Свет в море

Внутренность камеры отделена от воды стеклом иллюминатора. Иллюминатор обычно делают плоским, т. е. попадающие в объектив лучи проходят плоскопараллельную стеклянную пластинку, по одну сторону которой находится воздух, а по другую — вода (рис. 59). Такие лучи преломляются дважды: на границе вода — стекло и на границе стекло — воздух. На основании закона преломления можно написать: n_воды ∙ sin φ₁ = n_стекла ∙ sin φ₂ и n_стекла ∙ sin φ₂ = n_{воздуха} ∙ sin φ₃, где n_воды, n_стекла и n_{воздуха} — соответственно показатели преломления воды, стекла и воздуха. Исключив из этих уравнений промежуточную среду — стекло, получим:

где п — относительный показатель преломления воды относительно воздуха. Таким образом, независимо от материала иллюминатора синус угла, под которым луч падает на поверхность иллюминатора из воды, составляет приблизительно лишь 3/4 синуса угла падения луча из воздуха (sin φ₁ = 1/n ∙ sin φ₃ = 0,75 ∙ sin φ₃, так как показатель преломления морской воды относительно воздуха п равен 1,34). Поэтому угловое поле зрения объекта в воде уменьшается. Например, для фотообъектива «Юпитер-12» с углом зрения в воздухе 63° в воде он составит лишь 47°.

Рис. 59. Преломление световых лучей при прохождении через стекло плоского иллюминатора:

φ₁ — угол падения лучей из воды на стекло иллюминатора; φ₂ — угол преломления лучей в стекле; φ₃ — угол, под которым лучи входят внутрь камеры

Преломление световых лучей при переходе из воды внутрь камеры приводит к тому, что в воде все предметы кажутся на 1/4 увеличенными, а расстояние до них на 1/4 короче, чем на самом деле. Такими они представляются ныряльщику в подводных очках (а ведь без них в воде он слеп). Такими же их запечатлеет на фотоснимке объектив через плоский иллюминатор. Определяя расстояние до предмета в воде на глаз, подводный фотограф будет получать резкие снимки, так как и он и фотокамера одинаково ошибаются в расстоянии. При использовании автоматической фотокамеры — объектив следует фокусировать на расстояние, равное 3/4 действительного. Под водой фокусное расстояние объективов как бы увеличивается.

Чтобы уменьшить ослабление водой видимой яркости предмета и размытие его контуров световой дымкой, возникающей благодаря рассеянию, следует снимать подводные объекты с более близкого расстояния. При этом важно иметь достаточно большой угол зрения объектива, с тем чтобы при малых расстояниях до объектива охватить большую площадь. Поэтому при подводной фотосъемке применяют обычно короткофокусные объективы, обладающие широкими углами поля зрения. Их преимущество перед нормальными заключается также в большой глубине резкости, что особенно важно для автоматического фотографирования в толще океана, когда нельзя заранее точно определить расстояние до фотографируемого объекта.

К сожалению, широкоугольный объектив обладает и значительными недостатками. Чем под большим углом падает луч на поверхность стекла, тем сильнее разница в преломлении световых лучей различных длин воли, вследствие чего возникают хроматические аберрации [30].

С возрастанием угла наклона лучей стекло плоского иллюминатора меньше пропускает свет, в результате края готового кадра затемняются.

Как же избавиться от столь вредного в этом случае преломления световых лучей? Наиболее радикальный способ решить проблему — заполнить водой внутренность фотографической камеры, конечно, не обычного фотоаппарата — ведь стеклянная оптика такого объектива не сможет работать в воде. Показатели преломления воды и стекла отличаются слишком незначительно, и на снимке запечатлевалась бы примерно такая же картина, какую видит в воде ныряльщик без подводных очков. Для практического осуществления этой идеи следует воспользоваться наипростейшей камерой-обскурой с просверленной в металлической пластинке дырочкой вместо объектива. Если все пространство между отверстием и светочувствительной пластинкой, заполнить водой, лучи света, попадающие на пластинку, не будут испытывать никакого преломления.

Хотя с помощью такого устройства можно получать вполне удовлетворительные снимки подводного мира, возможности этой примитивной фотокамеры, конечно, сильно ограничены. А нет ли какого-нибудь другого способа избавиться от преломления лучей? Оказывается, есть. Если использовать систему со сферическим иллюминатором и оптический центр объектива поместить в центре сферы, то большинство лучей, попадающих в объектив и создающих изображение предмета на фотопленке, будет падать на иллюминатор перпендикулярно к его сферической поверхности. Такой луч, как известно, проходит через стекло не преломляясь (ведь если угол падения луча равен 0°, то и угол преломления также окажется равным 0°).

Сферический иллюминатор обладает еще одним преимуществом перед плоским — большей механической прочностью, а это особенно важно для съемок на больших глубинах, где сила давления воды на стекло иллюминатора может достигнуть нескольких тонн.

При использовании сферического иллюминатора оптический центр объектива должен находиться точно в центре сферы. Малейшее перемещение объектива относительно иллюминатора вызывает значительные искажения для лучей, падающих под большим углом.

Поскольку смещение объектива предотвратить полностью невозможно (хотя бы вследствие температурных деформаций), нужно искать, способ избавиться от этих искажений. Американский оптик Е. Торндайк предложил использовать для этого корректирующую линзу.

Для уничтожения хроматических аберраций применяют светофильтры, пропускающие лишь участок спектра, близкий к спектральной чувствительности черно-белой пленки.

Широкое распространение получили оптические системы для подводной фотографии, разработанные известным французским гидрооптиком А. А. Ивановым (рис. 60). Насадки, выполненные по его схеме, позволяют добиться хорошего качества изображения по всему кадру при достаточно широком угловом поле зрения системы. Центровка объектива относительно насадки не требует высокой точности и допускает небольшие смещения объектива вдоль оптической оси и в стороны от нее.

Отличные качества в эксплуатации показывают советские фотообъективы для подводной съемки — «Гидроруссары». Несмотря на большое угловое поле зрения этих объективов, при подводных съемках через плоский иллюминатор они практически не дают искажений. Идея оптической схемы принадлежит ленинградскому оптику профессору М. М. Русинову. Суть ее заключается в том, что система вода — плоский иллюминатор служит как бы одной из линз, а сам объектив рассчитан на исправление ее искажений. Большое достоинство схемы — свободное расположение объектива относительно плоскости иллюминатора.

Рис. 60. Оптическая система А. А. Иванова

1 — иллюминатор — отрицательная линза; А' В' — изображение объекта; 2 — компенсирующая положительная линза; 3 — объектив; АБ — фотографируемый подводный объект;

Дальность фотографирования зависит прежде всего от дальности видимости предметов в воде. Последняя, как известно, определяется несколькими факторами: освещенностью предмета, ослаблением водой его видимой яркости, размытием контуров предмета световой дымкой, вызванной рассеянием.

Возможность фотосъемки при естественном освещении сильно ограничена глубиной. В прозрачных водах при ярком солнечном свете глубина, на которой еще проводят фотосъемку, достигает нескольких десятков метров, в мутных водах уже на очень небольшой глубине нельзя определить, где находится освещенная солнцем поверхность моря.