Стереоскопические фотоустановки конструкции Зенкевича, успешно использовавшиеся в экспедициях Института океанологии, дали весьма ценный материал морским геологам и биологам.
Рис. 56. Фотография океанского дна на глубине 1335 м (снимок сделан в рейсе «Витязя» в 1957 г.)
Рис. 57. Преломление световых лучей при переходе через поверхность заметно искажает пропорции подводных объектов
Если открыть любую книгу, посвященную фото- и киносъемке под водой или подводному телевидению, мы обязательно обнаружим главу, в которой рассказывается об оптических свойствах водной среды и законах распространения света в воде.
Умение разобраться в особенностях прохождения света через морскую поверхность и его распространения в толще моря оказывается совершенно необходимым как при съемке объектов через поверхность моря, так и при фотографировании камерой, погруженной непосредственно в воду.
При съемке через поверхность преломление световых лучей, проходящих из воды в воздух, может заметно исказить пропорции подводных объектов и расположение их относительно друг друга (рис. 57). Преломление словно поднимает все погруженные в воду предметы выше их истинного положения. Этот эффект тем заметнее, чем под большим наклоном поверхности идут лучи. Абсолютно плоское дно на мелководье, снятое через поверхность, на фотографии будет выглядеть вогнутым: в центре кадра глубина кажется больше, по краям — меньше.
При цветной фотосъемке отраженный от поверхности моря свет обычно ухудшает цветовой контраст объектов на фотоснимке (рис. 58,1). Законы оптики подсказывают метод борьбы с этим явлением. Ведь мы знаем, что свет, отраженный от поверхности, поляризован, а следовательно, его легко «отсечь» с помощью поляроида. Поставив перед объективом поляризационный светофильтр, мы резко уменьшаем белый фон на нашем снимке, восстанавливая тем самым насыщенность окраски фотографируемых подводных объектов (рис. 58, 2; см. цв. вкл. на стр. 140)
Рис. 58. Отраженный от поверхности свет резко ухудшает контраст объектов на фотоснимке (1). Поляризационный светофильтр позволяет избавиться от вредного влияния отраженного света (2)
Другой способ избавиться от отраженного водной поверхностью света — опустить объектив под воду. Однако если даже оставить в стороне эффекты, вызываемые рассеянием и избирательным поглощением света морской водой, то все равно благодаря разнице показателей преломления воды и воздуха условия подводного фотографирования будут значительно отличаться от условий фотосъемки в воздушной среде.
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: nводы ∙ sin φ1 = nстекла ∙ sin φ2 и nстекла ∙ sin φ2 = nвоздуха ∙ sin φ3, где nводы, nстекла и nвоздуха — 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.
