Фотосъёмка под водой
Выбор объектива для подводной фотографии
Для фотографирования под водой исследователь должен не только знать законы распространения света в воде, но и уметь правильно подбирать фотоаппаратуру, пригодную для подводных съемок.
Специфика подводной фотосъемки — загрязненность воды механическими и органическими примесями, слабая освещенность подводных объектов и способность воды селективно поглощать разные по длине волны света — вынуждает применять специальную оптику. Фотографическая оптика — фотообъективы — играет одну из ведущих ролей при получении качественного изображения снимаемого под водой объекта.
Требования, предъявляемые к объективам для подводного фотографирования
В подавляющем большинстве случаев для подводного фотографирования наиболее подходящи короткофокусные объективы, которые имеют достаточно большие углы изображения. Совершенно очевидно, что чем ближе к снимаемому объекту приблизится подводный фотограф, тем меньше между фотокамерой и объектом будет слой воды и тем отчетливее и контрастнее будет изображение. Площадь объекта, попадающая в поле угла изображения объектива, в этом случае для короткофокусных объективов будет наибольшая. Короткофокусные, широкоугольные объективы удобны для подводного фотографирования еще и потому, что они обладают большой глубиной резкости даже при полностью открытой диафрагме. Подводный фотограф может снимать при хорошей четкости изображения предметы, находящиеся в значительном удалении от установленной па объективе дистанции. Заметим, что при подводных съемках с рук пловцу часто приходится снимать из неустойчивого положения. Кроме того,под водой сложно определять расстояние до снимаемых предметов. Поэтому применение объективов с большой глубиной резкости намного упрощает подводную съемку.
Однако короткофокусные объективы обладают и некоторыми отрицательными качествами.
Как правило, широкоугольные объективы имеют высокую разрешающую способность в центре поля — максимальное число линий, которое объектив способен изобразить на 1 мм длины в плоскости изображения— и сравнительно малую разрешающую способность по краям поля изображения. У широкоугольных объективов также наблюдается падение освещенности изображения по краям поля и увеличенная дисторсия — линейные искажения.
Для технических подводных фотосъемок ухудшение качества изображения по краям — явление нежелательное. Для художественных фотосъемок незначительные искажения и размытость изображения по краям допустимы, а иногда даже и желательны. Изображения на таких снимках воспринимаются при визуальном рассматривании более объемно.
Короткофокусные объективы, пригодные для подводной фотосъемки
Из существующих конструкций широкоугольных объективов, выпускаемых отечественной промышленностью, для подводных съемок можно рекомендовать следующие объективы:
1. «Юпитер-12» — короткофокусный светосильный объектив, имеющий угол изображения 63°. Светосила этого объектива — 1: 2,8; фокусное расстояние — 35 мм. «Юпитер-12» придает мягкий характер изображению, резкость которого значительно падает по краям кадра. Из аберраций (Аберрация — дефекты объектива, дающие искажение изображения.) несколько хуже других исправлено линейное искажение по краям кадра, вследствие чего для технических съемок «Юпитер-12» применять не рекомендуется, «Юпитер-12» предназначен для фотокамер с шириной пленки 35 мм и выпускается двух типов: с резьбовым креплением для незеркальных камер типа «Зоркий» и с байонетным замком для камер «Киев».
2. «Орион-15» — широкоугольный объектив, имеющий угол изображения 75°, фокусное расстояние — 28 мм, светосилу — 1:6. «Орион-15» позволяет получать изображения с большой резкостью в центре поля, но с заметным снижением резкости по краям изображения. Кроме того, наблюдается также падение освещенности по краям изображения. «Орион-15», имея короткое фокусное расстояние, обладает достаточно большой глубиной резкости при полном отверстии объектива. Объектив предназначен для фотокамер с шириной пленки 35 мм и выпускается двух типов: с резьбовым креплением для незеркальных камер типа «Зоркий» и с байонетным замком для камер типа «Киев».
3. «Руссар МР-2» — сверхширокоугольный объектив с углом изображения 95°. Фокусное расстояние — 19,5 мм, светосила — 1 : 5,6. «Руссар МР-2» не является универсальным объективом. Изображение, полученное этим объективам, имеет преувеличенную перспективу со значительными искажениями по краям. Большая глубина резкости объектива дает возможность производить фотосъемку и получать резкие изображения при удалении предмета от камеры от двух метров до бесконечности. «Руссар МР-2» предназначен для незеркальных камер типа «Зоркий» и выпускается с резьбовым креплением. Возможность фотосъемок без фокусировки для этого объектива намного упрощает маневрирование подводного фотографа.
4. «Мир-1» — короткофокусный объектив, предназначенный специально для малоформатных камер зеркального типа («Зенит», «Кристалл», «Старт»). Относительное отверстие объектива — 1: 2,8; фокусное расстояние — 37 мм. Конструкция объектива «Мир-1» позволяет применять его в зеркальных камерах и свободно размещать систему зеркальной наводки.
Объектив «Мир-1» имеет угол изображения 60°, очень близкий по величине к углу изображения объектива «Юпитер-12» (63°), но с гораздо более равномерноной по всему полю изображения разрешающей способностью (Разрешающая способность объектива — количество линий, которое может изобразить объектив на 1 мм длины поверхности). Изображение, построенное объективом «Мир-1» — резкое и почти лишено искажений. Оправа объектива имеет кольцо для предварительной установки диафрагмы. Объектив «Мир-1» выпускается с резьбовым креплением для фотокамер «Зенит» и «Кристалл». Для аппарата «Старт» выпущено переходное кольцо, позволяющее кропить объектив в байонетном замке.
«Мир-1» можно считать одним из наиболее подходящих объективов для подводной фотосъемки. Отсутствие «прыгающей» диафрагмы у этого объектива можно компенсировать приспособлением в боксе фотокамеры, позволяющим регулировать диафрагму.
5. Для среднеформатных фотокамер с зеркальным видоискателем типа «Салют» разработан короткофокусный объектив «Мир-3». Этот объектив имеет фокусное расстояние 66 мм при достаточно большом относительном отверстии — 1: 3,5. Угол изображения равен 65°. Размер кадра камера «Салют» — 6X6 см. Наличие прыгающей диафрагмы выгодно отличает этот объектив от описанных выше.
Для подводных съемок лучше всего рекомендовать «Салют» с объективом «Мир-3».
Особенности работы объективов при подводной фотографии
Во время подводных фотосъемок обыкновенные фотокамеры заключаются в специальные изолирующие их от воды коробки — фотобоксы. Оптические системы — объективы фотокамер — дополняются стеклянными иллюминаторами. Стеклянные пластины, выдерживающие статистическую нагрузку воды, герметически уплотняются в корпусах боксов.
Наиболее часто в боксах применяются простые, но дающие сравнительно хорошие результаты иллюминаторы, изготовленные из плоского стекла. Лучи от предмета (рис. 9), попадающие в объектив, проходят в этом случае границу вода — стекло — воздух.
В данном случае преломление лучей на границах вода — стекло и стекло — воздух рассматривается как преломление вода — воздух, преломление лучей в стекле опускается с допустимой для расчетов точностью.
Угол падения i1 — луча света в воздухе связан с углом преломления в воде следующей зависимостью:
n1•sin i1 = n2•sin i2 (10)
где n2 — показатель преломления воды;
n1 — показатель преломления воздуха; i1′ — угол преломления луча света в воде; i1 — угол падения луча света в воздухе.
Показатель преломления n2 для морской воды равен 1,337 при солености 30%о и температуре 20° С. С ростом температуры показатель преломления несколько уменьшается, а с увеличением солености — увеличивается. Для практических расчетов показатель преломления n2 можно принять равным 1,34. Показатель преломления воздуха ni практически равен 1. Из уравнения (10) видно, что угол ii всегда меньше ii, и угол ii’ при пользовании плоским иллюминатором не может быть больше 48°15′.
Легко подсчитать максимальный угол ii ‘max, который будет равняться 48°15’.
При пользовании плоским иллюминатором для наводки на объект в воде практически невозможно получить угол изображения больше 95,5°.
Угол изображения объектива при прохождении лучей света через границу вода — воздух уменьшается приблизительно в n2 раз, т. е. в 1,34. Углы изображения объективов на воздухе и в воде и другие технические характеристики даны в сводной табл. 5.
При рассмотрении предметов через плоско-параллельное стекло иллюминатора видимые расстояния в воде изменяются примерно в n2 раза.
S2 = n2 • S1, (11)
где
S2 — расстояние в воде;
S1 — расстояние на воздухе (шкала объектива).
Видимое изменение расстояния, возникающее при визуальном наблюдении предметов, сохраняется и при рассматривании объекта через фотообъектив. Для объектива, стоящего за плоским иллюминатором, когда имеется граница вода — стекло — воздух, изменение расстояния S2 ведет к кажущемуся увеличению в n2 раз фокусного расстояния. У объектива с фокусным расстоянием f = 37 мм кажущееся фокусное расстояние при подводных съемках будет/= 50 мм.
Поверхность раздела вода — воздух вносит хроматическую аберрацию, плоско-параллельное стекло иллюминатора вводит астигматизм, т. е. создает увеличение аберрации объектива на краю поля изображения.
Самый существенный недостаток обычных объективов, работающих через плоско-параллельное стекло при подводной фотографии,— уменьшение угла изображения и увеличение аберраций на краю поля. Технические же фотосъемки под водой требуют качественного изображения по всему полю снимка. Поэтому для сохранения угла изображения обычных объективов и устранения линейных искажений применяются различные оптические системы.
Так, между плоским иллюминатором и объективом устанавливается коррекционная оптическая система.
Однако сложность изготовления такой оптики, ее громоздкость и неудовлетворительные результаты, полученные с ее помощью, вынуждают оптиков работать над дальнейшим усовершенствованием этой системы.
Более надежный способ устранения аберраций и сохранения угла изображения объектива — применение иллюминатора, имеющего форму коррекционной линзы.
Оптическая система с коррекционным иллюминатором состоит из двух компонентов, выполняющих функцию рассеивающей линзы. Коррекционный иллюминатор, устраняя аберрации, сохраняет поле изображения объектива, его фокусное расстояние и остальные оптические свойства такими же, как при съемке этим объективом на воздухе.
В проблемной лаборатории Ленинградского института точной механики и оптики группой сотрудников под руководством профессора М. М. Русинова рассчитаны коррекционные иллюминаторы для следующих объективов, пригодных для аппаратов с шириной пленки 35 мм:
Все корректирующие схемы применимы к существующим объективам, однако полностью аберрации объективов они не устраняют. Последнее возможно лишь при использовании специальных объективов для подводной фотосъемки.
Подводные объективы «Гидроруссары»
«Гидроруссары» — специальные объективы для подводной съемки. Расчет их оптической схемы ведется из условия компоновки объективов с плоско-параллельным иллюминатором в боксе фотокамеры. Аберрации объективов почти полностью исправлены.
На рис. 10 показан внешний вид объектива «Гидроруссар 3», изготовленного для фотокамеры «Зоркий». Он имеет резьбовое соединение с фотокамерой. Система наводки на резкость у объектива отсутствует, глубина резко изображаемого пространства у него настолько велика, что позволяет производить четкое фотографирование объектов, начиная с 50 см и более. Внешнее кольцо для управления диафрагмой (относительное отверстие 1:4, 1:5,6; 1:8; 1:11) выполнено с шестерней, оно имеет прямой зуб с модулем зацепления т = 1. Диаметр шестерни по начальной окружности — 50 мм. Шестерня может быть использована в боксе как привод для изменения относительного отверстия объектива.
Для фотокамеры «Старт» с зеркальным видоискателем рассчитан и изготовлен специальный объектив для подводной съемок — «Гидроруссар 5». Конструкция объектива «Гидроруссар 5» (рис. 11) позволяет монтировать его в фотокамеры с зеркальными видоискателями. Угол изображения объектива «Гидроруссар 5» на воздухе — 97°; в воде — 2 в = 70°. Система наводки на резкость на объективе отсутствует, глубина резко изображаемого пространства — от 50 см до бесконечности. С помощью его диафрагмы можно регулировать величину относительного отверстия в диапазоне: 1:4; 1 : 5,6; 1:8; 1 : 11. Внешнее кольцо для управления диафрагмой так же, как и у «Гидрорусса-ра 3», имеет шестерню с прямым зубчатым зацеплением.
«Гидроруссар 5» был неоднократно испытан автором в экспедициях и показал в эксплуатации хорошие качества. У объектива значительно исправлены аберрации. Искажения по краям сведены к минимуму, объектив дает равномерную освещенность как в центре кадра, так и по краям.
Применение гидросъемочных объективов намного повышает возможность подводного фотографа. Кроме того, использование высокочувствительной пленки и коррекционных светофильтров позволяет фотографировать в неблагоприятных условиях.
Особенности работы с зеркальными видоискателями при подводной съемке
Практика подводного фотографирования аппаратами с зеркальными видоискателями подтверждает надежность таких систем. Однако подводное фотографирование, как правило, производится при пониженной прозрачности и освещенности в воде. Поэтому весьма желательно пользоваться системами зеркальных видоискателей при полностью открытой диафрагме объектива.
При фотографировании с искусственным освещением и для получения большей глубины резкости, объективы фотоаппаратов, как правило, значительно диафрагмируются. Работа с двухобъективными камерами, у которых объектив видоискателя всегда полностью открыт, в затемненных условиях не представляет труда.
У таких камер объектив зеркального видоискателя и основной съемочный объектив наводятся на фокус одновременно. Матовая поверхность зеркального видоискателя хорошо освещена, поэтому изображение отчетливо видно и может быть отрегулировано достаточно резко.
Однако у зеркальных видоискателей двухобъективных камер имеются и недостатки. К ним, в первую очередь, нужно отнести пространственный параллакс (смещение оптических осей объектива и видоискателя), который вызывается тем, что объектив зеркального видоискателя и основной съемочный объектив расположены на некотором расстоянии друг от друга.
Однообъективные же зеркальные фотокамеры избавлены от параллакса. Кадрирование и фокусирование изображения у них производится через один объектив.
Для более надежной работы однообъективные фотокамеры комплектуются основными объективами с «прыгающими» диафрагмами. В процессе наводки на резкость или кадрирования зеркало видоискателя этих камер опущено вниз, а диафрагма объектива полностью открыта. В момент экспонирования зеркало видоискателя поднимается вверх, освобождая путь для лучей света, идущих через объектив к фотопленке, а диафрагма «прыгает» — закрывается до заранее установленного положения.
Фотокамеры «Старт» и «Салют» комплектуются объективами «Гелиос-44» и «Индустар-29», снабженными «прыгающей» диафрагмой. Однако для подводной фотосъемки «Гелиос-44» имеет недостаточный угол изображения на воздухе, равный 40°.
Аппарат «Старт» может быть использован для подводной съемки с короткофокусным объективом «Мир-1», угол изображения которого на воздухе равен 60°. Однако он не снабжен устройством «прыгающей» диафрагмы.
Устройство для «нажимной» диафрагмы объектива «Мир-1»
Для подводных съемок автором был спроектирован и изготовлен опытный образец устройства «нажимной» диафрагмы объектива «Мир-1». Это устройство монтируется в герметизирующий бокс вместе с аппаратом «Старт». Схема устройства приведена на рис. 12. Фотоаппарат 1 вмонтирован в корпус бокса 2, закрытого крышкой 9.
Во время подводной съемки пловец производит наводку на резкость через объектив с полностью открытой диафрагмой. Для этого он пользуется устройством I, состоящим из винтового колеса 3, насаженного на объектив 6, и винтовой шестерни 4. Чтобы спустить затвор аппарата и отснять кадр, он нажимает рычаг 15. Потянув его на себя, он поворачивает через ось рычаг 13 с развилкой на конце.
Рычаг 13 регулируется по длине и предназначен для управления диафрагмой II и для употребления кнопки спуска затвора 10.
Нижним концом рычаг цепляется за капроновый поводок 16 и при повороте тянет его из кронштейна 17. Поводок через пружину 12 поворачивает хомут 5, жестко посаженный на обойму диафрагмы. Обойма диафрагмы поворачивается против часовой стрелки до определенного значения относительного отверстия (4; 5,6; 8; 11 или 22). Полный ход рычага рассчитан на всю длину поводка до отметки 22, в этом случае пружина 12 не растягивается и работает как жесткое звено. Если фиксатор диафрагмы покажет промежуточное значение, то кольцо 5 остановится около него. Пружина 12, растягиваясь, позволит нажать на кнопку 10 при помощи рычага 13.
Рычаг, под действием пружины скручивания 14, стремится возвратиться в первоначальное положение. Пружина 11, растянутая при экспонировании, меньшей жесткости, чем пружина 12. Она сократится и повернет кольцо 5 в начальное положение. Жесткость пружины 11 рассчитана на преодоление трения в кольцах диафрагмы и натягивание капронового поводка-жилки 16.
Пульсация диафрагмы при экспонировании будет постоянной, она зависит от поворота рычага 15.
Наводка на резкость и кадрирование обеспечены этим устройством при открытом объективе, максимальное значение относительного отверстия которого равно 1 : 2, 8.
Установка нужного значения диафрагмы, зависящего от освещенности, производится под водой. Во время подводной фотосъемки фотограф, попадая из более освещенного участка в менее освещенный, может менять значение относительного отверстия. Для этого необходимо повернуть маховик 8, связанный через ось с конической шестерней. Коническая шестерня сцепляется с зубчатым сектором 7 на фиксируемом кольце диафрагмы. Поворотом маховика 8 перемещают зубчатый сектор 7 до требуемой отметки диафрагмы.
Система привода к диафрагме в боксах для аппарата «Старт» была проверена в нескольких экспедициях группой подводных исследований «Союзморниипроекта». Результаты проверки показали, что подводное фотографирование аппаратами с зеркальными видоискателями намного упрощается при наличии на объективе устройства «прыгающей», или «нажимной» диафрагмы.
