Крупномасштабная съемка с больших расстояний

Когда говорят о съемке с больших расстояний, то речь обычно идет не только о расстояниях 50 м, 100 м, 200 м, но и 700…1000 м и намного-намного более значительных. Для того чтобы снимать отдельные объекты с таких расстояний, необходимо использовать объективы с большим (длиннофокусные), а иногда и с очень большим фокусным расстоянием, т.н. сверхдлиннофокусные объективы. Поэтому, когда речь идет о съемке с таких больших расстояний необходимо учитывать, что в самом " начале" длиннофокусного диапазона оптики располагаются отдельная группа длиннофокусных объективов, часто называемых " портретными". Такое название этих объективов напрямую связано с применением их для съемок портрета, а не для съемок удаленных объектов. И фокусное расстояние этих объективов только несколько превышает две длины диагонали полного кадра, а угол поля зрения у них соответствует центральному участку сетчатки глаза. Но чтобы закатное Солнце на кадре получилось огромным красным шаром, а не маленьким белесым пятнышком на небосводе, нужен объектив с достаточно большим фокусным расстоянием. Т. е., чтобы получить Солнце " во весь кадр" необходимы только сверхдлиннофокусные объективы, угол поля зрения которых даже меньше 1º. В этой связи сразу необходимо отметить, что крупность изображения снимаемого объекта в кадре помимо фокусного расстояния определяется и размерами самого кадра (светочувствительной матрицы, кадрового окна). Длиннофокусные объективы вы­полняют ту же роль, что и зрительные трубы или телескопы при наб­людении удаленных объектов, – они дают возможность получать крупномасштабные изображения. В качестве таких объектов съемки могут быть спортсмены (футболисты, легкоатлеты, мотогонщики, велогонщики и др.), дикие животные и птицы, к которым по тем или иным причи­нам невозможно приблизиться, или если у оператора или фотографа есть желание творчески использовать специфический характер изображения, создаваемый длиннофокусной оптикой, или желание получить малую глубину резко изображаемого пространства. Могут также встретиться объекты съемки, к которым нельзя приблизиться из-за сложного профиля местности или возможной опасности.

На рис.1показан общий план набережной Днепра, на котором выделен участок, снятый длиннофокусным объективом (рис.2) с самой верхней точки пилона моста (рис.3) – все фото предоставлены Мирославом Павловым.

Рис.1. Общий план набережной Днепра

Рис. 2. Крупномасштабное изображение участка, выделенного на рис.1 (расстояние от точки съемки, указанной на рис. 3, до переднеплановой части объекта съемки – 1, 7 км)

Рис.3. Точка, с которой выполнялись съемки

Факторы, влияющие на характеристики изображения. При крупномасштабной съемке объектов, нахо­дящихся на больших расстояниях, качество изображения в первую очередь будет определять атмосферная среда, которая становится частью объекта съемки и которая будет воздействовать на спектральный состав солнечного света, а также снижать видимость основного объекта съемки, его контраст и четкость.

Существенным фактором, определяющим прозрачность атмосфе­ры, является содержание в ней водяных паров и различных приме­сей: пыли, дыма и др. Количество водяных паров и пыли в атмо­сфере очень изменчиво и оно зависит от метеорологических условий, физико-географических и климатических особенностей данного района, от сезона и времени дня.

При прохождении потоков через атмосферу световых излучений происходит их ослабление, вызванное тем, что часть лучистой энергии поглощается, а часть рассеивается. Оба эти явления – по­глощение и рассеяние – действуют в атмосфере одновременно, причем в видимой области спектра преобладает рассеяние и для нее атмосфера является в основном мутной (рассеивающей) средой. За пределами видимой области спектра, в ультрафиолетовой и инфракрасной областях, атмосфера является средой главным обра­зом поглощающей.

Поскольку поглощение лучистой энергии в атмосфере избирательно, то в солнечном свете, прошедшем через атмосферу, появляется большое число на определенных длинах волн линий и полос поглощения, обусловленных воздействием газов и примесей, которые входят в состав атмосферы. Так, содержащийся в значительном количестве в верхних слоях атмосферы озон сильно поглощает ультрафиолетовую составляющую солнечного света. А углекислый газ и кисло­род частично поглощают инфра­красные лучи. Преобладающее же значение в поглощении излучений в длин­новолновой части солнечного спектра принадле­жит водяному пару.

При рассеянии света в атмосфере образуется воздушная дымка, кото­рая снижает прозрачность атмосферы, а значит и видимость объекта съемки. Характер и интенсивность рассеяния света в атмосфере за­висят от размеров рассеивающих частиц, взвешенных в атмосфере. Если рассеивающие частицы меньше длины световой волны, то интенсивность рассеяния опреде­ляется соотношением длины све­товой волны и размеров частиц.

Рассеяния света в чистой атмосфере (без примесей водяных паров, пыли, дыма и пр.) пропорционально четвертой степени длины световой волны (закон Дж. У. Рэлея, 1871 г.). Если принять за единицу коэффициент рассеяния для инфракрасных излучений на длине волны λ =950 нм, то для ультрафиоле­товых излучений на длине волны λ =350 нм коэффициент рассеяния будет больше в 54 раза. Чистое небо мы видим голубым потому, что при прохождении видимого (белого) солнечного света через слой чистой атмосферы коротковол­новые лучи (голубая и синяя зона спектра) рассеиваются значительно сильнее, чем лучи длинноволновые (красная зона спектра). Когда рассеивающие частицы сравнимы с длиной волны световых излучений или больше ее, то изменения интенсивности рассеяния в зависимости от длины волны по закону Рэлея нет. Поэтому, напри­мер, облака, освещенные Солнцем, кажутся белыми, так как водя­ные капельки, составляющие облака, достаточно велики и рассеи­вают одинаково световые лучи всех длин волн.

Следует отметить, что в природе атмосферной дымки и тумана нет существенной разницы. Просто туман классифицируется от очень сильного (видимость не превышает 50 м) до очень слабого (видимость составляет 1 км), а под под дымкой понимается такое состояние атмосферы, при котором расстояние видимости уже превышает 1 км. В зависимости от состояния атмосферы изменяется мутность воз­душной среды и прозрачность ее бывает различной. В одних усло­виях (при минимальной дымке) мы можем видеть предметы, нахо­дящиеся от нас на очень большом расстоянии, иногда до 50 км и более; в других (при сильном тумане) видимость не превышает не­скольких метров. Следует также помнить, что дальность видимости Z в горизонтальном направлении зависит от высоты точки съемки. Если известна высота h точки съемки, это расстояние при отсутствии дымки можно рассчитать по формуле:

Z= 3, 57∙ h^1/2, км.

Таким образом, при высоте точки съемки равной, например, h=16 м (крыша пятиэтажки) расстояние полной видимости составит: Z=3, 57∙ 4=14, 28 км.

В зависимости от состояния атмосферы, определяемого метеоро­логическими условиями, воздушную дымку можно классифицировать:

· воздушная дымка с преобладанием синих лучей, когда воз­дух относительно мало загрязнен частицами посторонних тел и, сле­довательно, когда солнечные лучи рассеиваются преимущественно молекулами газов по закону Рэлея, то есть обратно пропорциональ­но четвертой степени длины световой волны;

· воздушная дымка с преобладанием белых лучей, когда в воз­духе имеется значительное количество частиц пыли, капелек воды или мелких кристаллов льда, когда лучи света всех длин волн рас­сеиваются в более или менее равной степени.

При съемке удаленных объектов че­рез слой атмосферы на яркость самих объектов съемки накладыва­ется яркость воздушной дымки, что приводит к уменьшению интер­вала яркостей объекта съемки.

Если яркость наиболее светлого участка объекта съемки обозна­чить L_max, а наиболее темного участка L_min, то отношение этих яркостей составит:

∆ L= L_max/L_min

При съемке удаленных объектов через слой ат­мосферы, имеющей коэффициент пропускания τ и яркость дымки L_д, получим уже следующее соотношение:

∆ L=(L_max∙ τ +L_д)/(L_min∙ τ +L_д)

Пусть, например, самый светлый участок объекта съемки будет иметь яркость L_маx=200 кд/м², а самый темный L_min = 2 кд/м², тогда отношение яркостей будет равно:

∆ L=200/2=100.

При коэффициенте пропускания атмосферы τ =0, 5 и яркости дымки L_д = 2кд/м² диапазон различаемых яркостей существенно изменится:

∆ L=(200∙ 0, 5+2)/(2∙ 0, 5+2)=34

Таким образом, при наличии воздушной дымки с яркостью соизмеримой с минимальной яркостью объекта съемки, интер­вал яркостей объекта съемки уменьшился в три раза, а при очень сильной дымке объект и вовсе становится неразличимым.

Для исключения влияния воздушной дымки при специальных съемках с больших расстояний используются световые излучения таких длин волн, которые менее всего рассеиваются атмосферой, а имен­но – оранжевые, красные и инфракрасные. Съемка при сильной воздушной дымке, выполненная в белом свете, может показать только неясные очертания предметов, в то время как съемка в оранжевых, красных или инфракрасных лучах может дать в тех же условиях отчетливые изображения. Поскольку съемка в этом случае выполняется с применением оранжевых, красных или инфракрасных светофильтров, то вопрос о правильной цветопередаче ставить просто нет необходимости – ее не будет.

Во всех случаях от изображения, снимаемого с большого рас­стояния, требуются те же подробности, что и от объекта, располо­женного близко. Кадры документального или научного фильма и, особенно, художественного должен обеспечивать узнаваемость человека или другого объекта находящегося на расстоянии 50…100 м от съемочной камеры, и распо­знаваемость характера действий объектов съемки на расстоянии до 1 км. Здесь требования к четкости изображения несравненно более высокие, чем при обычных съемках. Если дело идет о сравнительно-малых расстояниях (50…100 м), то условия съемки можно назвать еще не очень сложными. А вот при расстояниях до объекта съемки порядка 1 км появляются серьезные затруднения.

Существует целый ряд факторов, существенно влияющих, а зача­стую делающих и вовсе невозможным выполнение съемки длиннофокусным объективом параллельно земной поверхности. Так, например, слой пыли и различного рода испарения, стелящиеся над землей в виде дымки, сильно затрудняют не только съемку, но даже простое визуальное наблюдение. В этих условиях значи­тельно размываются контуры изображения объектов и снижаются светотеневые контрасты. Есть еще и другое явление, которое приводит к размытости контуров и искажению изображения поверхностей. На большом расстоянии и под определенным углом даже очень гру­бые поверхности кажутся зеркально-гладкими. Эти наблюдения на­гляднее всего можно провести на асфальтированном шоссе. Уже на расстоянии нескольких сот метров сравнительно грубая, шероховатая поверхность асфальтированной дороги воспринимается достаточно гладкой. Едущие по ней автомо­били будут казаться несущимися по воздуху. На море можно наблюдать, подобные же явления. Благодаря этому отражению все контуры предметов кажутся размытыми и окруженными светящимся ореолом. Поэтому изображения очень удаленных объектов имеют в большей или мень­шей степени характер снимков, сделанных против света, что, кстати, придает им определенное своеобразие. Изменение контуров изображения удаленных объектов зависит от фона, ко­торый находится позади объекта съемки. Под влиянием дифракции света предметы на темном фоне будут восприниматься как более широкие, на светлом фоне – более узкими.

Сильно мешает съемке, особенно летом, движение воздуха, вы­званное нагревом солнечными лучами (явление конвекции). Пере­мешивание теплого и холодного воздуха в атмосфере создает опти­ческие неоднородности, в которых быстро меняющиеся показатели преломления света вызывают беспорядочную деформацию изображения удален­ных объектов.

Наиболее благоприятные условия для теле-кино-фотосъемки бывают утром или под вечер весной, осенью или зимой, когда Солнце нахо­дится сбоку или на 3/4 спереди от снимаемого объекта.

Точка съемки должна быть по возможности верхней, чтобы в кадр попадало как можно меньше неба во избежание явления за­светки. Съемки с возвышенностей, с гор в глубокие долины и на большие водные про­странства удаются лучше всего.

Съемки удаленных объектов на фоне неба: летящих птиц, само­летов, вертолетов, ракет и др. – также сопряжены с большими трудностя­ми. Дымка, как было рассмотрено выше, уменьшает интервал яркостей объекта и тем самым скрадывает сначала детали, а затем и весь объект. Яркий фон, кото­рым являются небо и облака, образует ореолы и все это вуалирует изображение. А когда объект движется, то меняется его положение относительно направления солнечных лучей, изменяется характер освещения объекта и яркость фона. Особенно, если объект оказывается рас­положенным против солнца, тогда съемка становится и вовсе невозможной. Ко всему этому добавляются трудности панорамирования и удержания в кадре движущегося объекта, поскольку углы поля зрения длиннофокусного объектива достаточно малые. При съемке с больших расстояний система объектив-камера должна быть застабилизирована в пространстве и при этом должны быть минимизированы ее вибрации, которые приводят зачастую к полной потере резкости изображения. Это задача решается применением различных устройств и систем стабилизации, а также объективов и камер со встроенными системами стабилизации изображения.

Съемочная оптика. Трудности выполнения съемок с больших расстояний определяются не только вышеописанными факторами. Получение изображения уда­ленных объектов с высокой степенью резкости ограничивается тем, что разрешающая способность объектива находится в обратной пропорциональной зависимости от величины фокусного расстояния и квадрата относительного отверстия. Поэтому объективы с коротким фокусным расстоянием при таком же относительном отверстии, что и длиннофокусные обеспечивают более высокую разрешающую способность. Изображения, образуемые длиннофокусными объективами, отличаются специфической «мягкостью» рисунка, своеобразной размытостью контурных линий. Это явление устанавливает предел увеличению фокусного расстояния объектива, которое сегодня ограничивается f = 2322мм при относительном отверстии 1: 11.6 (для Canon DIGISUPER 86 TELE xs). Безусловно, дальнейшее увеличение фокусного расстояния объектива возможно, и при этом возможно получить изображение в еще более крупном масштабе, но нельзя добавить новой информации, то есть улучшить различаемость деталей.

Коррекция объектива, как известно, осуществляется комбинаци­ей различных сортов стекла и подбором радиусов кривизны от­дельных линз, применением асферических линз, а также линз из флюорита. В оптической схеме объектива должны быть минимизированы хроматические аберрации, а также он должен быть скорригирован и в отношении всех других аберраций (сферическая аберрация, кома, астигматизм, дисторсия, искривление поля). Так как рассчитать и изготовить иде­альный объектив, совершенно свободный от аберраций, невозмож­но, то даже в самом лучшем объективе остаются остаточные абер­рации. Поэтому точка не может быть передана объективом в виде точки, она изображается в виде кружка рассеяния. Все объективы дают кружок рассеяния, диаметр которого зависит от фокусного расстояния и относительного отверстия объектива. Уменьшать диа­мет р кружка рассеяния можно только диафрагмированием объек­тива и то только до проявления явления дифракции (при относительном отверстии где-то в районе 1: 11). Минимальный диаметр кружка рассеяния определяет величину разрешающей способности объектива и его пригодность для тех или иных целей.

Следовательно, чтобы получить наилучшую резкость изображе­ния, необходимо задиафрагмировать объектив до оптимального значения, при котором достигается наибольшее значение разре­шающей способности.

Учитывая уменьшение разрешающей способности с увеличением фокус­ного расстояния, нецелесообразно изготавливать длиннофокусные объективы с большой светосилой. Поэтому все длиннофокусные объективы, начиная с f=300 мми более, имеют небольшую свето­силу – от 1: 5, 6 и ниже.

Длиннофокусные объективы, как правило, дают малоконтраст­ные изображения, поэтому при съемке такими объективами необ­ходимо применять длинные бленды, которые надежно защищают переднюю линзу объектива от попадания на нее не только прямых солнечных лучей, но и бокового рассеянного света.

Сочность (бриллиантность) изображения зависит от количест­ва рассеянного света, который создается в результате многократ­ных отражений на поверхностях линз, оправ и тубуса внутри объектива. Этот многократно отраженный свет, рассеиваясь, накла­дывается на изображение и дает общую засветку, снижая конт­раст, от чего изображение становится вялым.

Для съемки с больших расстояний нашли применение, особенно в аэрофотосъемке, длиннофокусные объективы-анастигматы обычной конструктивной схемы, так как они способны создавать изображе­ние высокого качества на площади кадра, примерно в 300 раз большей, чем площадь 16× 22 мм нор­мального кинокадра или чем площадь светочувствительной матрицы формата APS-C, размеры которых варьируются в пределах от 20, 7× 13, 8 мм до 25, 1× 16, 7 мм. Но следует отметить, что длиннофокусные объективы данного типа имеют значительные размеры и вес. Кроме этой оптической схемы нашли применение еще три базовые разновидности длиннофокусных объективов.

Более простую оптическую схему имеют длиннофокусные объективы второго типа, по­строенные по принципу ландшафтной линзы, состоящие всего из двух оптических элементов: собирающей и рассеивающей линз, склеенных вместе. Такие объективы дают достаточно резкое изображение в центральной части поля изобра­жения объектива при малом относи­тельном отверстии и получили название длиннофокус­ных линз. Они имеют хорошую коррекцию хроматической и сферической аберраций. Исправления астигматизма, комы, дисторсии и искривления поля в длиннофокусных объективах не требуется, так как угол поля изображения их даже для большой стороны кадра чрезвычайно мал. Такая схема построения длиннофокусного объектива имеет еще и то преимущество, что эффек­тивная светосила у них значительно выше, чем у объективов-анастигматов, поскольку потери света и внутреннее рассеяние в этом двухлинзовом объективе весьма малы. Хотя длина таких объективов (без бленды) примерно равна их фокусному расстоянию, т.е. он достаточно громоздкий, но зато общий вес линз, оправы и светозащиты минимизирован.

Рис. 4. Carl Zeiss Tele-Superachromat, 5, 6/350

На рис. 4 показан суперахромат, длиннофокусный объектив (f=350 мм), разработанный Максом Херцбергером (Maximillian J. Herzberger), у которого практически полностью устранена хроматическая аберрация, а также минимизированы сферическая аберрация и кривизна поля, что было достигнуто за счет применения флюоритовых линз, а также благодаря высокой точности их изготовления и минимальных допусков при сборке.

Третий тип длиннофокусного объектива – телеобъектив (рис.5).Телеобъективы, как разновидность длиннофокусных объективов имеют укороченный задний отрезок S'_F', за счет выноса задней главной плоскости Н' за пределы оптической системы объектива. У телеобъектива расстояние от передней линзы L до плоскости изображения 3 значительно меньше номинального фокус­ного расстояния fʹ, причем общая длина телеобъектива Σ d обычно не превышает 0, 5…0, 75 фокусного расстояния. Телеобъектив состоит из двух оптических элементов: из собирательного переднего эле­мента (телепозитива – 1) и заднего рассеивающего элемента (телене­гатива – 2).

Рис. 5. Оптическая схема телеобъектива

Благодаря этому телеобъективы имеют меньшие размер и массу по сравнению с длиннофокусными классическими анастигматами и двухлинзовыми объективами, дающими такое же увеличение. Телеобъективы весьма чувствительны к по­стороннему свету, падающему на его переднюю линзу и создающему рефлексы, которые к тому же снижают контраст изображения. Поэтому при съемке телеобъективами необходимо применять длин­ные бленды.

Такие разработки можно найти в каталогах многих производителей съемочной оптики. Остановимся на характеристиках одного из самых длиннофокусных телеобъективов фирмы Canon EF 800mm f/5.6L IS USM серии EF (рис. 6), куда относятся также EF 600mm f/4L IS II USM, EF 500mm f/4L IS II USM, EF 400mm f/2.8L IS II USM, EF 300mm f/2.8L IS II USM. В эти уникальных телеобъективах использованы новейшие технологии 4-х ступенчастой стабилизации изображения (при съемке без штатива, с рук, стабилизатор изображения позволяет достичь устойчивости изображения без смазывания даже при выдержке 1/60 с, при съёмке неподвижных объектов режим 1 компенсирует смещение изображения по горизонтали и вертикали, при съёмке движущихся объектов с одновременной горизонтальной панорамой в режиме 2 отключается корректировка по вертикали, предотвращающая появление эффекта сдвига объекта в кадре, при установке камеры на штатив стабилизатор изображения автоматически отключается); в оптической схеме, состоящей из 18 линз, использованы две флюоритовые линзы: одна дифракционная линза (DO-элемент) и еще одна сверхнизкодиперсная линза (UD-элемент); высокоточная автофокусировка обеспечивается благодаря ультразвуковому мотору кольцевого типа (USM) с возможностью выполнения ручной подстройки фокуса, которая постоянно доступна; для предотвращения появления нежелательных отражений, ореолов и бликов, создания ярких и чётких изображений с естественной цветопередачей на оптические элементы нанесено многослойное просветляющее покрытие Supra Spectra; многолепестковая (обычно 8-ми) диафрагма формирует апертуру в виде окружности; прочный и легкий корпус выполнен из магниевого сплава; объективы имеют экологически безопасное покрытие, обеспечивающее защиту от пыли и влаги.

Рис. 6. Телеобъектив EF 800mm f/5.6L IS USM серии EF

Объектив EF 800mm f/5.6L IS USM серии EF имеет следующие основные характеристики:

· Фокусное расстояние… 800 мм

· Угол поля зрения (по горизонтали, по вертикали, по диагонали) составляет… 2° 35ʹ, 1° 40ʹ, 3°5ʹ

· Диапазон относительных отверстий… от 1: 5, 6 до 1: 32

· Минимальная дистанция наводки на резкость… 6 м

· Рабочий отрезок …45, 5 мм

· Диаметр …163 мм

· Длина …461мм

· Вес …4, 5 кг

Телеобъектив комплектуется блендой ЕТ-155 с держателями желатиновых светофильтров NC, имеет мягкий футляр.

Экстендеры EF1.4× II и EF2× II позволяют увеличить фокусное расстояние телеобъектива EF 800mm f/5.6L IS USM как и других объективов этой серии в 1, 4 и в 2 раза.

Объективы EF 400mm f/2.8L IS II USM, EF 300mm f/2.8L IS II USM (рис. 7) имеют максимальное относительное отверстие 1: 2, 8, обеспечивающие 4-х кратное увеличения светосилы по сравнению с телеобъективом с фокусным расстоянием 800 мм.

Рис. 7. Телеобъектив EF 400mm f/2.8L IS II USM серии EF

Еще во времена СССР в ЦКБК был разработан длиннофокусный объектив ОКС2-1000 (он и сейчас находится в рабочем состоянии на киностудии им. А.Довженко – рис. 8), который по своим оптическим характеристикам даже при отсутствии системы стабилизации кадра и сегодня не уступает зарубежным аналогам:

· Фокусное расстояние … 1000 мм или 500 мм (за счет смещения заднего компонента и соответствующего уменьшения длины)

· Угол поля зрения по горизонтали при 1000 мм составляет 1º 15ʹ для кинокадра 16× 22 мм или для кадра формата АРS-C

· Максимальное относительное отверстие 1: 6, 3 (для 1000 мм) и 3, 2 (для 500 мм)

· Минимальная дистанция наводки на резкость 5 м

· Рабочий отрезок …61 мм

· Максимальный диаметр оправы 200 мм

· Длина 600 мм (с хвостовиком и байонетным креплением)

· Вес – около 5 кг

Рис.8. Телеобъектив ОКС2-1000

К четвертому типу длиннофокусных объективов относятся зеркально-линзовые (рис.9), которые имеют наименьшие габаритные размеры. Объектив состоит из четырех основных компонентов: афокальных менисков 1, сохраняющих параллельность выходящего луча входящему и обеспечивающих устранение сферической аберрации, контрзеркала 1-1, зеркальной системы 2 и компенсатора 3, корригирующего кому и кривизну поверхности изображения. Менисковая линза 1 пропускает свет в объектив только через свою наружную кольцевую часть. Центральная часть ее непрозрачна и является выпуклым сферическим контрзеркалом 1-1. Вогнутое сферическое зеркало 2имеет в центральной части круглое сквозное отверстие. Ход лучей в зеркально-линзовой системе объектива сле­дующий: отраженные объектом съемки в сторону объектива лучи света падают на вогнутое зеркало 2, расположенное в глубине корпуса объектива, и, отразившись от него, направляются на зеркально-линзовый элемент 1, отразившись от зеркальной поверхности контрзеркала 1-1 которого, проходят через отверстие в центральной части зеркала 2 на плоскость пленки или матрицы 4, где образуют изображение. В таких объективах также хорошо исправлена хроматическая аберрация. Фокусировка зеркально-линзовых объективов осуществляется перемещением мениска 1 с зеркальным покрытием 1-1 относительно неподвижного сферического зеркала2 и склееной линзы 3. Такой способ фокусировки позволяет переходить при съемке от бесконечности к коротким дистанциям при весьма незначительных перемещениях мениска, что является еще одним преимуществом такой оптической схемы. Для устранения засветки в плоскости изображения 4 внутри самого объектива (между 1 и 2, 3) устанавливается диафрагма 5 в виде конической бленды. Поверхность такой бленды выполняется матово-черной и рифленой.

Рис. 9. Оптическая схема зеркально-линзового объектива

Зеркально-линзовые объективы получаются весьма компактными, хотя и имеют ряд недостатков в сравнении с традиционными оптическими схемами. К примеру, в зеркально-линзовых объективах нет диафрагмы, поэтому изменение экспозиции можно производить только за счет подбора выдержки или за счет применения нейтрально-серых светофильтров. Зеркально-линзовые объективы имеют достаточно специфический характер размытия контуров объектов, попавших в зону нерезкости – они воспроизводятся в виде характерных " бубликов". Это вызвано тем, что у зеркально-линзовых объективов работает только кольцевая зона передней линзы 1, так как её центральная часть перекрыта контрзеркалом 1-1. Из-за этого в энергетической диаграмме пятна рассеяния образуется спад в центре, и, как следствие, нерезкие точечные источники света будут изображаться в виде колец.

С момента изобретения зеркально-линзовых систем выдающимся оптиком, профессором Д.Д.Максутовым (Государственная премия СССР, 1941 год) прошел уже 71 год, а зеркально-линзовые объективы остаются такими же востребованными. На смену легендарному объективу МТО пришли РУБИНАРы, которые сегодня выпускаются Лыткаринским заводом оптического стекла (ОАО ЛЗОС, Россия). Объективы РУБИНАР (4, 5/300, 5, 6/500, 8/500, 10/1000) имеют такую же оптическую схему как и МТО, но в конструкцию были внесены некоторые изменения: в МТО контрзеркало наносилось на обратную сторону передней линзы-мениска, а в РУБИНАРе оно крепится на " пробке", установленной в отверстии в центре мениска (рис. 10). Изменения в технологии изготовления зеркально-линзового объектива позволили получить объектив с разрешением 50 линий /мм, что на 10 линий /мм больше, чем у МТО или ЗМ-5 СА при очень умеренной стоимости.

Рис. 10. Зеркально-линзовый объектив РУБИНАР – 8/500

Рассмотрим параметры самого длиннофокусного РУБИНАР 10/1000. Этот объектив как и остальные объективы из этой серии имеет рабочий отрезок 45, 5 мм и может использоваться в качестве сменного в различных современных съемочных камерах при использовании переходных колец с посадочной резьбой М42× 1 а также переходных адаптеров с байонетным креплением. Фокусирование объектива на объект производится вручную. Данный зеркально-линзовый объектив кроме съемки крупным планом ландшафтов, архитектурных элементов, спортивных соревнований, зверей и птиц на фотоохоте и других удаленных предметов может применяться при астрономической съемке ночью, обеспечивая хорошую фотосъемку лунной поверхности, звезд и планет солнечной системы. Применение многослойных просветляющих покрытий на оптических деталях увеличило светопропускание (относительное отверстие 1: 10), уменьшило светорассеяние, повысило контрастность изображения на пленке или ПЗС матрице фотоаппарата. Угол поля зрения по горизонтали составляет 2, 5º для полноформатного фотокадра или 1º 15ʹ для кинокадра. Дистанция минимальной фокусировки составляет 6 м, тогда как для МТО-1000 она равна 10 м. Максимальный диаметр объектива равен 125 мм, длина – 210 мм, а его вес – 1, 9 кг.

Рис. 11. Зеркально-линзовый объектив SAL500F80 (500 мм F8 Reflex)

Фирма SONY (рис. 11) также предлагает классическую модель зеркально-линзового объектива SAL500F80 (500 мм F8 Reflex) под матрицу APS-C, состоящего из 7 элементов, включающих светофильтр, диаметром 42 мм. Минимальная дистанция наводки на резкость – 4 м. Размеры: диаметр 89 мм, длина 118 мм. Вес – 665 г.

По оптической схеме РУБИНАРа выполнены корейские зеркально-линзовые объективы QUANTARAY MC 1: 8/500мм, Bower 500/8, Samyang MF 500mm f/6.3 и Samyang MF 800mm f/8.0.

Что касается более длиннофокусных зеркально-линзовых объективов, то такие модели с фокусным расстоянием 2000 мм изготавливают только две компании: “Pentax” и “Nicon”.

SMC Pentax-M Reflex 2000 mm состоящий из 8 оптических элементов имеет следующие характеристики:

· Относительное отверстие 1: 13, 5

· Угол поля зрения 1, 2º

· Минимальная дистанция наводки на резкость …20 м

· Вес…20 кг

В Nikkor Mirror 2000 mm (состоит из 5-ти оптических элементов) некоторые характеристики были улучшены:

· Относительное отверстие 1: 11

· Угол поля зрения 1, 2º

· Минимальная дистанция наводки на резкость …18 м

· Вес…17, 5 кг

Кроме сверхдлиннофокусного SMC Pentax-M Reflex 2000 mm компания Pentax разработала единственный в своей категории зеркально-линзовый объектив с переменным фокусным расстоянием Pentax Reflex Zoom 400-600mm f/8-12 (рис. 12).

Рис.12. Pentax Reflex Zoom 400-600mm f/8-12

Кроме вышерассмотренных оптических схем длиннофокусных объективов с фиксированным фокусным расстоянием для съемок с больших расстояний разработаны и нашли самое широкое применение объективы с переменным фокусным расстоянием – ОПФ, т.н. вариообъективы и трансфокаторы, которые перекрывают достаточно большой диапазон фокусных расстояний. В этой связи необходимо вспомнить уникальнейшую разработку советских времен – 30-ти кратный трансфокатор 35ОПФ28-1 (рис.13), предназначенный для кинопроизводства, который даже сегодня не имеет аналогов и счастливым обладателем которого является все та же киностудия им. А.Довженко. Он и сейчас, как нельзя лучше подходит к современным цифровым кинокамерам с матрицей S35 или APS-C (необходим только переходник-адаптер с подгонкой рабочего отрезка).

Рис.13. 30-ти кратный трансфокатор 35ОПФ28-1

Основные характеристики трансфокатора 35ОПФ28-1:

· Диапазон фокусных расстояний … от 25 мм до 750 мм

· Максимальное относительное отверстие 1: 5.6 (при f=25…360 мм) и 1: 7.5 (при f=360…750мм)

· Минимальная дистанция наводки на резкость …2, 9 м

· Максимальный диаметр оправы … 190 мм

· Длина … 600 мм (с хвостовиком и байонетным креплением)

· Вес – около 18 кг

Надо отдать должное разработчикам этого трансфокатора, которые более 3-х десятилетий назад предусмотрели встроенный электропривод для дистанционного изменения фокусного расстояния, обеспечивающий плавный «наезд» и «отъезд» с помощью достаточно миниатюрного электродвигателя и выносного пульта (рис.14).

Рис.14. Пульт дистанционного управления

Новейшие разработки объективов с переменным фокусом используют такие прогрессивные технологии, о которых оптики в свое время даже и не мечтали. Сегодняшний ОПФ – это не только оптика и механика, но и оптоэлектроника, цифровая электроника и электромеханика, специальные флюоритовые оптические элементы. Все эти составляющие обеспечивают работу объективов с переменным фокусом в нескольких режимах автофокусировки; построение системы внутренней фокусировки (Inner Focus – IF), при которой передняя линзовая группа всегда остается неподвижной; работу встроенных цифровых сервоприводов, технологию DIGISUPER; работу различных систем оптической стабилизации изображения и др. Известные производители оптики Canon, Fujinon, Angenieux и др. предлагают профессиональным телеоператорам довольно большой выбор длиннофокусных объективов с переменным фокусом. Чтобы представить весь спектр разработок длиннофокусных трансфокаторов и вариообъективов достаточно рассмотреть характеристики самых сверхдлинновокусных моделей.

Одними из самых дорогих и самых длиннофокусных объективов с переменным фокусным расстоянием в линейке для 2/3ʹ ʹ HD камер внестудийного вещания от фирмы Canon сегодня можно назвать DIGISUPER 86 TELE xs (модель XJ86x13.5B IE –D), а от фирмы Fujinon – ХА87Х13.2BЕSM. Отличия у них незначительные: если ОПФ Canon DIGISUPER 86 TELE xs 86-ти кратный и масимальное фокусное расстояние (без использования 2-х кратного экстендера) составляет 1161 мм, то Fujinon ХА87Х13.2BЕSM 87-ми кратный, а его максимальное фокусное расстояние – 1150мм (тоже без использования 2-х кратного экстендера). А при работе с экстендером, который является встроенным элементом в этих моделях, максимальное (как и минимальное) фокусное расстояние возрастает в два раза: соответственно, до 2322 мм и до 2300 мм. При изменении фокусного расстояния в ОПФ одновременно происходит и диафрагмирование: 1: 2.4 при f=13, 5…480 мм, 1: 5.8 при f=1161 мм (без экстендера) и 1: 4.8 при f=27…960 мм, 1: 11.6 при f=2322 мм (с экстендером). Остальные характеристики:

· Минимальное угловое поле изображения при f=2322 мм составляет для SD-кадра 0, 22º × 0, 16º, а для HD-кадра 0, 24º × 0, 13º

· Минимальная дистанция наводки на резкость … 3 м

· Есть встроенный оптический стабилизатор изображения

· Размеры: 250, 6× 255, 6× 618, 4 мм

· Вес: 24, 3 кг

В данной модели нет системы автофокусировки. Но системами автофокусировки оснащены модели DIGISUPER 100AF (максимальное фокусное расстояние с экстендером 1860 мм) и DIGISUPER 86AF (максимальное фокусное расстояние с экстендером 1600 мм – рис. 15). Кроме того, ОПФ DIGISUPER оснащены цифровой системой управления параметрами, включая дистанционное управление как от пульта, совмещенного с ручкой штатива (рис. 16), так и от ПК или ноутбука. В отличие от моделей с аналоговым управлением, эти объективы оснащены 32-битным процессором. Цифровые сервоприводы второго поколения обладают недоступными ранее функциями, позволяют обновлять процессоры при появлении нового программного обеспечения и открывают неограниченные возможности для будущих разработок.

Рис. 15. Canon DIGISUPER 86AF (f_max=1600 мм с 2^× экстендером)

Рис.16. Модуль цифрового дистанционного управления ZDJ-P01

Рис.17. Fujinon XA101x89BESM (f_max=1800 мм с 2^× экстендером)

Существенно меньший вес и габариты имеют ОПФ серии ENG/EFP под матрицу 2/3ʹ ʹ от тех же производителей. Самым длиннофокусным в этом модельном ряду от фирмы Canon явялется объектив HJ40x14B IASD-V (f=14…560 мм – без экстендера и f=28…1120 мм – с экстендером), а от фирмы Fujinon – НА42Х13.5BERD (f=13, 5…570 мм – без экстендера и f=27…1140 мм – с экстендером).

Рис. 18. Canon HJ40x14B IASD-V

Кроме того:

· Минимальная дистанция наводки на резкость … 2, 8 м

· Максимальное относительное отверстие:

- 1: 2.8 при 14…307 мм

- 1: 5.1 при 560 мм

- 1: 5.6 при 28…614 мм

- 1: 10.2 при 1120 мм

· Есть встроенный оптический стабилизатор изображения

· Размеры: 174, 1× 133× 355, 5 мм

· Вес – 5, 45 кг

Чтобы представить изображение каких размеров формирует такой ОПФ на 2/3ʹ ʹ HD-матрице видеокамеры на максимальных фокусных расстояниях выполним несложный расчет. Например, перед нами стоит задача снять человека в полный рост на всю высоту кадра. Известно, что светочувствительная зона 2/3ʹ ʹ HD-матрицы имеет размеры 9, 6× 5, 4 мм. Именно эти размеры и ограничивают максимальный HD кадр. Рост человека примем равным 1, 8 м. Тогда масштаб изображения составит 5, 4: 1800 =1: 333, 33. При максимальном фокусном расстоянии 560 мм для HJ40x14B IASD-V дистанция до человека для выполнения поставленных условий должна быть не более 0, 56× 333, 33=186, 66 м. При работающем экстендере это расстояние увеличивается в два раза – до 373, 32 м. Для того чтобы снять «поясной» план дистанция съемки в последнем случае не должно превышать 170…185 м.

Современные ОПФ позволяют использовать широкий набор различных аксессуаров (насадок), среди которых телеконвертеры и экстендеры, позволяющих увеличивать фокусное расстояние объектива. Причем телеконвертор, представляющий собой афокальну насадку устанавливается перед входной, передней линзой ОПФ. Афокальные насадки, обеспечивающие наилучшее качество изображения, разрабатываются под конкретные модели объективов, хотя возможно применение насадок и других производителей, но при этом необходимо осуществить контроль качества полученного изображения (резкость – разрешающая способность, контрастность, дисторсия). При использовании телеконверторов, необходимо учитывать, что их корректная работа без виньетирования гарантируется обычно в небольшом диапазоне фокусных расстояний ОПФ. Высококачественные афокальные насадки-конверторы чаще всего состоят не из двух, а из гораздо большего количества линз с многослойным просветляющим покрытием.

Относительное отверстие объектива с установленной афокальной насадкой практически не меняется, а минимальное расстояние наводки на резкость увеличивается пропорционально увеличению эквивалентного фокусного расстояния системы объектив-насадка. Необходимо при практическом применении афокальной насадки обращать внимание на то, чтобы диаметр линз конвертера был больше передней линзы объектива, для исключения появления виньетирования изображения. Кроме того, необходимо провести тестовый контроль при максимально открытой диафрагме на различных фокусных расстояниях ОПФ на предмет проверки отсутствия виньетирования и определения реального диапазона фокусных расстояний, который можно использовать с данной насадкой.

С длиннофокусными объективами и ОПФ чаще всего используются экстендеры (мультиплексоры) и практически во всех ОПФ они даже интегрированы в его конструкцию. Если телеконвертер устанавливается перед входной линзой объектива, то экстендер – за выходной, между объективом и камерой. Мультиплексор не может самостоятельно построить никакого изображения, поскольку имеет отрицательную оптическую силу, так как он не собирает лучи, а наоборот – рассеивает. Но если экстендер установить между объективом и камерой (для этого он имеет соответствующие байонетные или резьбовые крепления с обеих сторон) то линзы такого типа телеконвертера " вырежут" центральную часть поля изображения объектива и " растянут" его на весь кадр. В результате получится составной телеобъектив с большим фокусным расстоянием, но при этом светосила станет меньше, чем при использовании этого же объектива без конвертера. Относительное отверстие такого составного телеобъектива падает пропорционально кратности конвертера, то есть объектив 200/2.8 с 1.4-кратным телеконвертером будет иметь характеристики 280/4, а при использовании 2-кратного конвертера – 400/5.6. Минимальное расстояние наводки на резкость при использовании телеконвертера не изменяется. Мультиплескоры решают, в сущности, те же задачи, что и телескопические насадки – они увеличивают переднее фокусное расстояние объектива. Причем, эту функцию они выполняют, как правило, эффективнее телескопических насадок. Маркировка экстендера на ОПФ обычно содержит число кратности in, указывающее во сколько раз экстендер увеличивает переднее фокусное расстояние. Например, при кратности i2 переднее фокусное расстояние удваивается.

Использование длиннофокусной оптики дает возможность не только укрупнения, " приближения" к зрителю удаленных объектов. Эти объективы совершенно по-особенному передают перспективу, " сплющивая" ее и сокращая расстояния между передним и задним планами. С помощью длиннофокусной оптики можно получить наиболее близкое к нашему зрительному восприятию изображение запруженной машинами дороги, теряющейся в дымке тропинку, уходящие вдаль рельсы или ровный ряд фасадов домов. Кроме того такие объективы необходимо применять в тех случаях, когда требуется акцентировать внимание на каких-то небольших деталях и крупных планах объекта съемки, отрезав и размыв до неузнаваемости ненужный задний план.