اپتیک عکاسی

در این مقاله ضمن مروری بر تاریخچه‌ی عکاسی، با مفاهیم و کارکرد سنجش نور، انواع فلاش‌ها، مشخصات عدسی، انواع عدسی‌ها، خطاهای عدسی، و قدرت تفکیک عدسی آشنا می‌شویم.
سنجش نور: دستگاه سنجش نور، یا نورسنج، مقدار نور موجود در یک صحنه را تعیین می‌کند تا عکاس بتواند کار نوردهی را به درستی انجام دهد. یک پیل حساس به نور با توجه به مقدار نوری که دریافت می‌کند، یا برق تولید می‌کند یا مقدار جریان موجود در مدار را تغییر می‌دهد. این جریان برق ممکن است عقربه یا دیودهای منتشر کننده‌ی نور (LED) را به کار بیاندازد که گشادگی دیافراگم و سرعت شاتر لازم را نشان دهند. در دوربین‌های نسبتاً جدیدتر، این جریان، میکروپروسسوری را به کار می‌اندازد که مستقیماً شاتر یا دیافراگم را روی درجه‌ی مورد نظر تنظیم می‌کند. این پیل معمولاً سیلیس (سیلیکون) یا دیود نوری است و جریانی الکتریکی تولید می‌کند که بعداً تقویت می‌شود. در دوربین‌های قدیمی‌تر، از پیل سولفید کادمیم استفاده می‌شد. در آن دوربین‌ها با تابیدن نور بر پیل، مقاومت آن در برابر جریانی که از آن می‌گذشت تغییر می‌کرد. پیل‌های سِلِنیم که از آن‌ها هنوز در برخی از دوربین‌ها استفاده می‌شود نیز مولد جریان برق هستند. اما این پیل‌ها از نظر حجم بزرگ و از نظر حساسیت ضعیف هستند.
دوربین‌های تک عدسی انعکاسی دارای یک یا چند پیل نوری (فتوسِل) هستند که در محفظه‌ی منشور پنج وجهی قرار دارند و میزان روشنایی تصویر را می‌سنجند. نورسنجی بستگی به میزان نوری دارد که از طریق عدسی وارد دوربین می‌شود (سنجش TTL) و عواملی از قبیل زاویه‌ی دید عدسی، نزدیک شدن دوربین به موضوع در عکاسی – کلوزآپ – و ... در آن دخیل‌اند. در برخی از دستگاه‌های TTL با استفاده از وسایلی مثل دو پارچه کننده‌ی نور، یا با قرار دادن پیل‌ها در پشت یک آینه‌ی نیم شفاف، نور ورودی از طریق عدسی را پیش از آن که به صفحه‌ی رؤیت برسد، به سمت فتوسل منحرف می‌کنند و گاهی میزان نور منعکس شده از فیلم را می‌سنجند. چنین روش‌های اندازه‌گیری در خارج فیلم (OTF) را برای کنترل دستگاه‌های فلاش الکترونیکی نیز به کار می‌گیرند.
برای دوربین‌های آتلیه نوعی پیل ساخته‌اند که بر روی میله‌ای نصب است. میله را می‌توان به هر نقطه‌ای در جلوی صفحه‌ی میزان کردن عدسی منتقل کرد و بدین ترتیب روشنی تصویر را در نقاط مختلف صفحه‌ی تصویر سنجید. این کار را پیش از گرفتن عکس انجام می‌دهند و سپس میله را از سر راه تصویر کنار می‌کشند. عکاسان حرفه‌ای هم‌چنین از نورسنج‌های دستی استفاده می‌کنند و بر اساس آن دوربین را به طور دستی تنظیم می‌کنند.
فلاش: فلاش منبع نور در عکاسی است که در زمانی کوتاه، نور شدیدی منتشر می‌کند. به کار افتادن فلاش را می‌توان با لحظه‌ی گرفتن عکس هم‌زمان کرد. فلاش‌های کوچک باتری مستقلی دارند. فلاش الکترونیکی رایج‌ترین نوع دستگاه فلاش است که در اثر تخلیه‌ی الکتریکی با ولتاژ زیاد در داخل یک لوله‌ی پر از گاز به وجود می‌آید. یک خازن چند صد ولتی عامل تخلیه‌ی الکتریکی است. مداری با ولتاژ کم که مولد یک پالس با ولتاژ زیاد است دستگاه را برای مدتی در حدود یک هزارم ثانیه یا کم‌تر روشن می‌کند. فلاش‌های الکترونیکی کوچک را می‌شود روی دوربین نصب کرد. بسیاری از کارخانه‌ها آن را هنگام تولید در داخل دوربین قرار می‌دهند. فلاش‌های بزرگ تر را با کمک پایه‌هایی به دوربین وصل می‌کنند. در آتلیه‌های عکاسی، عکاسان حرفه‌ای از فلاش‌های بزرگ مجهز به نورافکن و چتر و وسایل مربوط به آن استفاده می‌کنند. حتی بعضی از فلاش‌های کوچک را با رفلکتورهای قابل تنظیم همراه می‌سازند تا با انعکاس نور از دیوار یا سقف، موضوع روشن شود.
فلاش‌های الکترونیک کامپیوتری غالباً دارای یک دیود نوری سریع‌الانتقال هستند، یعنی فلاش روشن می‌شود و نور پس از برخورد به موضوع دوباره به طرف دستگاه فلاش بازمی‌گردد و با توجه به دوری و نزدیکی موضوع، هنگام برخورد نور بازتابیده به فلاش، به طور خودکار فلاش خاموش می‌شود. این دستگاه که کنترل کننده‌ی مدت درخشش فلاش است، کارِ تنظیم خودکار مقدار تابش فلاش را بر عهده دارد. گفتنی است که محدوده‌ی کار از شصت سانتیمتری تا شش متری دوربین است. در فواصل نزدیک‌تر مدت درخشش فلاش تا یک پنجاه هزارم ثانیه نیز می‌رسد.
بعضی از دوربین‌ها به نورسنج‌های خارج از فیلم (OTF) که در داخل دوربین قرار دارد مجهزند و با بعضی فلاش‌ها، مدت زمان درخشش فلاش را معین می‌کنند. این فلاش‌ها را به دلیل این که مدار کنترل آن‌ها باید به دوربینِ مورد استفاده متصل باشد، «فلاش اختصاصی» می‌نامند. هنگامی که این فلاش‌ها آماده می‌شوند، به دوربین فرمان می‌دهند تا به ارسال علائمی بپردازد که آمادگی فلاش را در داخل منظره‌یاب نشان دهد و همین‌طور از نظر سرعت هم‌زمانی، شاتر دوربین را به طور خودکار با فلاش هماهنگ کند.
نوع قدیمی‌تر فلاش محفظه‌ای شیشه ای پر از اکسیژن است که در آن مقداری سیم آلومینیم یا زیرکونیم و وسیله‌ای برای افروختن این سیم وجود دارد. هنگام اشتعال، این سیم با درخششی خیره کننده برای مدت یک صدم تا یک پنجاهم ثانیه می‌سوزد. این فلاش‌ها یک‌بار مصرف هستند. معمولاً این نوع فلاش‌ها را به شکل مکعبی با چهار تا ده لامپ کوچک می‌سازند که هر یک دارای منعکس کننده است و با یک باتری و مداری که در دوربین است به کار می‌افتد. امروزه سهولت کار با فلاش‌های الکترونیکی موجب شده است که از فلاش‌های لامپ‌سوز خیلی استفاده نشود.
هم‌زمانی: برای آن که درخشش فلاش با گشوده شدن شاتر هم‌زمان باشد، معمولاً شاتر مجهز به وسیله‌ای است که این کار را انجام می‌دهد. پایه‌ی اتصال فلاش که روی دوربین قرار دارد مدار فلاش و شاتر را به یک‌دیگر متصل می‌کند و به این ترتیب درست هنگام باز شدن شاتر، فلاش روشن می‌شود. برای هم‌زمان شدن فلاش با شاترهای پرده‌ای (کانونی)، حتماً باید پرده به کنار برود، از این رو از سرعت یک شصتم ثانیه یا کم‌تر استفاده می‌شود. به هنگام استفاده از فلاش‌های لامپ‌سوز، شاتر باید تا هنگامی که فلاش به اوج درخشندگی خود می‌رسد باز باشد. این زمان در حدود یک پنجاهم ثانیه طول می‌کشد.
دوربین‌های عکاسی با اجزای قابل تعویض: فکر ساختن دوربینی که ابزار و اجزای قابل تعویض داشته باشد و بتوان با آن کارهای گوناگونی انجام داد به زمان تولید دوربین‌های سی و پنج میلیمتری در دهه ی 1930 میلادی برمی‌گردد. امروزه اکثر دوربین‌های پیش رفته‌ی سی و پنج میلیمتری دارای عدسی‌های قابل تعویض و وسایل مخصوص عکس‌برداری کلوزآپ، فیلتر، دستگاه فلاش، و سایر تجهیزات هستند. انواع پیچیده‌تر این دوربین‌ها مجهز به وسایل قابل تعویض مثل منظره‌یاب، صفحه‌ی رؤیت، پشتی، مخزن، دستگاه کنترل از راه دور، و موتور درایو هستند. امروزه دوربین‌های آتلیه و دوربین‌های فیلم رول حرفه‌ای دارای بدنه‌های مختلف، پشتی، فانوس، عدسی، و شاتر هستند. این دوربین‌ها نشانگر تلاشی است برای ساختن دوربین‌های جهانی برای هر نوع عکاسی.
مشخصات و پارامترهای عکاسی: عدسی‌هایی که از آن‌ها برای تشکیل تصویر در دوربین‌ها استفاده می‌شود همگرا هستند که ساده‌ترین نوع آن عدسی محدب‌الطرفین است که به عدس شباهت دارد. به طور نظری این عدسی‌ها پرتوهای موازی نور را در پشت عدسی و در نقطه‌ای به نام کانون متمرکز می‌کنند. فاصله‌ی کانون تا عدسی را فاصله‌ی کانونی می‌نامند. شیئی که در جلوی عدسی و در فاصله‌ی خیلی دور (از نظر علم نورشناسی در «بی‌نهایت») قرار دارد، تصویری را بر روی صفحه‌ای که از کانون می‌گذرد (صفحه‌ی کانونی) ایجاد می‌کند. پرتوهای نورِ اشیای نزدیک‌تر به عدسی، تصویری بر روی صفحه‌ای واقع در پشت صفحه‌ی کانونی تشکیل می‌دهند. هر چه موضوع به عدسی نزدیک‌تر باشد فاصله‌ی عدسی تا صفحه‌ای که تصویر بر آن متمرکز شده است بیش‌تر می‌شود. به همین سبب در فواصل مختلف باید عدسی را تنظیم کرد.
نسبت اندازه‌ی تصویر به اندازه‌ی واقعی موضوع را مقیاس تصویر یا درشت‌نمایی می‌نامند. هنگامی که تصویر از موضوع عکس کوچک‌تر باشد میزان درشت‌نمایی کم‌تر از یک است. مثلاً اگر اندازه ی عکس یک بیستم اندازه‌ی موضوع باشد، میزان درشت‌نمایی عکس یک بیستم یا پنج صدم است.
در فاصله‌ی معین، مقیاس تصویر، به فاصله‌ی کانونی عدسی بستگی دارد. فاصله‌ی کانونی عدسی نرمال دوربین معمولاً به اندازه‌ی قطر کادر تصویر همان دوربین است. یک عدسی با فاصله‌ی کانونی بلندتر، تصویری درشت‌تر ایجاد می‌کند اما ضرورتاً بخش کم‌تری از صحنه‌ی روبه‌رو را در بر می‌گیرد. برعکس، یک عدسی با فاصله‌ی کانونی کم‌تر، تصویری کوچک‌تر ایجاد می‌کند، اما (به شرط آن که زاویه‌ی پوشش عدسی کافی باشد) قسمت بیش‌تری از صحنه‌ی روبه‌رو را در بر می‌گیرد. بنابراین با استفاده از عدسی‌های تعویض‌پذیر (با فاصله کانونی متفاوت)، می‌توان هم مقیاس تصویر را تغییر داد و هم کادر تصویر را کاملاً پر کرد. فاصله‌ی کانونی عدسی را معمولاً بر حسب میلیمتر و بر روی بدنه ی عدسی حک می‌کنند.
درجه‌ی گشادگی دیافراگم یا همان عدد اف، نسبت فاصله‌ی کانونی عدسی به قطر پرتوهایی است که به عدسی می‌رسد. مثلاً اگر فاصله‌ی کانونی پنجاه میلیمتر و قطر پرتوها بیست و پنج میلیمتر باشد، عدد اف برابر است با 2. این اندازه معمولاً معادل قطر دیافراگم عدسی است. اما گاه ممکن است قطر شعاع نور به میزان قابل ملاحظه‌ای کم تر یا بیش‌تر باشد. حداکثر گشادگی دیافراگم عدد اف در گشادترین وضعیت دیافراگم را به صورت 2:f یا 2/f و یا 1:2 در کناره‌ی عدسی نشان می‌دهند.
تصویری که عدسی ایجاد می‌کند باید کادر فیلم را کاملاً پر کند. در تمام قسمت‌ها، هم از نظر وضوح و هم از نظر روشنایی، تصویر باید یکنواخت باشد. یک عدسی نرمال معمولاً زاویه‌ای در حدود شصت درجه و یک عدسی وایدانگل (= گشادزاویه) معمولاًٌ زاویه‌‌ای بزرگ‌تر (هفتاد تا نود درجه) را پوشش می‌دهد. یک عدسی با فاصله‌ی کانونی بلند، زاویه‌ی کوچک‌تری را در بر می‌گیرد. زاویه‌ی پوششی عدسی به طرح آن بستگی دارد. اصطلاحاتی مانند «گشاد زاویه» یا «تنگ زاویه» الزاماً نشانگر فاصله‌ی کانونی کوتاه یا بلند عدسی نیستند.
عدسی ساده تصویری نامطلوب ایجاد می‌کند که معمولاً ناواضح و خارج از مرکز است. هم‌چنین ممکن است لبه‌های تصویر، دو رنگ بوده و خطوط، راست و کج و ناصاف باشند. چنین عیب‌هایی کج‌نمایی یا ابیراهی یا خطای عدسی نامیده می‌شوند، و آن‌ها را گاه، نه به صورت کامل، می‌توان با جای‌گزین کردن چندین عدسی به اشکال متفاوت به جای یک عدسی، اصلاح کرد. به عبارتی ابیراهی یا کج‌نمایی یک عدسی را با کج‌نمایی متضاد عدسی دیگر خنثی می‌کنند. هرقدر گشادگی دیافراگم بیش‌تر باشد، زاویه‌ی پوشش بیش‌تر است، و هرگاه اصلاحات کج‌نمایی در عدسی بیش‌تر انجام شده باشد آن عدسی پیچیده‌تر خواهد بود. برای اصلاح نسبی کج‌نمایی، امروزه در طراحی و محاسبات ساختمان عدسی از کامپیوترهای پیش‌رفته استفاده می‌کنند. گاهی نیز برای تصحیح برخی از خطاها، سطوح برخی از اجزای عدسی را غیرکروی (aspheric) تراش می‌دهند.
عدسی را از شیشه‌ای خالص می‌سازند. البته امروزه پلاستیک شفاف نیز در ساخت عدسی مورد استفاده قرار می‌گیرد، به‌خصوص که پلاستیک را می‌توان برای ساختن سطوح غیرکروی براحتی ذوب و سپس قالب‌گیری کرد. البته عدسی‌های پلاستیکی در برابر ضربه، نسبت به شیشه، حساس‌تر هستند.
عدسی‌ها خطاهای متعددی دارند که هر یک مشخصات خاص خود را داراست. کج‌نمایی رنگی یا ابیراهی رنگی هنگامی روی می‌دهد که عدسی از موضوع‌های ثابت با رنگ‌های متفاوت تصویرهایی ایجاد می‌کند که هم از نظر اندازه و هم از نظر محل تشکیل تصویر متفاوت هستند. عدسی‌هایی که از نظر رنگ تصحیح شده‌اند عمدتاً فاقد این نقص هستند. کج‌نمایی کرویت یا ابیراهی کروی هنگامی رخ می‌دهد که پرتوهایی که از قسمت‌های نزدیک به لبه‌ی عدسی وارد می‌شوند با پرتوهایی که از مرکز عدسی وارد می‌شوند، در یک کانون متمرکز نمی‌شوند. بنابراین وقتی از دیافراگم گشادتر عدسی استفاده شود، تصاویر ناواضح، و وقتی دیافراگم تنگ‌تر شود، تصاویر واضح خواهند شد. کج‌نمایی یا ابیراهی انحنای میدان هنگامی رخ می‌دهد که عدسی قادر به ایجاد تصویر واضح بر صفحه‌ای تخت و صاف نیست بلکه فقط روی صفحه‌ای منحنی تصویر آن واضح می‌شود. کج‌نمایی یا ابیراهی آستیگماتیسم هنگامی دیده می‌شود که عدسی در ایجاد تصویری واضح از همه‌ی خطوطی که تماماً بر یک صفحه واقع‌اند اما در جهات مختلف امتداد می‌یابند، ناتوان است، مثلاً در عکسی از نرده‌های یک پرچین، تصویر نرده‌های عمودی، واضح و نرده‌های افقی، ناواضح ثبت می‌شوند. کُما که نوع دیگری از خطای عدسی است باعث می‌شود نقاطی از تصویر که به لبه‌های کادر تصویر نزدیک هستند به صورت اشکال نامرتب و غیرواضح ظاهر شوند. تابیدگی هنگامی رخ می‌دهد که خطوط مستقیمی که به موازات لبه‌ی کادر امتداد یافته‌اند یا به سمت بیرون مرکز کادر منحرف شوند (تابیدگی چلیکی) یا به سمت مرکز خمیده شوند (تابیدگی بالشتکی).
یکی از راه‌های آزمودن کارایی عدسی، بررسی تصویری است که عدسی از تعدادی خطوط سیاه و سفید موازی با هم ارائه می‌دهد. هرچه تعداد خط‌ها در واحد اندازه گیری بیش‌تر باشد و عدسی قادر به متمایز ساختن آن‌ها شود، کاراتر است. به عنوان مثال، قدرت تفکیک هشتاد تا صد جفت خط در میلیمتر روی فیلم ریزدانه (Finegrain)، برای عدسی یک دوربین صد و سی و پنج میلیمتری معمولی بسیار خوب تلقی می‌شود. وضوح بصری تصویر هم‌چنین به میزان کنتراست نیز بستگی دارد. متخصصان معمولاً میزان کنتراست تصویر را با منحنی انتقال کنتراست نشان می‌دهند.
عدسی‌های مخصوص: غیر از عدسی‌های معمولی که هر یک فاصله‌ی کانونی معینی دارند، عدسی‌هایی نیز با طرح‌ها و یا مشخصات فنی خاص تولید می‌شوند. عدسی‌های تله فتو عدسی‌های دارای فاصله‌ی کانونی بلند هستند که از نظر اندازه نیز بزرگ هستند و از یک لوله و یا بدنه که اجزای عدسی را در بر می‌گیرد تشکیل شده‌اند. عدسی‌های تله فتو معمولاً جمع و جور هستند و تلفیق چند عدسی باعث می‌شود که فاصله‌ی بین آخرین جزء عدسی و فیلم و طول کل عدسی به میزان قابل ملاحظه ای کوتاه‌تر از فاصله‌ی کانونی مؤثر آن باشد. به عبارت صحیح، واژه‌ی تله فتو فقط به عدسی‌هایی اطلاق می‌شود که طول آن‌ها با تلفیق چند عدسی کاهش یافته باشد. ولی غالباً همه‌ی عدسی‌های با فاصله‌ی کانونی بلند را عدسی تله فتو یا به اختصار تله می‌نامند.
اگر عدسی یک دوربین از نوع قابل تعویض باشد با قرار دادن مبدل تِلِه کانوِرتر بین دوربین و عدسی می‌توان یک عدسی معمولی را به عدسی تله فتوی ساده‌ای مبدل کرد که از لحاظ قیمت هم از یک عدسی تله فتو ارزان‌تر تمام می‌شود. اما معمولاً گشادگی عدسی کاهش می‌یابد و از وضوح تصویر نیز کاسته می‌شود.
عدسی‌های واید انگل (گشاد زاویه) با فاصله‌ی کانونی کوتاه معمولاً نزدیک به فیلم قرار می‌گیرند. در دوربین‌های تک عدسی انعکاسی آینه‌ی متحرک احتیاج به فاصله‌ای میان عدسی و فیلم دارند. به همین دلیل در چنین دوربین‌هایی از عدسی‌های واید انگل (و گاه عدسی‌های معمولی) از عدسی‌های معکوس (یا رتروفوکوس) استفاده می‌کنند. در چنین عدسی‌هایی کانون پسین به میزان قابل توجهی بیش‌تر از فاصله‌ی کانونی است.
در مواردی در عکاسی، زاویه‌ی دید باید بیش از صد و ده درجه باشد. نزدیک کردن عدسی به فیلم به منظور حصول این امر مشکل است. عدسی چشم ماهی (فیش آی) پرتوهای نور را در پشت عدسی کم‌تر از جلوی عدسی متباعد می‌کند. تصویر حاصل دارای تابیدگی است و جزئیات تصویر در اطراف لبه‌ها و گوشه‌های عکس رفته رفته به یک‌دیگر می‌پیوندند. عدسی چشم ماهی معمولاً صد و چهل تا دویست و ده درجه را پوشش می‌دهد. این نوع عدسی برای ارائه‌ی تصاویر نامتعارف به کار می‌رود که در آن‌ها تابیدگی تصویر به عمد مورد نظر است. این عدسی‌ها هم‌چنین موارد استفاده‌ی علمی نیز دارند که به عنوان مثال برای گرفتن عکس‌های افق تا افق از آسمان به منظور بررسی چگونگی تشکیل ابرها به کار می‌روند.
از آینه‌های منحنی نیز می‌توان برای ایجاد تصویر استفاده کرد. این روش از قدیم در تلسکوپ‌های نجومی به کار می‌رفته است و اکنون در عدسی‌های با فاصله‌ی کانونی بلند و در عین حال کم‌حجم و کوتاه به کار می‌رود و به کمک آن نور را به طرف آینه برمی‌گردانند. یک عدسی آینه‌ای یا کاتادیوپتریک مطلقاً فاقد کج‌نمایی رنگی است.سایر خطاها را نیز می‌توان با استفاده از یک یا چند عدسی مناسب اصلاح کرد. در این عدسی‌ها آینه‌ی اولیه دارای روزنه‌ای برای ورود نور است. استفاده از دیافراگم معمولی برای کاهش دادن نور دشوار است و بنابراین برای کنترل ورود نور در این عدسی‌ها از فیلترهای خنثای چگالی (ND) استفاده می‌کنند.
در عدسی‌هایی که کانون آن‌ها قابل تغییر است فاصله‌ی کانونی را می‌توان با جابه‌جا کردن برخی از اجزای داخلی عدسی یا چند گروه از عدسی‌ها تغییر داد و بدین ترتیب یک عدسی را می‌توان جانشین تعداد زیادی عدسی قابل تعویض کرد. عدسی با کانون متغیر یا زوم در ابتدا برای سینما طراحی شد. امروزه استفاده از این نوع عدسی در دوربین‌های تک عدسی انعکاسی (SLR) که در منظره‌یاب آن ها می‌توان تصویر حاصل از عدسی را به خوبی بررسی کرد، متداول است. در یک عدسی زوم، تصویر از لحاظ مقیلس تغییر می‌کند اما از نظر وضوح در خلال تنظیم عدسی تغییری در آن حاصل نمی‌شود. با این حال برخی از این نوع عدسی‌ها در فواصل کانونی متفاوت به تنظیم مجدد نیازمندند. بنا به اقتضای کار، عدسی‌های زوم ساختمانی پیچیده دارند. برخی شامل دوازده تا بیست جزء (عدسی) هستند. عدسی‌های زوم در دوربین‌های عکاسی دارای نسبت فاصله‌ی کانونی دو بر یک تا چهار بر یک یا بیش‌تر هستند (به عنوان مثال سی و پنج تا صد و سی و پنج میلیمتری برای یک دوربین انعکاسی سی و پنج میلیمتری).