Фото и киноаппараты

Визуальнооптическое наблюдение, использующее такой совершенный оптический прибор, как глаз, является одним из наиболее эффективных способов добывания, прежде всего, информации о видовых признаках. Однако оно не позволяет регистрировать изображение для последующего изучения или документирования результатов наблюдения. Для этих целей применяют фотографирование и киносъемку с помощью фото и киноаппаратов.

Традиционный фотографический аппарат представляет собой оптикомеханический прибор для получения оптического изображения фотографируемого объекта на светочувствительном слое фотоматериала.

Все фотоаппараты состоят из светонепроницаемого корпуса с закрепленным на его передней стенке объективом, устройства для размещения или фиксации (транспортировки) светочувствительного материала, расположенного у задней стенки корпуса, и затвора.

Так как светочувствительный материал обеспечивает получение качественной фотографии при строго дозированной световой энергии, проецируемой на светочувствительный материал, то затвор пропускает в течение определенного времени (времени экспозиции, или выдержки) световой поток от фотографируемого объекта.

Указанные части фотоаппарата являются основными. По мере конструктивного развития фотоаппарат «обрастал» различными узлами и механизмами, которые облегчали и автоматизировали процесс съемки, позволяли расширить возможности применения фотоаппарата, улучшить его технические параметры. Эти узлы и механизмы называют вспомогательными. К ним относятся:

• видоискатель для определения границ поля изображения;

• фокусировочный механизм для совмещения фокальной плоскости объектива с плоскостью расположения светочувствительного материала;

• механизм, транспортирующий фотопленку на один кадр и устанавливающий ее точно против кадрового окна фотоаппарата;

• экспонометрический узел, предназначенный для определения экспозиционных параметров (выдержки и диафрагмы) в соответствии со светочувствительностью используемого фотоматериала и яркостью объекта;

• устройство искусственного освещения объекта съемки (фотовспышка).

Профессиональные фотоаппараты известных фирм (Nicon, Canon, Зенит, KodaK, Olympus, Contax, Pentax и др.) представляют собой сложнейшие оптикоэлектромеханические устройства, автоматически наводящиеся на «резкость» и учитывающие все изменения в освещенности объекта во время фотосъемки.

Размер используемого в них светочувствительных материалов положен в основу условного деления всех фотоаппаратов на несколько групп. По этому признаку (по размерам получаемых негативов) выделяют пять групп: микроформатные, полуформат

Иые (мелкоформатные), мало, средне и крупноформатные.

Фотоаппараты применяют различные типы светочувствительных материалов: фотопластинки, плоские и рулонные фотопленки.

Другим важным признаком классификации является назначение фотоаппарата. По этому признаку они делятся на общие и специальные.

От способов обеспечения резкого изображения на светочувстиитсльном материале (наводки на резкость) зависит конструктивное решение почти всего фотоаппарата. По этому признаку фотоипмараты можно разделить на следующие группы:

• с неподвижным жестко встроенным объективом, сфокусированным на гипе^фокальное расстояние (до передней границы резко изображаемого пространства);

• с наводкой по монокулярному дальномерному устройству, механически связанному с объективом фотоаппарата;

• с наводкой на резкость по изображению на экране фотоаппарата (у так называемых зеркальных, или SLRфотоаппаратов);

• автофокусирующие (с устройством автоматической фокусировки).

Устройства автоматической фокусировки изображения делят ни активные (ультразвуковые, инфракрасные) и пассивные (сканирующие изображение, дальномерные, измеряющие контраст изображения). Исполнительным элементом устройства автофокуса является электродвигатель, который, перемещая объектив вдоль его оси, производит наводку на резкость.

По технической оснащенности фотоаппараты можно разделить на простые, средние и высокие.

По показателям оснащенности фотоаппарата встроенными экспонометрами, а также по степени автоматизации установки экспозиционных параметров фотоаппараты делят на три группы: с ручной установкой, с полуавтоматической и с автоматической установкой экспозиции.

Повышение технической оснащенности расширяет возможности фотоаппаратов, но усложняет возможность их миниатюришции.

Микроформатные фотоаппараты имеют более простую конструкцию и заряжаются узкой пленкой шириной 816 мм. Одна из особенностей ряда ранних микроформатных фотоаппаратов — горизонтальная компоновка аппарата с объективом, утопленным в корпусе. Корпус таких моделей состоит из двух частей, одна из которых подвижная. Перед съемкой фотоаппарат телескопически раздвигается, открывая объектив и видоискатель. Одновременно производится транспортирование пленки и взвод затвора. Таким образом, выдвижная часть корпуса является одновременно защитным кожухом, рычагом взвода и протяжки пленки для следующего кадра («Минокс», «Агфаматик4008», «Киев30»).

Более новые модели имеют традиционную форму. Например, фотоаппарат «МФ1» (Красногорский завод) представляет полуавтомат с пружинным приводом, имеет светосильный объектив с F2.8, размер кадра 18 * 24 мм. Конструкция фотоаппарата предполагает дистанционное управление, а пружинный привод дает возможность работать в любых климатических условиях. Недостаток— относительно большой шум при перемотке. Фотоаппарат «RobotSC Electronic» менее шумный и при небольших габаритах работает с использованием стандартной пленки 35 мм. Для копирования документов наряду с мини и микроформатными фотоаппаратами применяют специальные фотоаппараты. Например, копировальный фотоаппарат РК 320 состоит из зеркального аппарата, откидной стойки, источника освещения из двух ламп по 10 Вт, блока питания от батареи (8 х 1,5 В) и сети 220 В, а также из держателя документа. Устройство позволяет фотографировать документы размером А4А6, размещается в портфеледипломате и весит 3,5 кг.

Возможности добывания информации путем фотографирования определяются как параметрами фотоаппаратов, так характеристиками (спектральным диапазоном, чувствительностью, разрешающей способностью) светочувствительных материалов, на которые проецируется объективом изображение наблюдаемого объекта.

Светочувствительные материалы (фото и кинопленка, фотопластины, фотобумага) представляют собой подложку (прозрачную целлулоидную пленку, стеклянную пластину и плотную бумагу), на которую наносится тонкий слой из смеси желатина и светочувствительных веществ. Этот тонкий, сравнительно твердый и гибкий слой называется эмульсией. В качестве светочувствительных веществ наиболее широко применяются кристаллы галогенида серебра (AgBr, AgCI, AgJ). Галоидное серебро является непосредственным приемником световых лучей. Поэтому от особенностей строения, размеров, количества и пространственного распределения в слое зерен галоидного серебра существенно зависит качество получаемого изображения.

В момент экспонирования под действием квантов света в микрокристаллах галогенида серебра происходит образование металлического серебра, которое осаждается на центрах светочувствительности (центрах скрытого изображения), увеличивая их размер. Таким образом, в результате фотографирования в светочувствительном слое возникает скрытое изображение. Для превращения его в видимое изображение необходима химическая обработка светочувствительного слоя, включающая проявление, фиксирование, промывку и сушку.

При проявлении химические вещества проявителя восстанавливают экспонированные микрокристаллы галогенидов серебра до металлического серебра, в результате чего скрытое изображение становится видимым.

Микрокристаллы, не подвергшиеся действию света, остаются в светочувствительном слое. Для удаления из эмульсионного слоя неэкспонированных и, соответственно, не восстановленных в процессе проявления кристаллов галогенида серебра производится фиксирование, в ходе которого галогенид серебра под действием соответствующих химических веществ превращается в несветочувствительное легко растворимое соединение.

После промывки с целью удаления из светочувствительного слоя продуктов реакции проявления и фиксирования и последующей сушки получается негативное изображение.

В негативном изображении степень почернения его элемента пропорциональна яркости исходного изображения на светочувствительном слое. Для получения позитивного (прямого) изображения необходимо провести позитивный процесс, включающий фотопечать, проявление, фиксирование и сушку. Позитивная фотопечать проводится путем экспонирования фотоматериала через негатив. При проявлении позитивного фотоматериала на нем получается изображение, обратное по яркости изображению негатива.

В настоящее время широко применяется, в особенности из космоса, «многозональная съемка», которая предусматривает одновременное (синхронное) фотографирование одного и того же участка земной поверхности или объекта в различных (обычно 46) узких (0,040,10 мкм) зонах спектра на фотопленки с различными спектральными характеристиками. Информативность многозональных снимков зависит от информативности зон спектра, в которых производят съемку. Но в любом случае она выше, чем чернобелых фотографий.

В современных способах цветной фотосъемки используются многослойные фотоматериалы, имеющие на одной подложке три эмульсионные слоя. Каждый из слоев чувствителен к лучам одного из основных цветов: синего, зеленого и красного. При съемке в каждом из трех эмульсионных слоев образуется скрытое изображение. Фотохимическая обработка цветных материалов сложнее, чем чернобелых, и состоит из следующих операций: проявление, отбеливание, фиксирование, промывка, сушка и ряда промежуточных операций, способствующих повышению качества цветного изображения.

Чувствительность фотоматериалов измеряется в условных единицах ISO (ранее в ед. ГОСТа), в США и многих других странах — в единицах ASA, в Германии — в DINax. Перерасчет единиц светочувствительности, определенных по разным сенситометрическим системам, сложен, так как в каждой системе используются разные критерии светочувствительности. Система ISO практически идентична системе ASA. В единицах DIN чувствительность приблизительно равна увеличенному на 1 десятикратному жачению десятичного логарифма значений светочувствительности в единицах ISO. Например, широко применяемая для бытовой съемки пленка имеет чувствительность 100, 200 и 400 ед. ISO соответствует чувствительности 21, 24 и 27 ед. DIN соответственно. В зависимости от назначения чувствительность фотоматериалов колеблется в широком диапазоне — от единичных значений до тысяч. Фирма «Кодак» выпускает специальную фотопленку, значения чувствительности которой достигают 10 тысяч единиц. Такая пленка позволяет проводить фотосъемку при освещенности, оцениваемой человеком как темнота. Однако она требует специальной обработки за 1012 часов перед фотосъемкой. Разработана монохроматическая пленка переменной чувствительности, величина которой зависит от длительности ее проявления.

Разрешающая способность фотографических материалов, так же как объективов, оценивается числом различимых линий на один мм. Способность фотоматериала раздельно с заданным контрастом воспроизводить мелкие близко расположенные детали изображения определяется его структурными свойствами. Зернистая структура фотографической эмульсии вызывает рассеяние света в слое при экспонировании и ограничивает возможность воспроизведения мелких деталей и резкость изображения. Причем чем выше чувствительность фотоматериала, тем больше зернистость эмульсии. Разрешающая способность фотопленок в зависимости от решаемых задач колеблется в широких пределах: от 80100 лин/мм для любительской фотографии до единиц тысяч лин/ мм для специальной фотосъемки малоподвижных и неподвижных объектов (в голографии, 'астрономии, микроэлектронике, полиграфии). Например, для получения высококачественных топографических изображений разрешающая способность пленок должна составлять около 5000 лин/мм. Разрешающая способность аэрофотопленки представляет собой компромисс между ее чувствительностью и четкостью изображения — 100400 лин/мм. Высокая чувствительность аэрофотопленок необходима для уменьшения влияния так называемого «скоростного смаза», вызванного движением фотоаппарата со скоростью полета самолета относительно объекта съемки. Это явление приводит к размазыванию границ между двумя соседними градациями яркости и снижению в целом четкости изображения. Чем выше чувствительность пленки, тем меньше необходимое время экспонирования (выдержки) и меньше влияние «скоростного смаза».

С начала 90х годов на основе достижений микроэлектроники развивается принципиально новое направление — цифровое фотографирование. Цифровой фотоаппарат представляет собой малогабаритную камеру на ПЗСматрице, электрические сигналы с выхода которой записываются не на магнитную ленту, как в видеокамере, а преобразуются в цифровой вид и запоминаются полупроводниковой памятью фотоаппарата в виде специальных карт (CompastFlash, SmartMedia Card, MultiMedia).

Цифровой электронный фотоаппарат, обладая возможностями классического электромеханического фотоаппарата, предоставляет пользователю дополнительные функции, которые существенно повышают оперативность фотографии. К ним относятся: возможность съемки в непрерывном режиме с частотой 515 кадров/с, запись текстовых и звуковых комментариев, даты и времени фотосъемки, просмотр изображений в процессе и после съемки на поворачивающемся экране (LCDпанели размером 45 см), отображение текущих параметров съемки (числа отснятых кадров, объем свободной памяти, текущий режим компрессии) и др. Предусмотрены различные режимы просмотра кадров и стирание не понравившихся, печатание выбранных на фотопринтере. Цифровой фотоаппарат может иметь стандартный интерфейс для просмотра изображения на экране телевизора, записи на видеомагнитофон или печати на принтере.

Цифровой фотоаппарат также сопрягается с ПЭВМ. Отснятое изображение может отображаться на экране монитора, редактироваться с помощью графических редакторов, выводиться на печать, передаваться по сети.

Разрешение изображения цифрового фотоаппарата определяется разрешением его светоэлектрического преобразователя и составляет миллионы пикселей. Но с увеличением разрешения уменьшается при ограниченном объеме памяти количество кадров фотосъемки. Компромисс между разрешением и количеством кадров достигается введением возможности изменения оператором показателей разрешения запоминаемого кадра. С дополнительной памятью количество отснятых кадров может быть очень большим — сотни и в будущем тысячи.

Разрешение цифровых фотоаппаратов приближается к разрешению фотоаппаратов широкого применения, но уступает разрешению специальных фотопленок. Легко рассчитать, что кадр фотопленки стандартного размера 24 х 36 мм и разрешением 100 лин/мм содержит более 8,5 млн пикселей. Но для фотопленки с разрешением 500 лин/мм количество пикселей кадра возрастает до чрезвычайно большой величины — более 200 млн. Однако отсутствие у цифровых фотоаппаратов необходимости в химической обработке светочувствительных материалов, большая оперативность просмотра изображений в ходе фотосъемки и гибкость редактирования изображений на ПЭВМ делают их привлекательными не только для бытовой фотосъемки, но и для разведки. Учитывая перспективы миниатюризации радиоэлектронных элементов, прежде всего «памяти», и повышения разрешения ПЗС, у цифровых фотоаппаратов большое будущее.

Основными техническими характеристиками фотоаппаратов, влияющими на их возможности по скрытому фотографированию, являются:

• диапазон длин волн, формирующих видимое изображение;

• чувствительность;

• разрешающая способность;

• масса и размеры;

• бесшумность в работе.

Если диапазон длин волн определяется спектральной характеристикой светочувствительного элемента, то разрешение фотоприемника зависит как от разрешения светочувствительного элемента R., так и разрешения объектива Ro. Изза многочисленных погрешностей (аберраций) линзы обеспечить высокое разрешение объектива сложнее, чем светочувствительного элемента. Разрешающая способность типовых объективов любительских фотоаппаратов составляет около 50 лин/мм. Объективы профессиональных фотоаппаратов с более высоким разрешением представляют собой сложные оптические системы, стоимость которых выше, чем стоимость остальной части фотоаппарата. Разрешающая способность пары «объективфотопленка» R определяется по простой форму

Информация о движущихся объектах добывается путем кинои видеосъемки с помощью киноаппаратов и видеокамер. При киносъемке изображение фиксируется на светочувствительной кинопленке, при видеозаписи — на магнитной пленке или в полупроводниковой памяти.

Под киносъемкой понимают процесс фиксации серии последовательных изображений (кадров) объекта наблюдения через заданные промежутки времени, определяемые частотой кадров в секунду. Каждый кадр кинофильма содержит изображение объекта в момент съемки. Число кадров колеблется от единиц кадров в минуту и даже часов для съемки медленно текущих процессов до сотен тысяч в секунду — для сверхскоростной специальной съемки, например для наблюдения электрического разряда или полета пули.

Устройство кинокамеры близко к устройству фотоаппарата с той принципиальной разницей, что в процессе киносъемки пленка скачкообразно продвигается с помощью грейферного механизма перед кинообъективом на один кадр. Закрытие объектива на время продвижения кинопленки осуществляется заслонкой (обтюратором), вращение которой перед объективом синхронизировано с работой грейфера. Киносъемка движущихся людей производится на 8 и 16мм пленку с частотой 16-32 кадра в секунду.