. Каждая точка изображения, построенного посредством отверстия малого диаметра, отразится в точке Эйри (по имени физика George Airy 1801-1892), точке максимальной яркости, в окружении чередующихся темных и светлых дифракционных колец. Если точки находятся рядом, дифракционные картины будут перекрываться.

fig2

 

 

Методы определения экспозиции.

ПРАВИЛО F16. Обычно в классической фотографии, при отсутствии экспонометра, определяя время экспозиции руководствуются правилом F16: при ярком солнечном свете, выбирают скорость затвора (число знаменателя) как можно ближе к номиналу чувствительности используемой пленки, например, 1/125 секунды для 100 ISO, и устанавливают диафрагму объектива на f16, или используют любую другую соответствующую экспо пару.

Практика оценки количества имеющегося света в различных условиях освещения является ценным условием для определения экспозиции.

eksp

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>