A nemrég bejelentett cikksorozatunkat, a fényképezőgépek működése alapjainak egyszerű ismertetését az optikai leképezést megvilágító cikkel kezdjük. Arról van szó, hogy a fényképezőgép belsejében (a képérzékelőn) elő kell állítani a gép elé táruló látvány képét, amit aztán az érzékelő rögzít, tárol. Ezt a célt szolgálja a fényképezőgép objektívje (egy összetett lencserendszer), legegyszerűbb esetben egyetlen gyűjtőlencse (domború lencse). Ez nagyon tudományosan hangzik, nem mindenki emlékszik vissza a fizika geometriai optika fejezetében tanultakra. Megpróbáljuk egyszerűen, szemléletesen megmutatni, hogyan jön létre a fényképezőgép érzékelőjén a külvilág képe, és miért van szükség akár tucatnyi lencséből álló, bonyolult fotóobjektívre.

 

Az alábbi első dián megmutatjuk, mi is a leképezés. A fényképezőgépünk egy doboz, amire csak az objektíven (ebben a leegyszerűsített esetben egy gyűjtőlencsén) keresztül jut be a fény, és a lencse leképező tulajdonságának köszönhetően a doboznak a lencsével szemközti falán (ide kell elhelyezni a képérzékelőt) megjelenik a lencse előtti tárgyak képe. Mivel a doboz teljesen zárt, ezt a képet kívülről nem látjuk – hogy mégis, vágtunk egy nagyobb nyílást a doboz oldalán, ami persze egy igazi fényképezőgépen nincs.

 

Kicsit előre is tekintünk: egy tükörreflexes fényképezőgép elvi felépítésének vázlatán bejelöltük a képalkotásban szerepet játszó főbb alkatrészeket. Ezekre a későbbiekben mindre sor kerül, megismerjük funkciójukat, de például a tükör és a mattüveg szerepére csak egy későbbi, a keresőkről szóló cikkben ismertetjük (az alkatrészek azonosítását a vázlaton az utolsó dián találja).

 

A bevezető cikkben azt írtuk, hogy a fényképezésben a fényé a fő szerep, fény nélkül nincs fényképezés. Természetesen a leképezés is fénnyel történik (milyen találó az elnevezés: fény-képezés). Azt is bemutatjuk, honnan erednek a tárgy leképezésében szerepet játszó fénysugarak. Bármilyen meglepő, a tárgyak minden pontjából fénysugarak indulnak, méghozzá minden irányba (erről egyszerűen meggyőződhetünk: járjunk körül egy tárgyat, minden irányból látjuk, bárhonnan is nézzük, a látóterünkbe eső tárgy minden pontjából érkeznek fénysugarak a szemünkbe).

 

Azt ígértem, egyszerűen, minden tudományoskodás nélkül, szemléletesen mutatom meg, hogyan jön létre a külvilág képe a fényképezőgép belsejében. Ehhez nem kell más, csak szemügyre venni a legegyszerűbb fényképezőgépet, a camera obscurát (sötét kamrát), más néven lyukkamerát. Al-Hajszam (Alhazen) arab tudós egy évezreddel ezelőtt, 997-ben Opticae Thesaurus című könyvében már írt a camera obscuráról, lényegében a működését is megmagyarázta (természetesen akkor még nem fényképezőgépként használták, hiszen a kép rögzítésének eljárásait csak jó 800 év múlva dolgozták ki).

A camera obscurában nincs semmi hókusz-pókusz, semmi objektív (összetett lencserendszer), de még egy árva gyűjtőlencse sincs, mindössze egy apró lyuk a doboz falán. Minél kisebb, annál jobb, annál élesebb a kép, de sajnos, annál halványabb is. A fizikából mindössze annyit kell tudni a működésének megértéséhez, hogy a fény homogén közegben (például a levegőben) egyenes vonalban terjed, a fénysugarak egyenesek. Ezt tudva, a leképezés működése leolvasható az ábráról, amit  a második dián mutatunk be.

Két dologra hívjuk fel a figyelmet:

  • a keletkező kép mindkét irányban fordított állású a kamera előtt levő tárgyhoz képest (fel-le és jobb-bal irányban is);
  • minél nagyobb a lyuk, annál életlenebb, elmosódottabb a kép (a tárgy egyes pontjainak a képe annál nagyobb átmérőjű foltocska), de persze annál világosabb is, hiszen egyre több fény jut a dobozba, egyre több fény vesz részt a leképezésben.

 

Egy ilyen lyukkamerával egy fénykép elkészítéséhez több órán át kellett megvilágítani az érzékelőt, hogy elegendő mennyiségű fény érkezzen a képet rögzítő érzékelőre. Így is fényképeztek a fényképezés hőskorában, az 1830-as évek végén.

Mint az előző dián láttuk, a lyuk növelésével növelni tudjuk a dobozba jutó, a leképezésben résztvevő fény mennyiségét, ezáltal rövidebb idő alatt készülhet el a rögzített fénykép, de ennek ára életlenebb kép. Észrevehetően rövid (perc, vagy annál rövidebb) idő eléréséhez akkora lyuk kellene, ami már a felismerhetetlenségig elmosódott képet eredményezne. A megoldás: a nagy méretű lyukba domború (gyűjtő) lencsét kell illeszteni.

A gyűjtő lencse – ahogy a neve is mutatja – egy pontba gyűjti össze a tárgy egy pontjából kiinduló, széttartó fénysugarakat. Hogy ez pontosan hogyan történik, itt nem részletezzük, ezt tanítják a fizika geometriai optika témakörében, a domború lencse képalkotása címen. Ennek összegzését az utolsó dián mutatjuk meg. Csak arra utalunk, hogy a fénytörés jelenségén alapul, azaz azon, hogy a homogén közegben egyenes fénysugarak megtörnek, ha más közeg határfelületéhez arra nem merőlegesen érkeznek (például levegőből üvegbe, vagy üvegből levegőbe). Az irányváltozás mértéke a határfelület két oldalán levő két közegre jellemző törésmutatótól függ, az oka pedig az, hogy a fény sebessége a különböző anyagokban más és más.

Érdelességként megmutatjuk a valódi kép és a látszólagos kép közötti különbséget (a fényképezőgép érzékelőjén valódi kép jön létre, egy távcsőbe nézve pedig látszólagos képet szemlélünk).

 

Szerencsés körülmény, hogy két gömbfelület (vagy egy gömb- és egy síkfelület) által határolt domború lencse a lencsétől azonos távolságra levő pontokból kiinduló széttartó fénysugarakat a lencse túloldalán, a lencsétől ugyancsak azonos távolságra levő pontokba gyűjti össze (egy, a tengelyre merőleges síkban levő pontokat egy másik, tengelyre merőleges síkra képez le). De ez csak közelítőleg igaz, a lencse tengelyétől nem túl nagy távolságra haladó, és a tengellyel nem túl nagy szöget bezáró fénysugarakra (ezeket paraxiális sugaraknak nevezzük). Ismét oda lyukadunk ki, hogy ha nagyon nagyra növeljük a lencsével lefedett lyuk átmérőjét, a kép egyre életlenebb lesz. Ezt a jelenséget lencsehibáknak nevezzük.

Egy speciális lencsehiba a színi hiba (a képen az éles határvonalak szivárványszínűre szélesednek). Ennek az az oka, hogy a törésmutató a különböző színű (hullámhosszú) fénysugarakra más és más. Ennek köszönhető, hogy a fehér fényt (pl. a napfényt) a prizma szivárványszerűen színeire bontja. A lencse egy-egy kis darabját úgy foghatjuk fel, mint egy prizma egy-egy darabját (a gömbfelület kis darabja síkfelülettel közelíthető).

A lencsehibákat több, alkalmasan megválasztott anyagú és görbületű lencse egymás után helyezésével korrigálhatjuk. A színi hibát korrigáló legegyszerűbb rendszert, a domború és homorú lencséből álló „akromát dublettet” is bemutatjuk a következő dián, néhány más lencsehibával együtt.

Ha nagyon rövid idő (a másodperc kis törtrésze) alatt akarjuk rögzíteni a képet a fényképezőgéppel, és még igen nagy felbontásban (nagyításban) is nagyon éles, lencsehibáktól mentes képet várunk, sok lencséből kell összerakni a lencserendszert.

 

Fentebb azt írtuk, hogy egy síkban levő tárgypontok éles képe a lencse túloldalán is egy síkban van. De a lencsétől különböző távolságra levő tárgyak éles képe a lencsétől más-más távolságra alakul ki, azok képe egyidejűleg nem éles az érzékelőn. A lencse és az érzékelő közötti távolság változtatásával állítjuk a kép élességét. A következő dián ezt mutatjuk be, és megmutatjuk, a lencsétől milyen távolságra levő tárgyakról alakul ki kicsinyített kép (a fényképezőgépekben általában kicsinyített kép keletkezik). De speciális objektívekkel (makró objektívek) közeli tárgyakról akár nagyított képet is kaphatunk.

Egy fényképezőgép metszeti képén megmutatjuk az élesség állító gyűrűt, amivel a lencse-érzékelő távolság változtatható (összetett lencserendszer esetén ez a távolság nem valamelyik lencse távolsága, hanem egy egyenértékű távolság). A lencse fókusztávolságától függ, hogy adott távolságra levő tárgyról milyen nagyságú éles képet kapunk. Az összetett lencserendszerek esetében a fókusztávolság sem valamelyik lencse jellemzője, az egész rendszert jellemzi egy egyenértékű fókusztávolság (zoom-objektívek egyenértékű fókusztávolsága is változtatható, a metszeti rajzon megmutatjuk a fókusztávolság állító gyűrűt is).

Egy tükörreflexes fényképezőgép elvi sémáján látható a leképezésben résztvevő fény-nyaláb, ami kereső üzemmódban a mattüvegre (erről részletesen egy későbbi cikkben), a tükör felcsapása után az érzékelőre vetíti a képet. Itt a leképezésben szerepet játszó alkatrészek megnevezése is megtalálható.

 

Mint láttuk, a leképezés általában nem ad éles képet a gép elé táruló látvány minden objektumáról, csak a géptől bizonyos távolságra levőkről. Természetesen az ennél közelebb vagy távolabb levő tárgyak képe sem teljesen elmosódott, csak az élesség síkjától távolodva fokozatosan egyre életlenebb. Bizonyos tartományon belül minden tárgy képét lényegében élesnek látjuk, ezt a tartományt nevezzük mélységélességi zónának.

A mélységélesség tartományának szélessége több tényező függvénye: függ a gépbe jutó fény-nyaláb átmérőjét meghatározó nyílás méretétől (ennek a nyílásnak a neve fényrekesz, vagy blende), az objektív fókusztávolságától, és az érzékelő nagyságától. Ezen paraméterek bizonyos megválasztása esetén a mélységélesség meglehetősen nagy lehet (1-2 métertől végtelenig terjedhet). A legegyszerűbb fényképezőgépek esetében olyan nagy, hogy ezeknél az élességet nem is szükséges módosítani. De a gépek legtöbbjénél az élesség (és a mélységélességi tartomány) beállításáról gondoskodni kell (ahogyan az utolsó dián megmutattuk). Ez a fényképezőgépek beállítási lehetőségei között az egyik legfontosabb, mivel helytelen beállítása esetén a kép akár a felismerhetetlenségig elmosódott lehet.

A mai, modern gépek a kép élességének automatikus beállítására is képesek, ezért a gép használója akár nem is tud erről a beállítási lehetőségről. Érdemes azonban megismerni ezt a lehetőséget, hiszen az élesség, mélységélesség megválasztása a kép kreatív formálásának hatékony eszköze lehet. A mai, modern fényképezőgépek mindegyike képes automatikus üzemmódban működni (az egyszerűbbek másképp nem is), de az igényesebb gépek az úgynevezett manuális üzemmódban lehetővé teszik, hogy  a fotós maga állítsa be a gép paramétereit, ahogyan úri szeszélye (kreatív elképzelésének megfelelően) diktálja (például azt, hogy a téma mely objektumai legyenek élesek, melyek (és milyen mértékben) elmosódottak – azaz a mélységélességet).

Következő cikkünkben a képérzékelőket, a képrögzítés alapjait ismertetjük – természetesen egyszerűen.