Ultravidvinkelobjektiv

En ultravidvinkellins  är en lins med kort kast vars vinkelfält överstiger 90° diagonalt över ramen och vars brännvidd är kortare än den kortaste sidan av en rektangulär ram [1] . Sålunda, för en liten formatkamera anses alla objektiv med en brännvidd på mindre än 24 mm vara ultravidvinkel, eftersom storleken på en sådan ram är 24 × 36 mm. För en filmkamera i Super 35 - format med en bildvinkel på 4 perforeringar anses alla objektiv kortare än 18 mm vara ultravidvinkel. Supervidvinkelobjektiv kan vara både fasta och zoomobjektiv, om området för brännvidder för den senare ligger inom de nämnda gränserna.

För fotosystem med olika ramformat kan linser med olika brännvidder betraktas som ultravidvinkel:

Klassificering

Det finns två huvudtyper av ultravidvinkellinser: distorsion (mer sällan distorsion) och ortoskopiska [2] [3] . De senare utgör den största gruppen, eftersom de bygger en bild som strikt följer det linjära perspektivets lagar [4] . Raka linjer visas rakt av sådana linser, och formen på föremål behåller en geometrisk likhet . Förvrängande linser kännetecknas av stor okorrigerad distorsion och mycket stora vinkelfält , som når upp till 180° och till och med överskrider denna vinkel [5] . I vardagen kallas sådana linser " fisheye " och skiljer sig från ortoskopiska linser i uttalade förvrängningar. Raka linjer i bilden visas som bågar, och i det "cirkulära fisheye" har hela bilden formen av en cirkel, helt inskriven i en rektangulär eller fyrkantig ram. Förvrängda ultravida vinklar kan användas som ett ljust visuellt verktyg, men de har bara funnit massanvändning i speciella områden, såsom meteorologi eller videoövervakning [2] .

Historisk bakgrund

Den första massproducerade Periscope -linsen , som har ett vinkelfält på 90° tillräckligt för en ultravid vinkel, erhölls 1865 från två enkla monokler av den tyske  optikern Hugo Adolph Steinheil [6 ] . Den symmetriska designen gjorde det möjligt att bli av med distorsion som är oacceptabel för ett vidvinkelobjektiv . Det var först år 1900 som Goerz- företagets ledande optiker ,  Emil von Höegh , lyckades öka vinkelfältet till 135° med hjälp av Hypergon-linsen, designad för fotografering på fotografiska plattor 18 × 24 cm [7] [8] . Dess design liknade de tidigare och bestod av två symmetriskt placerade mycket tunna menisker [9] . Ett enormt synfält uppnåddes på grund av deras ultimata böjning och egenskaperna hos det bästa "Jena" optiska glaset vid den tiden [10] . Det är anmärkningsvärt att förutom distorsion och koma, korrigerades linsen delvis även från astigmatism och fältkrökning [11] .

Den största nackdelen med alla dessa objektiv var den extremt låga bländaren , som inte översteg f/22. Detta störde dock inte applikationen inom arkitektur- och interiörfotografering , för vilken ultravidvinkeloptik i första hand var avsedd: stillbilder kan tas med alla slutartider . Flygets snabba utveckling och spridningen av fotografisk spaning under det första kvartalet av 1900-talet gav den starkaste drivkraften till ytterligare utveckling, vilket ledde till uppkomsten av ultravida vinklar med hög bländare, särskilt efterfrågan på ruttfotografering från låg höjd . 1934 patenterade den tyske optikern Robert Richter "Zeiss Topogon"-linsen, designad för topografisk flygfotografering, vilket återspeglas i namnet [10] . Genom att lägga till ytterligare två symmetriska menisker bringades bländarförhållandet till f / 6,3 med ett synfält på 100 °. Samma år beräknade den sovjetiske optikern Mikhail Rusinov Liar-6-linsen med liknande egenskaper, som blev stamfadern till Russars ultravidvinkelfamilj [ 12] .

Alla dessa linser har designats med maximal ortoskopicitet som krävs inom fotogrammetri och arkitekturfotografering. 1911 beskrev amerikanen Robert Williams Wood i sin bok "Physical Optics" först en ny typ av ultravidvinkel med okorrigerad förvrängning och myntade samtidigt termen "fisköga" och betonade likheten mellan den resulterande bilden och " Snell fönstereffekt observerad av undervattensinvånare på grund av brytningsegenskaper vatten [13] . Den första praktiska designen av en sådan lins beräknades av biokemisten Robin (Robert) Hill och var avsedd för fotografisk inspelning av moln inom hela himlens halvklot [14] [15] . År 1924 tillverkade det brittiska företaget Beck of London den första Hill Sky Lens som kallas "Hill Sky Lens" för inspelningskameran med samma namn [16] [17] . 1932 erhölls tyskt patent nr 620 538 för en mer avancerad Weitwinkelobjektiv fisheye optisk design av AEG . Efter kriget dök förvrängande ultravida linser upp i katalogerna för de flesta optiska företag, som kompletterade andra typer av linser. Förutom linser började produktionen av afokala fästen för konventionell optik, vilket gav liknande förvrängningar och ett halvklotformat synfält [13] .

Tekniska funktioner

Ojämn belysning av bildfältet

Enligt Lamberts formel minskar samtidigt med en ökning av synvinkeln belysningen vid bildfältets kanter [18] . Detta beror på ökningen av skillnaden i strålarnas väglängd till bildens mitt och kanter, och belysningen ändras samtidigt i proportion till fjärde gradens cosinus [19] [20] :

var är belysningen som genereras av strålarna lutad mot den optiska axeln i en vinkel , och är belysningen som genereras av den axiella strålen. Jämlikhet är sant för alla objektiv, men blir avgörande för ultravidvinkeloptik.

Så för en vinkel på 23° (en halv fältvinkel på 46°), vilket är typiskt för de flesta normala objektiv , kommer belysningen i ramens hörn att vara 0,72 av belysningen i mitten. För hälften av den minimala fältvinkeln för den ultravida vinkeln, som är 45°, är den fjärde potensen av cosinus 0,25, vilket motsvarar en fyrfaldig (med två exponeringssteg ) minskning av belysningen utan att ta hänsyn till vinjettering . En ytterligare ökning av fältvinkeln leder till ännu starkare mörkare. Till exempel leder en utvidgning av synfältet med endast 10° till en minskning av belysningen vid ramens kanter till 0,17 från dess mitt. För att kompensera för skuggningen av bildens kanter vid tidig fotografering användes olika mekaniska shaders, vilket på konstgjord väg minskade belysningen i mitten av ramen [18] . Ibland var det nödvändigt att till och med ta till sådana knep som att installera en roterande stjärnformad nyans med en pneumatisk drivning i mitten av den främre linsen [9] [21] [10] .

Den tyske designern Adolf Mite löste problemet med ett gradientljusfilter limmat från en tonad plankonvex lins och en transparent plankonkav lins [22] . Senare började en genomskinlig metallbeläggning appliceras på en av objektivlinserna [23] . Belysningsfall var nästan oundvikligt i symmetriska ultravidvinkelobjektiv som var lämpliga för montering på icke-reflexkamerautrustning, såsom avståndsmätare eller långdistanskameror [19] . Noggrant urval av linser, med hänsyn till aberrationsvinjettering, gjorde det möjligt att minska graden av cosinus till 3 (" Russar ") [24] , och i de bästa designerna till 2,5 ("Zeiss Hologon"), men enhetligheten hos exponeringen från ultravidvinkellinser var fortfarande otillfredsställande [25] .

Tillkomsten av optik av retrofokustyp , designad för enlinsreflexkameror och biokameror med en spegelobturator , gjorde det möjligt att delvis lösa problemet med cosinuslagen . Den långsträckta bakre delen av sådana linser minskar deras bildfältsvinkel , vilket minskar skillnaden mellan banorna för de axiella och kantstrålarna till de värden som är typiska för normala linser. Förvrängande fisheye-linser byggdes ursprungligen enligt ett retrofokusschema, och därför var ojämn belysning över fältet okaraktäristisk för dem. Enhetlig belysning och minimal vinjettering uppnås i de senaste ultravida vinklarna på grund av delvis eller fullständig telecentricitet i bildrymden [26] .

Avvikelser

Ett lika allvarligt problem i konstruktionen av ultravidvinkellinser är aberrationer , som ökar kraftigt när strålarna avviker från den optiska axeln. Astigmatism och kromatisk aberration ökar särskilt kraftigt . Distorsion korrigerades nästan helt redan i de allra första designerna på grund av deras symmetri [27] . Införandet av datorer för beräkning av optiska scheman, liksom spridningen och försämringen av asfäriska linser , gjorde det möjligt att föra bildkvaliteten hos ultravidvinkellinser närmare alla andra typer av optik.

Förvrängningar

Både ortoskopiska och förvrängande ultravidvinkellinser ändrar formen på de visade objekten, eftersom varje projektion av en sfärisk vy på ett plan oundvikligen leder till förvrängningar [28] . Med små synfält är de knappt märkbara, utan börjar dyka upp med en ökning av betraktningsvinkeln [29] . Förvrängande linser ger den mest levande bilden av distorsion, motsvarande azimutala , ortografiska eller stereografiska projektioner , beroende på den optiska designen och mängden distorsion [30] .

Raka linjer som inte korsar den optiska axeln visas som kurvor, vars krökningsgrad ökar när du rör dig mot kanten av ramen. Horisonten omvandlas till en båge, vars konvexitet är riktad i motsatt riktning mot den optiska axelns avvikelse från horisontalplanet [31] . Objekt som ligger vid synfältets kanter komprimeras med en intensitet som beror på den implementerade projektionen: komprimeringen är mest uttalad i ortografin, och minst märkbar i stereografiken [30] . Varje scen som tas med ett sådant objektiv får en viss konventionalitet, som kan vara mycket uttrycksfull, men är oacceptabel som ett permanent visuellt medium.

Förvrängningarna som introduceras av ortoskopiska linser är mindre iögonfallande, men inte mindre signifikanta, motsvarande den gnomoniska projektionen . Vid små synfältsvinklar är dessa förvrängningar praktiskt taget omärkliga och uppträder endast i ultravidvinkellinser med en stor lutning av sidostrålarna i objektutrymmet. I det begränsade fallet när man närmar sig synfältets kanter på 180°, tenderar bildytan av objekt med ändliga dimensioner till oändlighet [32] . Därför, även i frånvaro av distorsion, sträcker all ortoskopisk optik objekten som skjuts när de rör sig bort från mitten av ramen på grund av sned projektion. Som ett resultat ser samma föremål vid kanterna av ramen mer utsträckt ut än i mitten. I de flesta plotter är detta nästan omärkligt, men det visar sig på föremål vars form är igenkännlig eller känd. Ett mänskligt ansikte som fångas på kanten av en ultravidvinkelram sträcks brett ut och ibland skevt mot bildens hörn. Av denna anledning är ultravidvinkelobjektiv praktiskt taget olämpliga för porträtt- och gruppfotografering [33] .

Det ofrånkomliga med sådana förvrängningar vid stora vinklade fält på 1950-talet ledde till skapandet av panoramafilm , där ett brett synfält är uppdelat i tre delar, inspelade av tre linser roterade till lämplig vinkel [34] . Bilden som erhålls på detta sätt återskapas sedan av tre projektorer på en kraftigt böjd skärm med cylindrisk profil. Men panoramabiosystem visade sig vara för komplexa och olämpliga för iscensatt bio, vilket gav plats för widescreen- och widescreen - system . I kinematografi och tv är förvrängningen av ultravidvinkeloptik särskilt märkbar vid panorering , och samtidigt ser det ut som ett onaturligt "flöde" av rymden från en kant av ramen till den andra, som saktar ner i dess mitt . Av denna anledning är det att föredra att använda sådana objektiv när kameran står stilla. Samtidigt, i en rörlig bild, betonar ultravidvinkeln närmandet eller borttagandet av tecken som är mindre märkbara med andra linser [35] [36] .

Användningsegenskaper

Ortoskopiska ultravidvinkellinser ger samma bild som linser med andra brännvidder. Huvudskillnaden ligger i den betonade perspektivsammandragningen, som förklaras av en onaturligt stor betraktningsvinkel när man tittar på den färdiga bilden från ett normalt avstånd [37] .

Oavsett typ har alla ultravidvinkelobjektiv ett mycket stort skärpedjup , vilket kräver liten eller ingen exakt fokusering. Detta gör det möjligt att använda en meterskala eller en enkel inställning för hyperfokalavstånd . De flesta tidiga fisheye-linser hade ingen fokusmekanism alls, och de kom i " fix focus "-ramar. En annan fördel med ultravidvinkelobjektiv är deras låga känslighet för skakning, vilket gör det möjligt att spela in rörlig video även utan optiska stabilisatorer eller enheter som Steadicams . Mindre vinkelrörelser hos kameran är nästan omärkliga vid så stora betraktningsvinklar. Det möjliggör också relativt långa slutartider när du fotograferar utan stativ i svagt ljus.

Ljuskällor i ramen

Med ett stort vinkelfält, speciellt brett för fisheye-objektiv, är det nästan omöjligt att skapa ett effektivt motljusskydd . Därför är det mycket svårt att undvika att ljuskällor kommer in i ramen, vilket ger oönskade fläckar på bilden [38] . Detta kan undvikas genom att välja lämpliga skjutpunkter, och i vissa fall kan bländning användas som en bildteknik. De flesta ultravidvinkelobjektiv har ett motljusskydd som inte är avtagbart, som en del av ramen.

Filter

En annan egenskap hos ultravidvinkellinser av alla typer är omöjligheten att installera filter , inklusive skyddande, framför frontlinsen. I de flesta utföranden har den en sådan krökning och diameter att filterramen oundvikligen skulle falla in i synfältet. Därför är både " fixar " och " zoomningar " av dessa intervall utformade för användning av ljusfilter installerade på den bakre linsen med liten diameter. I vissa fall, för att bibehålla de nödvändiga optiska egenskaperna, tillhandahålls en vanlig plan-parallell platta i en lämplig ram bakom den sista komponenten. Att ersätta det med ett ljusfilter av samma tjocklek leder inte till en förändring i det bakre segmentet, samtidigt som linsens optiska egenskaper bibehålls. Men gelatinfilter på ett tunt substrat används oftare, för skärning där en metallmall medföljer i linssatsen. När du använder polariserande eller gradientfilter med ultravidvinkeloptik, bör man komma ihåg att polariserat ljus endast upptar den del av himlen där det inte finns någon sol, så en oönskad gradient kan uppstå, som ser ut som exponeringsojämnheter i bild [38] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Sovjetiskt foto, 1988 , sid. 42.
  2. ↑ 1 2 Fotografisk optik, 1978 , sid. 329.
  3. ↑ Utbildningsbok om fotografi, 1976 , sid. 44.
  4. ↑ Photokinotechnics, 1981 , sid. 421.
  5. ↑ Theory of Optical Systems, 1992 , sid. 268.
  6. ↑ Foto&video, 2004 , sid. 69.
  7. ↑ Sammansättning av optiska system, 1989 , sid. 9.
  8. ↑ Sovjetiskt foto, 1966 , sid. 47.
  9. ↑ 1 2 Praktisk fotografi, 1905 , sid. 26.
  10. ↑ 1 2 3 Marco Cavina. La storia definitiva dei super-grandangolari simmetrici  (italienska) . Memorie di luce & memorie del tempo (24 september 2007). Hämtad 7 september 2019. Arkiverad från originalet 20 september 2019.
  11. ↑ Beräkning av optiska system, 1975 , sid. 233.
  12. ↑ Rusinov, Mikhail Mikhailovich . Geodesins historia (25 november 2014). Hämtad 7 september 2019. Arkiverad från originalet 29 augusti 2019.
  13. ↑ 12 Michel Thoby . Fisheye lins historia . Om panografi. Hämtad 7 september 2019. Arkiverad från originalet 7 juni 2017.  
  14. ↑ Beräkning av optiska system, 1975 , sid. 278.
  15. ↑ Vladimir Rodionov. Fiskögon och kompaktkameror . iXBT.com (25 september 2008). Hämtad 21 april 2020. Arkiverad från originalet 4 januari 2018.
  16. ↑ Den fotografiska linsens historia, 1989 , sid. 146.
  17. ↑ Vladimir Rodionov. Panasonic Lumix DMC-GF1 . Bild i siffror . iXBT.com (22 januari 2010). Hämtad 26 augusti 2013. Arkiverad från originalet 25 september 2013.
  18. ↑ 1 2 Beräkning av optiska system, 1975 , sid. 431.
  19. ↑ 1 2 Fotografisk optik, 1978 , sid. 78.
  20. ↑ Cameraman's Handbook, 1979 , sid. 154.
  21. ↑ B. P. Bakst. Den absoluta visionens genetik . Photomaster DCS. Hämtad 16 april 2020. Arkiverad från originalet 19 mars 2020.
  22. ↑ Praktisk fotografi, 1905 , sid. tjugo.
  23. ↑ Utbildningsbok om fotografi, 1976 , sid. 41.
  24. ↑ Sammansättning av optiska system, 1989 , sid. 248.
  25. ↑ Fotografisk optik, 1978 , sid. 372.
  26. ↑ Handledning för telecentriska linser  . Opto Engineering. Hämtad 13 december 2018. Arkiverad från originalet 15 april 2019.
  27. ↑ Utbildningsbok om fotografi, 1976 , sid. 23.
  28. ↑ Illusioner av hjärnan. Kartprojektioner . Habr (15 november 2016). Hämtad 7 september 2019. Arkiverad från originalet 8 november 2020.
  29. ↑ Panoramabildprojektioner . Cambridge i färg. Hämtad 7 september 2019. Arkiverad från originalet 2 april 2019.
  30. ↑ 1 2 Thoby, Michel. Om de olika projektionerna av de fotografiska objektivlinserna (6 november 2012). Hämtad 6 november 2018. Arkiverad från originalet 1 augusti 2018.
  31. ↑ Arsen Alaberdov. En fisheye-vy av världen . Foto himmel. Hämtad 31 augusti 2020. Arkiverad från originalet 23 mars 2022.
  32. ↑ Sammansättning av optiska system, 1989 , sid. 255.
  33. ↑ Fotografera människor med ett vidvinkelobjektiv . LiveJournal (8 maj 2011). Hämtad 24 mars 2019. Arkiverad från originalet 24 mars 2019.
  34. ↑ Grundläggande om filmproduktion, 1975 , sid. 34.
  35. ↑ The Movie Lover 's Reference Book, 1977 , sid. 26.
  36. ↑ Fundamentals of film technology, 1965 , sid. 62.
  37. ↑ Photokinotechnics, 1981 , sid. 237.
  38. ↑ 1 2 FOTOGRAFERING MED EN VIDVINKELINS: OPTISKA EGENSKAPER OCH APPLIKATIONER . Fotoskolan "Genesis" (16 februari 2012). Hämtad 24 mars 2019. Arkiverad från originalet 24 mars 2019.

Litteratur

Länkar

 Typer av film och fotolinser
Linser
Omvandlare
se även