6.1.2 Оптическая система и принцип ее работы

Основной частью любого репродукционного фотоаппарата является оптическая система, формирующая действительное оптическое изображение в плоскости пленкодержателя и состоящая из многолинзового объектива, оборачивающей системы, растра и светофильтров.

В теории оптических приборов и оптических расчетов используются следующие законы: прямолинейного распространения света; независимости распространения световых пучков; отражения и преломления; полного внутреннего отражения. Эти законы предполагают, что отдельные лучи распространяются прямолинейно и после пересечения продолжают распространяться по прежним направлениям. Если лучи, распространяясь в определенной среде, встречают среду, отличающуюся по показателю преломления, то они на границе раздела этих сред частично отражаются и преломляются или полностью отражаются в определенном направлении. При этом падающий, преломленный и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к поверхности в точке падения луча; угол падения равен углу отражения, т.е. i=i' отношение синуса угла падения i синусу угла преломления i' для двух сред с показателями преломления n и п' есть величина постоянная и справедливо равенство n sin i= n' sin i' .

Репродукционный объектив в связи с особенностями фоторепродукционного процесса отличается по некоторым показателям от обычных фотографических объективов: он предназначен для получения крупноформатных изображений при условии сохранения точности воспроизведения оригинала.

Строгой классификации объективов не существует. Наиболее целесообразно их группировать по следующим признакам: оптическим характеристикам, назначению, конструкции, коррекции оптической системы и т.д.

Для репродукционных работ в полиграфической промышленности выпускаются фоторепродукционные апохроматические объективы типа РФ и О, которые позволяют производить съемки штриховых черно-белых оригиналов с мелкой структурой, различных цветных оригиналов для многоцветного воспроизведения, а также полутоновых оригиналов через растр.

Репродукционные объективы-апохроматы типа РФ и О характеризуются исправлением:

сферической аберрации, благодаря чему задние фокальные отрезки объектива для разных отверстий диафрагмы практически совпадают;

хроматической аберрации увеличения и положения, что необходимо для получения изображения одинакового масштаба и хорошей резкости на всех негативах, снятых с цветного оригинала через разные светофильтры;

дисторсии при точных картографических работах.

Основными оптическими характеристиками фотообъектива являются фокусное расстояние f, относительное отверстие D/f и угловое поле оптической системы 2ω, глубина резкости r', разрешающая способность.

Растры – это специальные оптические решетки, используемые при репродуцировании полутоновых оригиналов для преобразования полутонового изображения в микроштриховое. По технологическому назначению растры подразделяются на два типа: автотипные (проекционные и контактные) и растры для глубокой печати.

При изготовлении форм высокой и офсетной печати растры предназначены для расчленения изображения на отдельные штриховые элементы (рис. 6.3, а). В этом случае толщина линий и ширина просветов между ними равны. Растры характеризуются частотой штриховых элементов и соотношением размеров точек, образуемых пересечением линий и просветов. От частоты штриховых элементов зависят различимость растровой структуры изображения, его разрешающая способность и интервал плотностей оттиска.

Рисунок 6.3 – Растры: а – для высокой и офсетной печати; б – для глубокой печати

При изготовлении печатных форм глубокой печати растры предназначены для образования после травления опорной решетки для ракеля, снимающего в процессе печати с формы избыток краски. В этих растрах соотношение между шириной прозрачных участков и непрозрачных квадратов составляет 1 :2,5; 1 :3; 1 :4 и 1 : 5 (рис. 6.3, б).

В фоторепродукционном процессе применяются растры проекционные и контактные.

Различают проекционные растры оригинальные, гравированные на стекле или копии, изготовленные различными способами с расклеенных оригинальных растров. Проекционный растр состоит из двух стеклянных пластин (на которые тем или иным способом нанесены непрозрачные линии), склеенных между собой так, что эти линии перекрещиваются под углом 90°. Непрозрачные линии на стекле имеют такое направление, что после склеивания двух стекол они располагаются под углом 45° к сторонам растра. При этом угле менее заметна растровая структура на печатном оттиске, а также обеспечиваются лучшие условия накатывания на клише краски валиком в печатной машине. Основной технологической характеристикой растра является его линиатура – число линий на 1 см (лин/см). Второй характеристикой является шаг, или период, растра h – расстояние между двумя центрами растровых ячеек – отверстий или линий (мм):

,

где L— число линий в 1 см.

Растры имеют следующие линиатуры: 20, 24, 30, 34, 36, 40, 44, 48, 54, 70 и 80 лин/см. Существуют растры с линиатурой 100 и 120 лин/см, применяемые для специальных целей и преимущественно в офсетной печати.

Проекционные растры бывают прямоугольные – для съемки черно-белых оригиналов и круглые – для цветоделительной съемки. Круглая форма обусловливается необходимостью их поворота на некоторый угол при съемке каждого последующего негатива для устранения муара.

Растры вставляют в камеру репродукционного фотоаппарата, в специальное устройство, находящееся перед матовым стеклом внутри камеры.

Контактные растры изготовляются фотографическим путем и представляют собой пленку в эмульсионном слое которой имеются прозрачные и непрозрачные элементы. Принципиальное их отличие от проекционных растров заключается в том, что в них растровые ячейки одинаковы по величине, но в пределах каждой из них различна плотность, уменьшающаяся от центра к краям. Следовательно, чем плотнее данный участок оригинала, т.е. чем меньше света он отражает, тем меньше будет растровая точка на негативе, и различные тона оригинала передаются на негатив точками разных размеров. Контактные растры в отличие от проекционных применяют в контакте с фотографическим слоем. Они обычно имеют линиатуру от 48 до 80 лин/см. Строение элемента контактного растра определяет свойства растрового изображения.

Светофильтр представляет собой плоскопараллельную пластину, изготовленную из материала, обладающего избирательным пропусканием потока излучения. Эта деталь может быть выполнена из цветного стекла, желатины, окрашенных пластмасс. Различают светофильтры жидкие, газовые, поляризационные и интерференционные. Они предназначены для изменения спектрального состава и потока излучения, яркостных и цветовых соотношений между видимыми объектами и уменьшения хроматизма.

Материалом для светофильтров служит оптическое цветное стекло, различные марки которого имеют специальные свойства: УФС –ультрафиолетовые стекла, ФС – фиолетовые, СС – синие, СЗС – сине-зеленые, ЗС – зеленые, ЖЗС – желто-зеленые, ОС – оранжевые, КС – красные, ИКС – инфракрасные, ПС – пурпурные, НС – нейтральные, ТС – темные, ВС – бесцветные. Название цветного стекла соответствует спектральному участку с наибольшим коэффициентом пропускания.

Светофильтры характеризуются цветом и кратностью. Кратность q показывает, во сколько раз надо увеличить время экспонирования (выдержку) при съемке с помощью данного светофильтра по сравнению с выдержкой при съемке без светофильтра:

,

где t_cв – выдержка со светофильтром; t – выдержка без светофильтра.

Спектральная характеристика светофильтра определяется показателем поглощения k_λ для различных длин волн, спектральными кривыми оптической плотности с и коэффициентом пропускания τ_λ:

,

где d – толщина светофильтра.

При вычислении оптической плотности следует учитывать потери на поглощение в стекле и потери на отражение. С учетом потерь на отражение коэффициент пропускания

,

где ρ – коэффициент Френеля, характеризующий потери на отражение при преломлении.

Оптическая плотность с учетом потерь на отражение составит

,

где D_ρ — поправка на отражение.

Для каждой марки цветного стекла определенной толщины приводятся спектральные кривые оптической плотности D_λ и коэффициент пропускания τ_λ. По спектральной кривой можно определить предельную длину волны λ_пр, для которой коэффициент пропускания в 2 раза меньше τ_max. Эта длина волны является границей пропускания светофильтра.

Недостаток фильтров из цветного стекла – невозможность выделения излучения узкой спектральной области с высоким коэффициентом пропускания. Эту задачу решают с помощью интерференционных фильтров, действие которых основано на интерференции света в тонких пленках, нанесенных на прозрачные плоскопараллельные пластины.

Величины τ_max и λ_пр характеризуют стекла с длиной волны, соответствующей максимуму пропускания в рабочей части спектра или границе пропускания.

Общий визуальный коэффициент пропускания стекол τ рассчитывают по формуле

,

где τ_λ – коэффициент пропускания света для длины волны λ; λ – длина волны монохроматического света; J_λ – функция, характеризующая относительное распределение энергии излучения по спектру; V_λ – относительная спектральная световая эффективность.

Стеклянные светофильтры имеют большие потери света из-за его отражения и рассеяния в стекле. Кроме того, необходимо изменить наводку на резкость при установке светофильтра в объектив, так как светофильтр является плоскопараллельной пластиной. Стеклянные светофильтры, как правило, закрепляют в оправу, позволяющую устанавливать их перед объективом или надевать их на корпус.

Плоскопараллельная пластина – оптическая деталь, ограниченная двумя плоскими параллельными гранями 1 и 2, поверхности которых могут быть прозрачными, полупрозрачными или матовыми. Светофильтры и растры являются такими пластинами. Плоскопараллельные пластины применяются также в виде защитных, покровных стекол.

Пластина всегда смещает изображение на величину Δ(Δ₀) по ходу падающего луча (рис. 6.4).

Рисунок 6.4 – Ход лучей в плоскопараллельной пластине в воздухе

Продольное смещение Δ изображения вдоль оптической оси и поперечное смещение z вычисляют по формуле

,

а для малых углов падения

где п – показатель преломления стекла пластины; d –толщина пластины.

Оборачивающие системы. В условиях обычной съемки на светочувствительной поверхности получается зеркальное изображение, а для получения прямого изображения применяют оборачивающие системы.

Широкое применение находят в горизонтальных аппаратах оборачивающие системы, состоящие из трех зеркал, одно из которых 3" неподвижно, а два других 3' и З_к меняются местами в зависимости от условий съемки.

При необходимости получения зеркального изображения крышеобразное зеркало З_к отводится, а на оптическую ось вводится плоское зеркало З' (рис. 6.5, а). При получении прямого (читаемого) изображения, наоборот, зеркало З_к устанавливается на оптическую ось (рис. 6.5, б).

Рисунок 6.5 – Система зеркал горизонтального двухкомнатного фотоаппарата:

а – изображение зеркальное при двух плоских зеркалах;

б – изображение прямое (читаемое) при плоском и крышеобразном зеркалах;

1 – оригинал; 2 – объектив; 3' и 3" – плоские зеркала;

3_к – крышеобразное зеркало; 4 – изображение

Крышеобразные зеркала используются и в вертикальных фотоаппаратах, обеспечивая при этом получение зеркального изображения (рис. 6.6,б) вместо прямого (рис. 6.6, а).

Оборачивающие системы значительно снижают освещенность фотографического слоя, вследствие чего экспозиция несколько увеличивается, а также увеличиваются аберрационные искажения. В оборачивающих системах применяются стеклянные зеркала с алюминиевым отражающим слоем на наружной поверхности. Коэффициент отражения алюминия 0,85-0,95.

1 – оригинал; 2 – объектив; 3 – плоское зеркало;

З_к – крышеобразное зеркало; 4 – изображение

Рисунок 6.6 – Система зеркал с крышеобразнымзеркалом в вертикальном фотоаппарате

При использовании зеркал с наружной отражающей поверхностью получаются наименьшие искажения, наиболее полно используется свет, но они имеют относительно небольшой срок службы, так как отражающий слой тускнеет от атмосферных воздействий.