Камеры

Изображения можно создавать как внутри глаза, так и вне его. Представим себе точку в пространстве и предмет на некотором расстоянии, от которого исходит или отражается свет. От каждой части предмета можно провести линию к точке и сквозь нее. Луч, появляющийся справа, по прохождении точки пойдет влево от нее, и наоборот. Луч, появляющийся сверху, по прохождении точки пойдет вниз, и наоборот.

Предположим, что лучи света, пройдя точку, попадают на темную поверхность. Лучи света от ярко выпущенной (или отраженной) порции света проявятся яркими пятнами; лучи света, исходящие от тускло освещенной части, проявятся тусклыми. В результате мы будем иметь реальное перевернутое изображение источника света.

Фактически в обычных условиях мы не можем рассматривать единую точку в пространстве, поскольку имеется большое количество соседствующих точек, через которые можно провести лучи от каждой части источника света. Соответственно имеется и множество перевернутых изображений, которые появятся на поверхности, перекрывая друг друга, и картинка размывается до состояния светового пятна; в общем изображение не формируется.

Но предположим, что есть закрытая коробка с отверстием в боку, обращенным к источнику света, и предположим, что размер этого отверстия становится все меньше и меньше. В конце концов на поверхности коробки, противоположной отверстию, появляется изображение с размытыми краями, а если отверстие становится совсем маленьким, го изображение становится резким. Изображение будет оставаться резким независимо от расстояния между отверстием и поверхностью, на которое падает луч, ведь вопрос фокусировки отпадает, поскольку изображение формируется из прямых, непреломленных лучей. Чем дальше поверхность от отверстия, тем больше становится изображение, поскольку лучи продолжают расходиться от отверстия под постоянным углом. Однако из-за того, что одно и то же количество света расходуется на все большее и большее пространство, изображение становится все тусклее в той же степени, в какой становится больше.

В большом объеме это можно сделать в темной комнате, окна которой плотно зашторены, за исключением одного маленького отверстия. На противоположной стене появится изображение того, что находится снаружи, — пейзажа, человека, здания, конечно вверх ногами.

Свет, попадающий в такое отверстие, сформирует круг, являющийся на самом деле изображением солнца, а не отверстия. Если отверстие будет иметь форму треугольника, но не будет достаточно маленьким, то на стене образуется треугольное пятно света, но этот треугольник будет состоять из кругов, каждый из которых будет отдельным изображением солнца. По мере того как отверстие будет уменьшаться, будет уменьшаться и треугольник, пока не станет меньше, чем отдельное изображение солнца. Тогда изображение станет круглым, несмотря на треугольность отверстия.

Листва дерева создает множество шевелящихся отверстий, сквозь которые проникает солнечный свет. Пятна света на земле предстают как маленькие накладывающиеся друг на друга круги, вместо того чтобы повторять действительную неправильную форму отверстий в листве. Во время солнечного затмения солнце имеет форму не круга, а полумесяца, и, когда это происходит, перекрывающие друг друга круги под деревом становятся перекрывающими друг друга полумесяцами. Просто потрясающий эффект.

За создание изображений в темных комнатах принялись давно, и такие итальянские ученые, как Жан-Батиста делла Порта (ок. 1538–1615) и Леонардо да Винчи (1452–1519), пользовались этим. Устройство было названо камера-обскура, что в переводе с латыни означает «темная комната». Впоследствии для создания изображений в затемненных пространствах стали использовать и другие устройства, и к ним тоже стала применяться первая часть этого словосочетания — «камера». Изначальную камеру-обскуру сейчас принято называть точечной камерой.

Главная трудность в работе с точечной камерой состоит в том, что для увеличения резкости изображения требуется поддерживать минимальный размер отверстия. Это значит, что сквозь отверстие будет проходить очень мало света и изображение получится тусклым. Чтобы можно было расширить отверстие и впустить больше света и при этом избежать накладок, которые разрушили бы изображение, необходимо вставить в отверстие собирающую линзу. Это сконцентрирует свет с большой площади в фокус, во много раз повышая яркость изображения без потери резкости. В 1599 году делла Порта описал такое устройство, изобретя тем самым собственно камеру, какой мы ее знаем.

Если снабдить камеру линзами, изображение будет резким уже не на любом расстоянии, а только на той точке, где сходятся световые лучи. Камеры фиксированных размеров могут создавать резкие изображения только достаточно далеких предметов, в случае если задняя стенка камеры находится на фокусном расстоянии. Что касается достаточно близких предметов, то лучи света от них собираются на точке за фокусным расстоянием, и в этом случае линзу следует выдвинуть вперед посредством «гармошки» (как в старых камерах) или сдвига по резьбе (как в современных). Это увеличивает расстояние между линзой и задней стенкой камеры и является механическим аналогом способности глаза приспосабливаться.

Пытаясь разглядеть предметы, находящиеся на среднем расстоянии, близорукие люди быстро обнаруживают, что, прищурившись, они могут видеть более четко. Это так, потому что глаз в таком случае приближается по своему устройству к точечной камере, и четкость изображения меньше зависит от глубины глазного яблока. (Поэтому для обозначения близорукости и используется слово «миопия», происходящее от греческого «закрытое зрение», описывающего постоянно прищуренные глаза.) Конечно, в глаз попадает меньше света, и резкость изображения достигается за счет яркости. Более того, мышцы век устают от постоянного поддержания глаз в почти, но не до конца закрытом состоянии; результатом является головная боль. (Фактически дискомфорт вызывается напряжением глазных мышц, а не напряжением глаз.)

Камера с линзами была создана в то время, когда были изобретены способы записывать изображения. Для этого изображение должно быть сформировано на поверхности, на которую нанесены химические вещества, реагирующие на свет[84]. В эту работу внесли свой вклад: французский физик Жозеф Нисефор Ньепс (1765–1833), французский художник Луи Жак Манде Дагер (1789–1851) и английский изобретатель Уильям Генри Фокс Толбот (1800–1877). К середине XIX века камера была уже вполне практичным устройством для создания и хранения изображений и фотография («светопись») стала незаменимой во всех областях научной работы.

Для получения ярких изображений нужно собрать как можно больше света. Для этого требуется линза большого диаметра с коротким фокусом. Чем больше диаметр, тем больше света собирается в изображение. Необходимость в коротком фокусе обоснована тем, что, как уже описывалось в гл. 2, применительно к зеркалам, чем ближе изображение к линзе, тем оно меньше. А чем меньше изображение, создаваемое из фиксированного количества света, тем оно ярче. Чтобы измерить яркость изображения, которое может создать линза, мы должны учесть оба фактора и узнать отношение фокусного расстояния (f) к диаметру (D). Это отношение, f/D, называется фокусным числом. При уменьшении f и/или увеличении D фокусное число уменьшается. Чем меньше фокусное число, тем ярче изображение.

Изображение, изначально создаваемое на пленке с химическим покрытием, становится темным в интенсивно освещенных точках (поскольку действие света заключается в выделении черных частиц металлического серебра) и светлым — в слабо освещенных точках. Таким образом, изображение получается негативным — светлым при изображении темного и темным при изображении светлого. Если свет проходит сквозь него и попадает на бумагу, покрытую светочувствительными химикатами, получается негатив негатива. Тогда вновь достигается оригинальное соотношение светлого и темного. Это позитив, и это окончательная картинка.

Позитив может быть напечатан на прозрачной пленке. В таком случае маленький, но сильный источник света может быть сфокусирован на ней посредством линзы и зеркала, а изображение — спроецировано на экран. Выходя из проектора, лучи расходятся в стороны, и изображение на экране может быть очень сильно увеличено по сравнению с изначальным позитивом. Такие устройства могут быть использованы в некоторых случаях для демонстрации фотографий, но гораздо более обширное применение они получили как средства массового развлечения.

Следующая возможность проистекает из того факта, что, когда клетки роговицы реагируют на определенный образец света и темноты, им требуется доля секунды, чтобы восстановиться и приготовиться к принятию следующего образца. Если в темной комнате помахать длинной лучиной с красным угольком на конце, то вы увидите не отдельную движущуюся точку света, а непрерывную кривую, которой можно выписывать круги и овалы.

А представьте теперь, что движущиеся объекты быстро фотографируют несколько раз подряд. На каждой фотографии положение объекта окажется слегка измененным по сравнению с предыдущей. В 1889 году американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847–1931) поместил такие фотографии на непрерывную ленту с перфорацией по краю. За эту перфорацию пленку можно было протягивать линейно с постоянной скоростью с помощью равномерно вращающейся звездочки. Если настроить свет проектора таким образом, чтобы он быстро мигал, то каждая вспышка будет последовательно выдавать на экран изображение, соответствующее одному кадру. Тогда глаз видит одну картинку за другой, причем последующая лишь немного отличается от предыдущей. Поскольку глаз еще будет восстанавливаться после предыдущей картинки, он будет еще видеть ее в тот момент, когда на экране уже появится следующая. Таким образом достигается иллюзия непрерывного движения. Так были представлены «живые картинки».