Автор: Георгий ТУДОСИ - Журнал ПОТРЕБИТЕЛЬ. Фототехника и видеокамеры
Фотографическая оптика была известна задолго до изобретения фотографии и использовалась художниками в качестве вспомогательного инструмента для точного изображения пейзажей. Впервые оптическая схема из двух собирающих линз была описана Кеплером (Kepler) в 1611 году, но была забыта и заново изо?бретена Барлоу (Barlow) в 1834 году, а в 1891 году такой объектив был использован Даллмейером (Dallmeyer) в фотографических целях. Следует заметить, что Кеплер не воплощал свою конструкцию «в стекле», но его теоретические изыскания оказали существенное влияние на более поздние разработки.
Исторически основным применением телеобъективов были фотографирование удаленных объектов крупным планом и портретная фотосъемка. В последнем случае длиннофокусная оптика обеспечивает минимальное искажение пропорций лица и хорошее отделение его от фона, который, находясь вне зоны резкости, размывается. Эти два направления актуальны в фотографии и сегодня. Кроме того, телеобъективы позволяют производить множество других интересных видов фотосъемки.
Самый большой телеобъектив для гражданского применения, изготовленный в настоящее время, спроектирован и собран компанией Carl Zeiss. Он имеет фокусное расстояние 1700 мм, максимальное относительное отверстие (диафрагму) F/4 и массу 256 кг (фото 1). Этот объектив выпущен в единственном экземпляре по заказу любителя фотографирования живой природы с больших расстояний, предъявляющего очень высокие требования к качеству изображения.
Оптические схемы телеобъективов
Простейшая конструкция объектива, представляющая собой одну длиннофокусную линзу, обладает рядом недостатков. Самые существенные из них — невысокое качество изображения и очень большие габариты конструкции. Длина такого объектива при фокусировке на бесконечность равна его фокусному расстоянию. Поэтому в настоящее время используется другая оптическая схема, называемая телеобъективом. В простейшем случае телеобъектив состоит из одной собирающей и одной рассеивающей линзы, однако, в целях уменьшения аберраций их обычно заменяют группами линз, изготовленных из стекла с разными оптическими свойствами (рис. А). В современных телеобъективах обычно используются дополнительные группы линз, еще более улучшающие качество изображения и реализующие дополнительные функции, например, стабилизацию изображения, при этом общая идея конструкции остается прежней.
Между группами линз обычно находится диафрагма. Это устройство ограничивает поперечное сечение светового пучка и используется для изменения количества проходящего через объектив света и глубины резко изображаемого пространства. Форма размытия в зоне нерезкости представляет собой изображение отверстия диафрагмы.
С увеличением фокусного расстояния длина телеобъективов быстро увеличивается. Для обеспечения достаточной светосилы линзы приходится делать большого диаметра. В результате увеличивается вес и растет цена объектива. Задача создания компактных сверхдлиннофокусных объективов успешно решена с применением зеркально-линзовой оптической схемы, напоминающей классический телескоп (рис. Б). В такой схеме диафрагма отсутст?вует (ее оптическую роль обычно играет оправа переднего элемента), объектив имеет фиксированную светосилу и относительное отверстие, а размытие изображения вне зоны резкости имеет характерную кольцевидную форму.
 |
 1 Carl Zeiss Apo Sonnar T* 4/1700.
Небольшой темный предмет сбоку — среднеформатная фотокамера Hasselblad 203FE с размером кадра 6x6 см.
|
Механические свойства телеобъективов
Как уже упоминалось, телеобъективы обычно имеют довольно большую длину. Для получения приемлемых значений относительного отверстия, которое влияет на количество проходящего через оптическую систему света, приходится использовать линзы большого диаметра. Все это приводит к тому, что качественный телеобъектив невозможно сделать легким и компактным. При небольших размерах светочувствительного материала (например, в компактных цифровых фотокамерах) это ограничение несущественно, однако, увеличение требуемого размера изображения приводит к пропорциональному росту линейных размеров оптики. Умеренный телеобъектив с истинным фокусным расстоянием 200 мм и светосилой F/2.8 уже нелегко держать в руках длительное время: в такой ситуации лучше использовать штатив или монопод.
 |
2 Луна. Характерный размер объекта съемки — около 3500 км, среднее расстояние до него — около 384000 км. Эквивалентное фокусное расстояние объектива — 850 мм.
|
Кроме того, небольшой угол зрения длиннофокусного объектива приводит к тому, что даже очень небольшой поворот оптической системы приводит к значительному смещению изображения. Если такое смещение происходит во время экспозиции, фотография получается смазанной. Эмпирическая формула, верная для большинства случаев, гласит, что при съемке с рук «безопасная» (в смысле смазывания изображения) выдержка (в секундах) должна быть численно не больше величины, обратной эквивалентному фокусному расстоянию (в миллиметрах). Особо «длинные» объективы не дают выполнить это условие даже при ярком освещении сцены. Для исправления ситуации используются два принципиально различных подхода. Один из них состоит в том, чтобы максимально надежно зафиксировать оптическую систему в пространстве и не допустить ее смещения во время съемки. Для этого используются штативы или моноподы. Реже применяются более дорогие и громоздкие гироскопические платформы, которые беспрепятственно перемещаются в пространстве, но точно сохраняют первоначально заданную ориентацию. Второй способ, называемый оптической стабилизацией, состоит во введении в оптическую систему специального подвижного элемента, компенсирующего смещение изображения в результате дрожания камеры. Этот элемент может быть или одной из линз объектива, или платформой, на которой крепится светочувствительная матрица цифрового фотоаппарата.
Очень крупные объективы весят намного больше, чем камера, на которую они устанавливаются. Поэтому они имеют специальное крепление, обычно в виде хомута с площадкой, для установки системы на штатив. Иногда конструкцией устройства предусматривается также ручка для его переноски. Уже упоминавшийся гигант Carl Zeiss Apo Sonnar T* 4/1700 в силу своих массогабаритных особенностей предназначен для установки на специальную платформу, смонтированную в кузове автомобиля. В таких экстремальных случаях логичнее говорить об установке камеры на объектив, а не наоборот.
Фокусировка светосильных длиннофокусных объективов связана с перемещением массивных линз. Это значительно уменьшает скорость и точность автоматического наведения на резкость и увеличивает энергопотребление. Одно из важнейших направлений современных исследований — улучшение этих параметров. Отчасти по той же причине минимальная дистанция фокусировки быст?ро увеличивается с ростом фокусного расстояния. Путем введения этого ограничения удается сократить ход составных частей в процессе наведения на резкость, а значит, сократить время фокусировки. Некоторые объективы имеют переключатель, позволяющий выбирать диапазон дистанций фокусировки: полный — для съемки близко расположенных объектов или сокращенный — для ускорения процесса.
Для уменьшения длины и массы объективов в них применяют дорогостоящее оптическое стекло с экстремально высоким показателем преломления. Некоторые современные разработки используют с той же целью дифракционную оптику.
Увеличение фокусного расстояния объектива
Бывает, что фокусное расстояние объектива слишком мало для решения конкретной фотографической задачи. В некоторых случаях замена объектива на более длиннофокусный невозможна (например, при использовании компактной камеры с несменной оптикой) или нежелательна (обычно супертелеобъективы весьма недешевы). На помощь придут оптические устройства, называемые телеконвертерами. Их можно разделить на два больших класса: размещаемые между объективом и камерой на манер удлинительных колец и устанавливаемые перед передней линзой объектива.
За увеличение фокусного расстояния оптической системы такими методами приходится платить уменьшением светосилы. 1.4х телеконвертер уменьшает светосилу на одну ступень, 2х — на две. То есть, например, при использовании объектива со светосилой F/2.8 и 2х телеконвертера получается система со светосилой F/5.6. Не слишком много, но вполне приемлемо. Качество изображения при использовании телеконвертеров того же производителя, который выпустил объектив, обычно страдает незначительно, но более дешевую продукцию третьих фирм следует приобретать с известной осторожностью.
 |
3 Синица. Эквивалентное фокусное расстояние объектива — 1000 мм, дистанция около 10 м.
|
Особенности изображения
Фотографирование любого объекта геометрически представляет собой его изо?бражение на плоскости в центральной проекции. Это утверждение верно при использовании любых объективов с исправленной дисторсией. Вся существующая длиннофокусная оптика обладает этим свойством, поэтому другие случаи мы рассматривать не будем.
Размер объекта, изображение которого занимает всю площадь кадра, зависит от размера кадра, фокусного расстояния объектива и расстояния от камеры до объекта. Уменьшая площадь кадра, можно добиться укрупнения масштаба при печати изображения, сохраняя при этом тот же формат бумаги. Поэтому фокусное расстояние объектива само по себе не может быть мерой его широкоугольности. Например, объектив с фокусным расстоянием 50 мм будет нормальным для пленки типа 135, имеющей формат кадра 24х36 мм, широкоугольником для среднего формата 60х45 мм и супертелевиком для цифровой фотокамеры с размером сенсора 8х6 мм. Для упрощения расчетов было введено понятие эквивалентного фокусного расстояния, которое определяется как истинное фокусное расстояние объектива, имеющего тот же угол зрения при диагонали кадра 43 мм, который соответствует получившей наибольшее распространение пленке типа 135.
Объективы с эквивалентным фокусным расстоянием около 40–50 мм называют нормальными, поскольку они дают изображение, похожее на видимое невооруженным глазом (в обоих случаях пространственные соотношения предметов визуально будут одинаковыми). Более короткофокусная оптика называется широкоугольной. В этой статье мы рассматриваем объективы с эквивалентным фокусным расстоянием, которое существенно больше нормального.
В качестве телеоптики можно использовать универсальные объективы с переменным фокусным расстоянием, которые часто устанавливаются в компактных фотоаппаратах с несменной оптикой. Геометрия изображения не зависит от конструкции объектива и определяется только его эквивалентным фокусным расстоянием.
Как бы странно это ни звучало, пространственные соотношения между частями изображения объекта не зависят от фокусного расстояния объектива, с помощью которого производилась съемка. Они определяются только расстоянием от фотоаппарата до объекта съемки. Это утверждение легко доказать с использованием элементарных сведений из геометрии; эту задачу мы предлагаем решить любознательным читателям самостоятельно.
Заметим, что из неизменности пространственных соотношений следует «геометрическая» эквивалентность цифрового и оптического зума. Но на практике использование цифрового увеличения приводит к уменьшению максимальной разрешающей способности изображения. Происходит так потому, что цифровой зум «вырезает» из кадра фрагмент меньшего размера, а значит, использует лишь часть светочувствительных элементов матрицы. Точно такого же эффекта можно добиться, выполняя кадрирование снимка, сделанного без цифрового увеличения в камере.
 |
4 Горнолыжник на склоне. Эквивалентное фокусное расстояние объектива — 300 мм. Быстрое движение объекта не мешает сделать серию кадров, из которых впоследствии можно выбрать наилучший.
|
Глубина резко изображаемого пространства
Как мы уже отмечали на страницах нашего журнала, глубина резко изображаемого пространства (ГРИП) не зависит от фокусного расстояния объектива. Однако гиперфокальное расстояние, равное дистанции фокусировки, при которой глубина резкости максимальна, квадратично зависит от фокусного расстояния1. Чем «длиннее» объектив, тем меньше максимально достижимая ГРИП при том же относительном отверстии. При фокусировке на расстояния, меньшие гиперфокального, глубина резкости еще уменьшается. В зависимости от сюжета и художественного замысла фотографа это обстоятельство может обернуться как достоинством, так и недостатком. Два полюса последствий этого эффекта — портретная съемка и макрофотография.
 |
5 Экстремалы. Эквивалентное фокусное расстояние объектива — 400 мм.
Запечатленный
момент сплава по довольно спокойной реке выглядит очень динамичным и даже опасным.
|
Съемка удаленных объектов
Получение достаточно крупных изображений далеко расположенного объекта позволяет точно передать его форму и выявить мелкие детали, неразличимые на фотографии, где изображение того же объекта занимает незначительную часть площади кадра. Даже весьма крупный объект, расположенный очень далеко, может потребовать мощной телеоптики для съемки с хорошей проработкой деталей (фото 2). То же самое относится и к объектам более «человеческих» размеров, расположенным на значительно меньших расстояниях. Например, фотографировать диких зверей и птиц в естественной среде обитания обычно возможно лишь с довольно большой дистанции (фото 3). Так же лучше поступать со всевозможными опасными явлениями природы — масштабными атмосферными катаклизмами, извержениями вулканов и прочими «прелестями». Красивые фотографии, безусловно, имеют высокую ценность, но жизнь фотографа дороже.
Спортивная и репортажная съемка
Иногда объект съемки быстро движется. Если фотограф находится близко к нему, интервал времени, в течение которого возможно сделать хорошо скомпонованный кадр, не меняя фокусное расстояние оптики и точку съемки, очень невелик. Есть два пути решения этой задачи: использование зум-объективов или длиннофокусной оптики. Трансфокатор спасает лишь частично, поскольку выгодная точка съемки очень быстро движется. При использовании телеобъектива фотографу следует достаточно далеко отойти от объекта съемки. Тогда скорость относительного изменения расстояния до объекта будет небольшой, масштаб будет слабо изменяться в течение длительного промежутка времени, а сам объект будет «убегать из кадра» не слишком быстро (фото 4).
Кроме того, часто бывает невозможно близко подобраться к месту событий, даже если интересующий фотографа процесс не очень динамичен. На пути могут встать как естественные преграды (реки, озера, горы, опасные места или просто обширные пространства), так и искусственные (здания, ограждения, дороги, скопления людей, запрет нахождения на определенной территории). В этом случае единственным разумным выходом будет применение телеобъектива для съемки с большого расстояния (фото 5). Некоторые дополнительные последствия применения длиннофокусной оптики в таких случаях мы рассмотрим ниже.
 |
1 Фрагмент кадра, эквивалентное фокусное расстояние — 2000 мм. Влияние атмосферы не позволяет увеличивать разрешение до бесконечности.
2 Снимок с той же точки, сделанный широкоугольным объективом с эквивалентным фокусным расстоянием 16 мм. Горка кажется гораздо более пологой.
3 Дорога. Вид на мост через р. Москва в сторону Воробьевых гор. Эквивалентное фокусное расстояние объектива — 500 мм. Характерное «сжатие» пространства делает уклон дороги более крутым, а поток автомобилей кажется более плотным, чем в реальности.
|
Портрет
Минимальные геометрические искажения, требуемые при съемке классического портрета, обеспечиваются длиннофокусной оптикой. Фотограф имеет возможность отойти достаточно далеко от портретируемого, а изображение лица или фигуры модели сохраняет естественные пропорции. В то же время телеобъектив позволяет использовать достаточно крупный масш?таб съемки, точно так же, как при съемке удаленных объектов, и портрет может занимать практически всю площадь кадра. Дополнительным преимуществом крупномасштабной съемки является возможность гибкого управления глубиной резкости. Однако о съемке портрета мы уже неоднократно рассказывали на страницах нашего журнала, так что сэкономим немного места для рассказа о других случаях применения телеобъективов.
Телепейзаж
В чем отличие пейзажа, снятого телеобъективом, от пейзажа, снятого широкоугольной оптикой? В первом случае обычно отсутствует передний план. Это обусловлено как композиционными, так и техническими причинами. В частности, глубина резко изображаемого пространства слишком мала, чтобы обеспечить одновременно приемлемую четкость изображения близких и удаленных объектов (если, конечно, сильно размытый передний или задний план не является своеобразной целью фотографа). Масштаб изображения достаточно отдаленных объектов слабо меняется даже при значительном изменении расстояния до них. Из-за этого пространство воспринимается сильно «сжатым» вдоль направления взгляда. Этот эффект можно использовать для подчеркивания некоторых особенностей изображаемого ландшафта. Например, горка, у подножия которой находится фотограф, на снимке с узким углом зрения воспринимается намного более крутой, чем на фотографии, сделанной широкоугольной оптикой. Поток автомобилей и расположение осветительных мачт также представляются зрителю намного более плотными, чем в реальности (фото 6). По этой же причине сплав по реке (фото 5) выглядит еще более экстремальным, чем он есть на самом деле.
Незначительное изменение масштаба при изменении расстояния до камеры, характерное для объектов заднего плана, позволяет создавать необычные пейзажи. Необъятность пространства, передаваемая широкоугольным объективом, полностью отсутствует. Однако если горизонт на фотографии отсутствует или не имеет особенностей, позволяющих оценить масш?таб, зрителя легко ввести в заблуждение. Мы можем оценить величину простран?ства, изображенного на снимке, по перспективе. Но что делать, если ее просто нет в кадре (фото 7)?
Значительно большее влияние на такое изображение оказывает и атмосфера. Любые неоднородности температуры воздуха проявляются в характерных локальных искажениях: на снимках может быть отчетливо видно, как дрожит воздух (фото 6). Дождь, снегопад, туман или дымка кажутся более плотными, поскольку фотограф находится далеко от сцены, и свет, попадающий в объектив камеры, встречает на своем пути больше находящихся в воздухе частиц.
 |
7 Холмы. Эквивалентное фокусное расстояние объектива — 300 мм.
|
Панорамная съемка
Одна из разновидностей панорам представляет собой несколько кадров, «склеенных» между собой. Основные цели такого вида съемки — расширение поля зрения и повышение разрешения изображения. Первая легче достигается использованием широкоугольной оптики, и нас сейчас не интересует. О второй же имеет смысл рассказать подробнее.
Представьте себе, что вы снимаете городской пейзаж с высокой точки, например, с крыши здания. Такое расположение камеры значительно расширяет горизонт и позволяет охватить огромное простран?ство. Теперь представьте, что на фотографии возможно будет прочитать номера автомобилей, припаркованных в нескольких километрах от точки съемки. Фантастика? А ведь такие снимки существуют.
Подобным же образом можно фотографировать масштабные природные пейзажи. Детализация будет столь высокой, что можно будет, например, рассмотреть людей, деревья и даже отдельные листья на противоположном склоне горы. Памятники природы и архитектуры, уникальные и неизбежно разрушающиеся с неумолимым течением времени, могут быть сохранены в мельчайших деталях хотя бы в виде фотографий.
Как такое возможно? В единичных экземплярах существуют цифровые фотокамеры, обладающие разрешающей способностью более миллиарда пикселей. Однако они запредельно дороги и поэтому совершенно недоступны любителям. Но есть и гораздо более дешевый способ получить аналогичный результат: снять панораму с использованием телеобъектива. Склеив вместе множество фрагментов, можно объединить высокое разрешение, обеспечиваемое крупным масштабом съемки, и широкий угол зрения. Особенность таких панорам в том, что для достижения сверхвысокого разрешения обычно необходимо сделать несколько сотен кадров. Пусть вас не пугают эти цифры: если вы хотите по?пробовать эту технологию в действии, нач?ните с панорам, состоящих из нескольких десятков снимков. Их разрешение уже будет достаточным, например, для фотообоев, которые имеют отличную детализацию, будучи напечатанными по размеру стены жилой комнаты.
К сожалению, офсетная печать небольшого формата, доступная нам на страницах журнала, не позволяет передать всю прелесть снимков со сверхвысоким разрешением, поэтому пример соответствующей фотографии мы приводить не будем. Такими съемками занимаются сегодня в основном иностранные фотографы. Мы рекомендуем заинтересовавшимся читателям, владеющим английским языком, поискать в интернете материалы по ключевому слову «gigapixel».
 |
8 Главное здание МГУ имени М. В. Ломоносова, вид из парка Победы. Эквивалентное фокусное расстояние объектива — 200 мм. На врезке — то же здание, снятое с небольшого расстояния широкоугольным объективом.
|
Архитектура
При съемке архитектуры очень важно правильно передать пространственные соотношения между различными фрагментами зданий. Поскольку любое строение, заслуживающее пристального внимания фотографа, имеет довольно большие размеры, при съемке приходится или пользоваться широкоугольным объективом, или удаляться на значительное расстояние. В первом случае дистанция съемки сравнима с характерными размерами здания, а значит, неизбежно возникают сильные перспективные искажения, не позволяющие правильно передать архитектурные формы. При съемке с большого расстояния в кадр могут попасть посторонние объекты, однако, как видно на фото 8, запечатленное таким образом здание выглядит гораздо более естественно, несмотря на то, что в жизни мы обычно смотрим на него с меньшего расстояния.
 |
9 Саранча. Эквивалентное фокусное расстояние объектива — 100 мм. Формально это не макрофотография, поскольку масштаб изображения всего лишь около 1:4. Однако своей цели снимок достигает, поскольку позволяет в деталях рассмотреть мелкий предмет. Для получения более крупного масштаба насекомое пришлось бы обездвижить.
|
Макросъемка
Телеобъективы позволяют вести съемку в довольно крупном масштабе. Чем ближе расположен объект съемки к камере, тем крупнее он получается на фотографии. Естественным ограничением максимально возможного масштаба является минимальная дистанция, на которую способен сфокусироваться объектив. Широко распространенные «телевики» редко позволяют получать «честные» макрофотографии, то есть снимки в масштабе 1:1 или крупнее. Однако во многих случаях возможностей обычного телеобъектива бывает достаточно для реализации замысла фотографа (фото 9).
Если требуется съемка в более крупном масштабе, можно применить удлинительные кольца или мехи, которые вставляются между объективом и камерой, или диоптрийную насадку, которая крепится перед передней линзой. Оба этих способа значительно уменьшают минимальную дистанцию фокусировки. При этом объектив теряет способность фокусироваться на бесконечность, но для макрофотографии это не имеет значения.
Одной из самых главных проблем макрофотографии является невозможность получения большой глубины резкости даже при максимально закрытой диафрагме. Чем крупнее масштаб, тем острее стоит эта проблема. Это хорошо видно на фото 10. Разумеется, сильное диафрагмирование катастрофически уменьшает количество проходящего через объектив света, а значит, требует яркого освещения, высокочувствительного фотоматериала или длинной выдержки. К примеру, при съемке ниток были задействованы четыре студийных импульсных осветителя, расположенные практически вплотную к объекту.
 |
10 Нитки и иголка. Эквивалентное фокусное расстояние объектива — 480 мм.
|
Фото автора, кроме фото 4 — Александр БОЖЕНКО
Сервисный центр "MTechnic" осуществляет профилактику, диагностику, ремонт, замену комплектующих и аксессуаров цифровых и аналоговых фотоаппаратов, объективов и видеокамер марок: Benq, Canon, Casio, Fujifilm, Kodak, Nikon, Olympus, Panasonic, Pentax, Samsung, Sony и других производителей.
Территория охвата: Москва, Зеленоград и Московская область (МО).
Для вашего удобства работает наша курьерская служба (бесплатно), подробнее в разделе "контакты"
