Фотокамера «Рыбий глаз»

30

Фотокамера «Рыбий глаз»
В. Драчев,
А. Мазур

В 9-м номере нашего журнала за 1974 год мы расссказывали о научной конференции учащихся физико-математических школ-интегратов, которая проходит в марте этого года в г. Тбилиси. На этой конференции было заслушано сообщение В. Драчева обустройстве и работе прибора для получения фотографий с углом обзора, близким к 180°. Этот прибор был сконструирован группой учащихся школ-интеграта № 165 г. Новосибирска. О том, как сделать самим подобную фотокамеру, расссказывается в этой статье.

Представим себе пловца, который без маски нырнул под воду. Какая картина откроется ему, если он будет смотреть вверх через спокойную поверхность водоема?

При условии, что водоем сравнительно небольший, пловец увидит следующее. На темном потолке (поверхность воды) — яркое круглое окно, в котором «зажато» все небо от горизонта до горизонта. Все предметы, окружающие водоем, стоят по краям этого окна, устремленные своим «верхшками» к его центру. Более того, можно будет видеть даже часть прибрежного дня.

Все это можно легко объяснить на основе явления полного внутреннего отражения света. Известно, что при перехождения из оптически более плотной в оптически менее плотную среду существует предельный угол падения (угол $\alpha_0$ на рисунке 1), начиная с которого свет не будет выходить из первой среды во вторую. Говорят, что в этом случае свет испытывает полное внутреннее отражение. Например, для перехода вода — воздуха $\alpha_0 = 49^\circ$.

А теперь представим себе, что все лучи идут в обратном порядке, то есть из воздуха в воду. Тогда, если полезна с которого свет не будет выходить из первой среды во вторую, угол растора оклона $98^\circ$ (то есть два предельных угла $\alpha_0$), то угол обзора в воздухе будет $180^\circ$. Поле обзора становится гораздо шире.

Именно так видят, например, рыбы (рис. 2). Правда, предметы, размещенные по краям воздуха полусферы, оказываются сльно искаженными и, конечно, смещенными из своего положения.

Рыба может также видеть предметы, находящиеся в воде и не попада-

Рис. 1.
Рис. 2.

31

Рис. 3. Камера «Рыбий глаз». 1 — крышка; 2 — стекло; 3 — диафрагма; 4 — оргстекло; 5 — фотопластинка; 6 — корпус.

юшне, казалось бы, в поле зреня рыбы (например, маленькая рыба на рисунке 2). Все дело в том, что при полном внутреннем отражении поверхность воды становится хорошим зеркалом, так как резко увеличивается коэффициент отражения света. Для углов padения, близких к нулю, коэффициент отражения у воды примерно 2%, а для углов, больших предельного, он почти 100%. На рисунке показано, что зеркальное отражение рыбы видно под меншим углом зреня, чем сама рыба. Конечно, изобравжение будет хорошим, если поверхность водоема глазкая.

Для моделирования этого явления мы сделали фотокамеру, которая называется «Рыбий глаз». Камера (рис. 3) состоит из жесткой круглой коробки (диаметром 18 см, высотой 4 см) — корпуса, оргстекла, фольги с дырочкой — диафрагмы, кружочка объIkновеного плоского стекла *) и фотопластинки.

Преломление света проинсходит на верхней поверхности оргстекла, то есть оргстекло здесь играет ту же роль, что и вода в описанных выше экспериментах.

Стекло, которое является произрачной крышкой, закрывающий сверху диафрагму, представляет собой тонкую плоскопаралельную пластинку, поэтому оно никаких существенных дополнительных эффектов не дает.

Коробка обязаетло должа быть заполнена жидкостью с показателем преломления примерно таким же, как у оргстекла (мы используем смесь воды и глицерина), иначе свет по выходе из стекла приmet направление, паралельное исходному, и ожидаемого изображения на фотопластинке не получится. (Аналогично: не увидит вышеописанной картины плоцев, нырнуший в маске.)

При расчете диафрагмы надо учитывать следующий фактор. Изображение на фотопластинке получается с помощью дырочной камеры, поэтому диаметр отверстия должен быть малым по сравнению с расстоянием до фотопластинки. Но с уменьшением диаметра диафрагмы все заметнее проинсходят себя диафрагция света. Это приводит к ухудшению качества изображения. Теоретический расчет дает, что оптимальное значение диаметра отверстия должно быть порядка $d = \sqrt{\lambda h}$, где $\lambda$ — длина волны света, $h$ — расстояние от отверстия до фотопластинки.

У нас лучше по качеству сигнки получались в солнечный день при диаметре диафрагмы 0,3 мм; чувствительность фотопластинки была 180 ед.

На рисунке 4 приведена одна из таких фотографий.

*) Tonkoе стекло можно резать ножницами, если погрузить и то и другое в воду,