Оптические основы фототехники

Оптические основы фототехники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема: оптические основы фототехники

 

1. Виды  фототехники
2. Физические основы построения сложных оптических систем

А)Понятие линзы(толстой и тонкой)

Б) Оптическая сила(линзы и система линз)

В) Погрешности линз(методы их устранения, просветление оптики)

Г) Расчет сложных оптических систем

Д) Объективы их основные характеристики и виды

      3)Провести  анализ: советские объективы, типы  оптических систем, назначение.

 

 

Прак. Задание

Определить рабочий отрезок  объектива

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды фототехники

 

Камера-обскура

О том, что с помощью света  можно получать изображения, люди знали  давно. Еще за 350 лет до н.э. в трудах древнегреческого мыслителя Аристотеля есть упоминание о том, что свет, проходя через маленькое отверстие в стене затененной комнаты, создает на противоположной стене перевернутое изображение окружающей местности.

Прообразом фотоаппарата явилась  камера-обскура. Во время своих экспериментов  Н. Ньепс для формирования гелио-графического изображения применил усовершенствованную камеру-обскуру в виде 2 ящиков (один из которых перемещался внутри другого, что обеспечивало фокусировку), а также камеру с мехом. Для устранения аберраций фотообъектива Ньепс пользовался ирисовой диафрагмой, состоящей из нескольких серповидных лепестков вокруг оптической оси объектива, связанных кольцом, при повороте которого изменялось световое отверстие.

Первые фотокамеры имели значительные размеры и массу. Например, камера Дагера весила около 50 кг и имела размеры 313Х369Х508 мм. Ф. Талбот, применяя объективы с более коротким фокусным расстоянием, смог изготовить камеры меньших размеров. Одна из его камер с объективом от микроскопа (фокусное расстояние 50,8 мм) имела размеры 63Х63Х63 мм. Фотокамера была снабжена поворотным основанием и храповым механизмом, что обеспечивало возможность её наклона.

Француз А. Селье в 1839 году сконструировал фотокамеру со складывающимся мехом, а также штатив и шаровую головку к нему, светозащитный тент, укладочный ящик, в который помещалось всё снаряжение фотографа. В 1841 году в Германии П. В.Ф. Фойхтлендер изготовил первую металлическую фотокамеру, оснащённую светосильным объективом И. Петцваля.

Конструкция большинства фотоаппаратов  этого периода представляла собой  бокс-камеру, состоявшую из ящика с  тубусом, в который был встроен  объектив (фокусировка производилась  выдвижением объектива), или камеру, состоявшую из 2 ящиков, перемещавшихся один относительно другого (объектив устанавливался на передней стенке одного из ящиков). Дальнейшая эволюция фототехники для  съёмок стимулировалась широким  интересом к фотографии, что привело  к разработке более лёгкого и  транспортабельного фотоаппарата, получившего  название дорожного, а также других фотокамер различных типов и  конструкций.

1.2 Развитие видов  фототехники

Однообъективный зеркальный фотоаппарат  был запатентован англичанином Т. Саттоном в 1861 году. В 1896 году на Российской промышленной выставке демонстрировалась серия аппаратов, представленных И.И. Карповым. По образцу его зеркальной камеры "Рефлекс" впоследствии конструировались аппараты нескольких зарубежных фирм. Двухобъективный зеркальный фотоаппарат изобрели англичане Р. и Дж. Бек. В 1929 году немецкие конструкторы Р. Гейдике и П. Франке разработали зеркальный фотоаппарат "Роллейфлекс", который выпускался в разных модификациях около 60 лет и стал заметным этапом в развитии фотоаппаратостроения (в 1970-е гг. зеркальный аппарат стал ведущим типом фотоаппарата, воплотившим в себе лучшие достижения оптики и микроэлектроники). В 1855 году был запатентован ящичный фотоаппарат, который можно было разместить в женском ридикюле или в сумке врача. Для полиции англичанин Т. Болас в 1881 году разработал два ручных "детективных" фотоаппарата (один из них в форме книги), позволявших получать моментальные снимки. "Детективным" фотоаппаратам придавался вид сумки, бинокля, часов.

В 1890-1950 гг. широкое распространение  получили фотоаппараты, называемые бокс-камерами. Среди них заметное место занимает фотоаппарат "Кодак", положивший начало новому этапу фототехники. Фотоаппарат обеспечивал съёмку 100 кадров на плёнке с бумажной основой. После экспонирования обработка плёнки, печать и перезарядка камеры производились специалистами компании ("фотофинишерами"). В инструкции к камере было сказано: "... Теперь фотография возможна для каждого. Вы нажимаете кнопку, мы делаем остальное".

Появление в 1890-х гг. фотоматериалов с большой светочувствительностью, введение катушечной плёнки со светозащитной  бумагой дало толчок дальнейшему  развитию фототехники, сопровождавшемуся  переходом от сравнительно тяжёлых и громоздких бокс-камер к более лёгким и миниатюрным, карманным складным фотоаппаратам с гофрированным мехом. Наиболее известным и технически совершенным было семейство фотоаппаратов типа "Иконта" (Германия), первый из которых был изготовлен в 1929 году. Поиск новых конструктивных решений и возможностей привёл к созданию стерео - и панорамных фотокамер. Первый опыт стереоскопического фотографирования предпринял Мозер в 1844 году. Принцип действия двухобъективного стереофотоаппарата в 1849 году описал известный английский физик-оптик Д. Брюстер. В 1850 году Милле и в 1852 году Дансер изготавливают фотокамеры для съёмки на дагерротипных пластинках.

Впервые в России стереоскопический  аппарат был разработан И.Ф. Александровским  в 1854 году. Конструктор Д.П. Езучевский создал в 1875 году стереоскопический фотоаппарат, рассчитанный на 12 сухих бромо-желатиновых пластинок размером 17Х8,5 см. Фотокамера была снабжена затвором, позволявшим фотографировать моментально и с выдержкой. Аппарат широко применялся для географических и других научных исследований. На выставке в Париже в 1878 году он был отмечен бронзовой медалью.

В 1912 году американец Дж. Смит изготовил малоформатный фотоаппарат с размером кадра 24Х36 мм на 35-мм киноплёнку. Затем были выпущены камеры такого типа во Франции ("Хомеос-3"), Германии ("Минограф") и др. Однако они не оказали заметного влияния на развитие фотоаппаратуры. В 1913 году О. Барнак - инженер-конструктор немецкой фирмы Э. Лейца - изготовил первый прототип малоформатного фотоаппарата, названный впоследствии "Пра-Лейка". В 1925 году была изготовлена первая партия (1000 шт) малоформатных фотоаппаратов "Лейка-1" с фокальным затвором, выдержками от 1/20 до 1/500 с и объективом "Эльмакс 3,5/50". Благодаря точности изготовления, оригинальной компоновке эта камера открыла новый этап в фотоаппаратостроении и фотографии.

Развитие фототехники привело  к созданию миниатюрных фотоаппаратов (первая разработка-фотокамера "Минокс" В. Заппа, 1935), камер с использованием дисковой фотоплёнки (Д. Дилкс, 1926), фотокамер для технической фотографии в промышленности и науке (семейство аппаратов "Техника" германской фирмы "Линхоф" и аппараты "Синар" швейцарской фирмы).

1.3 Цифровые фотоаппараты

История создания цифровых фотокамер  началась с развитием телевидения  в 1940 - 1950 годах. Тогда только начинали искать пути записи изображений. Первый прорыв был совершен в 1951 году Bing Crosby лабораторией, которой удалось сделать запись электрических импульсов на магнитную ленту. К 1956 году технология работала настолько хорошо, что стала неотъемлемой частью телевизионных технологий. Это, в соединении с развитием компьютеров, и есть начало цифровых технологий.

Следующий большой шаг произошел  в 1960 годах на полигонах НАСА. Прежде, чем на луну отправились астронавты, были сделаны глобальные исследования поверхности луны. Эти исследования показали, что обычный аналоговый сигнал, возвращаясь к земле, настолько  слаб, что невозможно было расшифровать изображения. НАСА придумало технологию зашифровки изображения на компьютере. Данные были обработаны таким образом, что изображение превратилось в  цифровой сигнал, а шум был удален. После этого "холодная война" только ускорила развитие цифровых изображений.

Цифровая фотография - синтетическая  дисциплина, которую в равной степени  можно считать как разновидностью фотографического искусства, так и  одной из периферийных компьютерных технологий. По сравнению с традиционной фотографией ее цифровое дитя очень  молодо - точкой отсчета истории  цифровой фотографии, по-видимому, можно  считать 1969 год - изобретения альтернативы химической фотопленки. Такой альтернативой  стал созданный в Bell Labs новый тип полупроводниковых устройств, получивший название CCD (Charge Coupled Device - прибор с зарядовой связью, ПЗС) и предназначенный для регистрации изображений в цифровой форме. Сегодня ПЗС широко применяются в самых разнообразных устройствах: сканерах, факсимильных аппаратах, цифровых фото - и видеокамерах и даже телескопах, обращенных к самым удаленным галактикам.

Безусловно, успехи в области профессиональной цифровой фототехники быстро экстраполируются и на потребительские устройства, которые становятся все более  мощными, удобными и дешевыми. Прототип потребительской цифровой фотокамеры - первая Mavica с цифровым захватом изображений, но аналоговым методом их записи - был выпущен компанией Sony в 1981 году, когда массовый рынок был еще совсем не готов к принятию новой технологии. До выхода первой потребительской камеры Apple QuickTake 100, имевшей разрешение VGA (640x480), прошло 13 лет. Но затем новые устройства посыпались как из рога изобилия. Переломным в истории цифровой фотографии можно считать 95-й год, когда появились первые потребительские фотоаппараты с разрешением 640х480. Затем началась гонка за снижение цены и приближении качества цифровой фотографии к качеству пленки. В 1995 году появились VGA-камеры Apple QuickTake 150 и Kodak DC40 ценой около 1000 долл., а в конце того же года вышла первая действительно успешная модель - Casio QV100. В 1996 году на рынок пришла компания Olympus, ознаменовав свое появление концепцией комплексного подхода к цифровому фото, основанной на создании локальной пользовательской инфраструктуры: камера + принтер + сканер + персональное хранилище фотоинформации.

Для таких гигантов традиционной оптики и фототехники как Olympus, и последовавшими за ними Fujifilm, Canon и Nikon переход к цифровым технологиям был логичным шагом. У американских же фирм отношения с цифровой фотографией сложились сложные. Еще в 90-х годах Kodak заявила о том, что будущее за цифровой фотографией, однако ее усилия по приближению светлого будущего оказались противоречивыми. В итоге к 2000-му году бизнес цифровой фотографии стал для нее убыточным, Kodak не выдерживала напора японских фирм. Сейчас фирма борется за восстановление лидирующих позиций. Еще больше пострадала другая американская компания - Polaroid.

А гиганты продолжают совершенствовать цифровые камеры. Направлений совершенствования  здесь достаточно много: это и  чисто технические (разрешающая  способность, чувствительность, скорость записи снимка, объем памяти, характеристики оптики), и функциональные. Особое внимание уделяется плавному пересаживанию  на цифру профессиональных и продвинутых  фотографов: для них выпускаются  модели со сменными объективами и  поддерживаются линейки зеркальных фотоаппаратов. Для невзыскательной  публики выпускаются элегантные мыльницы, которые скорее уже напоминают портсигары (например, линейки Casio Exilim или Samsung SCD).

 

     Как они устроены?

Сердцем любого цифрового  фотоаппарата является светочувствительная матрица CCD (Charge Coupled Device, то есть ПЗС — прибор с зарядовой связью). Обычно в камерах используется 1/3-дюймовая CCD, состоящая из элементов, преобразующих световые волны в электрические импульсы (Аналогово-цифровой преобразователь заменяет электрические заряды цифровой информацией). Количество таких элементов колеблется от 350000 в камерах с разрешением 640х480 до 810000 и более в камерах 1024х768.  Сами матрицы не являются новым изобретением — родившись как оборудование для физических экспериментов (в частности в физике высоких энергий), они уже давно используются в видеокамерах.

Как и в обычных фотоаппаратах, качество кадра “цифровиков” во многом определяется качеством объектива. В среднем, камеры любительского уровня (и высокого, и низкого разрешения) комплектуются объективами с фокусным расстоянием около 5 мм. (ЭТО примерно соответствует фокусному расстоянию 35-миллиметровых объективов обычных пленочных камер) и фиксированной диафрагмой (aperture). Некоторые модели обладают объективами с переменным фокусным расстоянием (zoom), но они дороже стоят. Как правило, скорость спуска затвора (выдержка) регулируется автоматически. В общем, любительские цифровые камеры мало отличаются своими объективами от пленочных собратьев, именуемых в народе “мыльницами”. Естественно, на более серьезные, полупрофессиональные аппараты ставят уже вполне приличную оптику с возможностью отключения автоматики и ручной регулировки резкости, диафрагмы и выдержки. Сами понимаете, что с помощью автоматических цифровых фотоаппаратов любительского уровня, оснащенных стандартными короткофокусными объективами с фиксированной диафрагмой, достаточно сложно получить одинаково приличные кадры в меняющихся условиях съемки. Лучше всего эти камеры работают при ярком солнечном освещении, как и обычные “мыльницы”.

У большинства современных  цифровых камер есть небольшие (около 2 дюймов по диагонали) жидкокристаллические дисплеи. Они выполняют две основные функции: просмотр содержимого памяти и дублирование оптического видоискателя. Кстати, наводить камеру на объект гораздо удобнее именно при помощи дисплея. Правда, последний требует достаточно много энергии, и батарейки (или аккумуляторы) быстро садятся. Практически все камеры с дисплеями имеют и довольно развитые экранные меню, при помощи которых осуществляется выбор опций работы с изображением.

       Отснятые  фотографии хранятся во флэш-памяти  камеры. Наиболее привлекательными, с точки зрения пользователя, являются аппараты со сменными Smart Media-картами памяти. Объем этих карт от 2,4 до 8 Мбайт (все одинакового размера), и в один спичечный коробок их влезает штук десять. В среднем на 2 Мбайт Smart Media-карту помещается 4—10 кадров с разрешением 1024х768 или 20—40 кадров с разрешением 640х480 (цифры колеблются в зависимости от степени используемой в камере

компрессии). Фирма Kodak выпускает свой стандарт флэш-карт, которые называются Kodak Picture Card. Они несколько больше по размеру, чем Smart Media, и бывают емкостью 2 и 4 Мбайт. Кодаковские карты несколько прочнее и надежнее, чем обычные, однако другие производители этот стандарт игнорируют.

Большинство камер использует последовательный (СОМ) порт компьютера для передачи изображений. Процесс этот, несмотря на низкую пропускную способность порта, не занимает много времени. Ко многим камерам помимо коммуникационных пакетов прилагаются и TWAIN-драйверы, которые позволяют работать с фотоаппаратами из любых графических пакетов, разрешающих работу со сканерами.