Характеристики объективов, определяющие масштаб изображения и границы изображаемого пространства

Масштаб получаемого изображения - это соотношение размеров снима­емого объекта и его изображения [9]. Он равен отношению фокусного расстояния объектива к дистанции съемки (расстоянию между объективом кинокамеры и объектом киносъемки).

Фокусным расстоянием объектива называется расстояние от главной плоскости объектива до соответствующего фокуса.

Фокусом называется точка, в которой пересекаются после преломления все лучи, падающие на объектив параллельно оптической оси. Если параллельный пучок лучей идет из пространства предметов и образует фокус в пространстве изображений, то такой фокус называется задним. Если, наоборот, пучок из пространства изображений собирается в пространстве предметов, то такой фокус называется передним. В оптике принято считать, что световые лучи идут слева направо, то есть слева находится пространство предметов, а справа - пространство изображений.

Использование понятий «передняя и задняя главные плоскости объектива» позволяет упростить расчет хода лучей через оптическую систему. В промежутке между передней (в пространстве предметов) и задней (в пространстве изображений) плоскостями все оптические лучи параллельны оптической оси.

Фокусное расстояние от передней главной плоскости до переднего фокуса называется передним фокусным расстоянием. Так как по определению оно отсчитывается слева направо (против обычного хода лучей в оптике), его считают отрицательным. Фокусное расстояние от задней главной плоскости до заднего фокуса называется задним фокусным расстоянием. Оно отсчитывается справа налево (по ходу лучей в оптике) и является положительным. В технических характеристиках кино- и видеообъективов указывается заднее фокусное расстояние. Если показатели преломления среды в пространстве объектов и в пространстве изображений одинаковы, например, воздух при обычной видеосъемке, то заднее и переднее фокусные расстояния равны между собой. Если оптические среды до и после объектива имеют разные показатели преломления, например, вода и воздух, то абсолютные значения фокусных расстояний (переднего и заднего) обратно пропорциональны соответствующим показателям преломления [10].

При одном и том же расстоянии до снимаемого объекта объективы с разным фокусным расстоянием обеспечивают разный масштаб съёмки и по-разному передают глубину пространства. В зависимости от этих параметров их делят на 3 группы: нормальные, короткофокусные и длиннофокусные. Границы между этими тремя группами определяются соотношением фокусного расстояния и диагонали кадра. Диагональ кадра в цифровых видеокамерах равна диагонали матрицы. Это значение указано в паспорте видеокамеры, как правило, в дюймах, необходимо перевести его в миллиметры, умножив его на коэффициент 25,4.

Нормальным считается объектив, у которого фокусное расстоя­ние равно удвоенной диагонали кадра. В [9] указано, что нормальные объективы дают изображения с естественной, неиска­женной перспективой, ими часто снимают средние планы, а при съемке нормальным объективом крупных планов появляются искажения, обусловленные нарушением пропорций деталей объекта съемки, находящихся на разном расстоянии от кинокамеры (например, непропорцио­нальное увеличение протянутой к аппарату руки актера).

Длиннофокусные объективы, у которых фокусное расстояние больше удвоенной диагонали кадра, сокращают глубину снимаемого пространства. Все предметы кажутся сплюснутыми по глубине. Скорость движения вглубь кадра и обратно замедляется. В [11] приведены формулы, позволяющие рассчитать, насколько изменяется при восприятии темп движения вдоль оптической оси объектива, в зависимости от фокусного расстояния объектива и других параметров.

Увеличение фокусного расстояния объектива уменьшает глубину резко изображаемого пространства. Глубина резко изображаемого пространства - это расстояние вдоль оптической оси объектива между двумя плоскостями в пространстве предметов, в пределах которого предметы изображаются на светочувствительном слое фотоматериала достаточно резко [10]. Таким образом, фокусное расстояние влияет на резкость в изображении самых близких и самых далеких предметов в кадре.

На рис.2.3.1 представлена фотография, где из-за малой глубины резко изображаемого пространства верхняя и нижняя часть наклонного пня с грибами получились не резко, а центральная часть пня, по которой осуществлялась наводка на резкость, имеет хорошее качество по резкости.

Рисунок 2.3.1. Фотография объекта с малой глубиной резко изображаемого пространства.

Нестабильность положения видеокамеры при использовании длиннофокусных объективов вызывает значительное смещение изображения на светочувствительной матрице. Это может привести к нерезкости изображения на кадре, а при определённом сочетании частот колебаний камеры и съёмки - и к неустойчивости («тряске») изображения при воспроизведении. Поэтому необходимо осуществлять стабилизацию посредством штативов либо использовать стабилизационные возможности видеокамеры или специальной насадки на объектив.

Масштаб при съёмке длиннофокусными объективами максимален, т.е. снимаемые предметы на светочувствительном носителе получаются максимально крупными. Длиннофокусными объек­тивами обычно снимают крупные планы [9].

У короткофокусных объективов фокусное расстояние меньше удвоенной диагонали кадра. Их также называют широкоугольными, так как угловой охват снимаемого пространства у них больше, чем у нормаль­ных. Масштаб при съёмке короткофокусными объективами минимален, и снимаемые предметы на светочувствительном носителе получаются мелкими. С другой стороны, эти объективы увеличивают глубину пространства, поэтому небольшие предметы на заднем фоне воспринимаются зрителем крупнее, чем они были на самом деле. Короткофокусные объективы имеют большую глубину резко изображаемого пространства. При их использовании темп движения вглубь кадра и обратно воспринимается на экране увеличенным. Широкоугольные объективы позволяют осуществлять съемку с малых дистанций, поэтому могут использоваться в тесных помещениях [9].

Недостаток короткофокусных объективов - зна­чительные геометрические искажения, проявляющиеся как искривление прямолинейных контуров в изображении (дисторсия), при панорамировании искривляются вертикальные линии по краям кадра [9].

Иногда дисторсия используется как художественный эффект. Широкоугольные объективы с намеренно неисправленной бочкообразной дисторсией называются «рыбий глаз». Оптическая схема объектива типа МС Зенитар-М типа «рыбий глаз» представлена на рис.2.3.2, приведенном в [12].

Рисунок 2.3.2. Оптическая схема объектива типа «рыбий глаз».

В настоящее время для видеосъемки преимущественно используют объективы с переменным фокусным расстоянием. Отношение максимального фокусного расстояния к минимальному (так называемый «оптический зум») может достигать 80 при применении конвертера – специальной оптической насадки, увеличивающей фокусное расстояние объектива. Конвертер, как правило, увеличивает фокусное расстояние в 1,4 - 2 раза и во столько же уменьшает относительное отверстие объектива. В некоторых моделях видеокамер регулируется скорость изменения фокусного расстояния.

Анализ соотношений диагонали матрицы и диапазона фокусных расстояний свидетельствует, что в основном объективы с переменным фокусным расстоянием в камере работают как длиннофокусные со всеми присущими этой группе достоинствами и недостатками.

Так как положение главных плоскостей объектива относительно оправы или поверхности крайних линз приводится только в практически недоступных операторам и другим пользователям оптических схемах объектива, то определить при необходимости положение фокуса возможно по заднему вершинному фокусному расстоянию. Указанный параметр вместе с рабочим отрезком и торцовым расстоянием определяют положение объектива относительно корпуса видеокамеры и соответственно относительно светочувствительной матрицы, а также возможность при замене «штатного» объектива другим осуществлять автофокусировку.

Заднее вершинное фокусное расстояние (задний отрезок) – это расстояние от "вершины", т.е. точки пересечения главной оптической оси с внешней поверхностью задней линзы объектива, до заднего главного фокуса [10]. Обычно задний отрезок меньше главного фокусного расстояния. Объективы с одинаковым фокусным расстоянием могут иметь разные задние отрезки, что необходимо учитывать при комплектации видеокамеры набором объективов.

Рабочий отрезок ( рабочее расстояние объектива) - это расстояние от опорной плоскости торцевой части оправы объектива до главной фокальной плоскости [10], показан на рис. 2.3.3 как Lраб. Главной фокальной плоскостью называется плоскость, перпендикулярная оптической оси, где у идеальной оптической системы располагаются главный и все остальные фокусы – точки пересечения преломленных объективом параллельных лучей.

Рабочий отрезок объектива определяет положение плоскости светочувствительной матрицы. Для сменных объективов его численное значение приводится в паспорте. Важным параметром с точки рения взаимозаменяемости является также торцовое расстояние - минимальное расстояние от заднего торца оправы объектива до его заднего фокуса [10].

Рисунок 2.3.3. Рабочий отрезок объектива

Соотношение фокусного расстояния объектива и диагонали матрицы влияют не только на возможный диапазон масштабов съёмки, но и определяют углы поля зрения объектива.

Углы поля зрения определяют угловой охват снимаемого простран­ства, изображаемого в пределах кадра и ограниченного внутри картинной плоскости на рис. 2.3.4, приведенном в [9]. Если углы поля зрения являются угловыми границами в пространстве предметов (левая относительно объектива область на рис. 2.3.4), то углы поля изображения определяют угловой охват в пространстве изображений (правая относительно объектива область на рис. 2.3.4). Если показатели преломления сред в пространствах предметов и изображений одинаковы, например, «воздух-воздух», то углы в обоих пространствах равны. Различают диагональный 2 ω', горизонтальный 2 ω_г и вертикальный 2 ω_в углы поля зрения и поля изображения (см. рис.2.3.4).

У многих объективов диаметр поля изображения больше диагонали кадра и, следовательно, используе­мый угол поля изображения меньше предельно допустимого [11]. При фокусировке объектива на бесконечность значение угла поля изображения может быть определено по формуле:

tg ω= l /2f ', (2.3.1)

где ω — половина угла поля изображения по диагонали, горизонтали или вертикали, l — диагональ, ширина или высота кадра; f ' — фокусное расстояние объектива.

Рисунок 2.3.4. Углы поля зрения и поля изображения.

Этой формулой можно пользоваться для расстояний, присущих обычной видеосъёмке, так как дистанция съёмки считается бесконечно большой по сравнению с фокусным расстоянием объектива. Исключе­нием являются макросъемки, где дистанции соизме­римы с фокусным расстоянием. Для таких случаев в [13] предлагается формула (2.3.2), учиты­вающая дополнительное выдвижение объектива:

tg ω= l /2(f '+ х') (2.3.2)

где х' — дополнительное выдвижение объектива для данной дистанции съемки.

В случае использования декораций в художественной съемке угол поля зрения для съемки определённого плана необходимо знать заранее, чтобы изготовить декорации необходимого размера.