Рыбий глаз (объектив)

Ры́бий гла́з («Фишай», транскрипция от англ. fish-eye) — разновидность сверхширокоугольных объективов с целенаправленно увеличенной дисторсией, другое название дисторси́рующие (или «дисторзирующие») объективы. От обычных (ортоскопических) короткофокусных объективов отличаются ярко выраженной бочкообразной дисторсией, позволяющей отображать пространство и предметы при помощи азимутальной, ортографической или стереографической проекций, в зависимости от конкретной оптической конструкции. За счёт сильных искажений угловое поле «рыбьего глаза» может достигать 180° или даже превышать эту величину, что недоступно для ортоскопической оптики, реализующей гномоническую проекцию окружающего пространства.

Независимо от типа аппаратуры, для которой предназначен «рыбий глаз», его оптическая конструкция строится по ретрофокусной схеме с отрицательными менисками в передней части, и положительными линзами в задней. Дисторсирующие объективы могут быть как с фиксированным, так и с переменным фокусным расстоянием.

Изображение, полученное с помощью объектива «Рыбий глаз» диагонального типа

Историческая справка

Основная статья: История фотообъектива

Название «рыбий глаз» подчёркивает сходство изображения, даваемого таким объективом, с эффектом «окна Снелла», благодаря которому подводные обитатели видят всю верхнюю полусферу надводного мира в пределах конуса шириной около 90 градусов. Это объясняется законом Снеллиуса, то есть, резким перепадом показателя преломления на границе воды и воздуха. Впервые термин использовал в 1911 году американский физик-экспериментатор Роберт Вуд (англ. Robert Williams Wood) в своей книге «Физическая оптика». За 5 лет до этого он смоделировал подобную оптическую систему, поместив на дно ведра, заполненного водой, фотопластинку, а на половине глубины над ней линзу с точечной диафрагмой. Полученное изображение, несмотря на низкое качество, продемонстрировало возможность получения полусферического обзора. В дальнейшем Вуд усовершенствовал съёмочную камеру, заполнив водой герметичную металлическую коробку с отверстием.

«Циркулярный» рыбий глаз «Fish-Eye Nikkor 2,8/6» с фотоаппаратом «Nikon F2 Photomic». Объектив диаметром более 20 см. создавался специально для Антарктической экспедиции и обладает угловым полем 220°

Приоритет в создании дисторсирующего объектива принадлежит английскому биохимику Робину (Роберту) Хиллу (англ. Robert Hill), запатентовавшему в декабре 1923 года трёхлинзовую оптическую систему, состоящую из сильного отрицательного мениска, расположенного перед положительным склеенным ахроматом. Такое устройство могло обеспечить угловое поле, охватывающее небосвод целиком, и достаточное для регистрации всей облачности. При этом, за счёт неисправленной дисторсии становится доступным поле зрения 180° на изображении конечного размера. Ортоскопический объектив неспособен обеспечить такой охват, поскольку размеры изображения в этом случае стремятся к бесконечности.

Первый объектив Хилла под названием Hill Sky Lens изготовлен в 1924 году лондонской компанией Beck of London. Несмотря на чрезвычайно низкую светосилу f/22, объектив давал вполне чёткое изображение в форме круга, и позволял одним кадром снимать всю небесную полусферу при помощи камеры с тем же названием Hill Sky Camera. В 1929 году советский оптик Владимир Чуриловский рассчитал оптическую схему аналогичной широкоугольной камеры, объектив которой состоит из двухлинзового отрицательного дистортера и расположенного за ним ортоскопического объектива типа «Тессар». Комбинация обеспечивала угловое поле 127° при светосиле f/5,6. В 1933 году на основе объектива Чуриловского реализована технология аэрофотосъёмки больших площадей местности с дешифровкой снимков оптическим ортотрансформатором, вносящим обратные искажения.

Вскоре светосильный «рыбий глаз» был создан и в Германии: в 1932 году компанией AEG получен патент № 620 538 на пятилинзовый Weitwinkelobjektiv, разработанный Гансом Шульцем (нем. Hans Schulz). Объектив был настолько хорош, что позволял вести моментальную съёмку, и уже в 1935 году фотохудожник Умбо снимал им эффектные репортажи. В 1938 году на основе немецкой разработки, доставшейся Японии в рамках Стального пакта, создан Fish-eye Nikkor 16/8,0, после войны выпускавшийся для «рольфильма». В том же году немецкий оптик Роберт Рихтер (нем. Robert Richter) сконструировал шестилинзовый Zeiss Pleon, который использовался во время Второй мировой войны для фоторазведки. Современный «рыбий глаз» для малоформатных фотоаппаратов и «кропнутых» цифровых камер ведёт своё происхождение от следующей немецкой разработки Zeiss Sphaerogon, сконструированной перед войной оптиком Вилли Мертэ (нем. Willy Merté), и вывезенной Армией США в 1947 году из захваченного Музея Carl Zeiss.

Первые дисторсирующие объективы рассчитывались на регистрацию всего круга изображения, который вписывали в квадратный или прямоугольный кадр. В 1963 году компания Asahi optical выпустила первый полнокадровый или «диагональный» Fish-eye Takumar 18/11,0, кроющий прямоугольный кадр целиком с полусферическим обзором только по диагонали. Этот тип «рыбьего глаза» оказался более востребованным в обычной фотографии, поскольку даёт изображение привычной формы. С середины 1960-х годов дисторсирующая оптика прочно заняла место в каталогах оптических фирм, продаваясь как для специальных целей, так и в качестве дополнения к стандартной линейке ортоскопических объективов. В СССР дисторсирующая оптика стала доступна рядовым фотографам в конце 1970-х годов с появлением «гражданских» моделей «Зодиак-2» и «Зодиак-8». Все они были «диагональными», заполняя целиком малоформатный и среднеформатный кадры соответственно.

«Рыбьему глазу» нашлось применение в фотожурналистике, фотоискусстве и кинематографе в качестве яркого выразительного средства. Сверхширокоугольные объективы первой современной широкоформатной киносистемы Todd-AO для естественной передачи перспективы проектировались незначительно дисторсирующими. Сферорамные кинематографические системы (например, IMAX DOME) также основаны на использовании объективов типа «рыбий глаз» для съёмки и проекции изображения на полусферический экран. За счёт формы экрана искажения, присущие такой оптике, компенсируются и зрители наблюдают предметы в нормальной перспективе под большими углами, усиливающими эффект присутствия.

Основные разновидности

Прямые линии, не пересекающие оптическую ось, отображаются всеми дисторсирующими объективами в виде дугообразных кривых. Тем не менее, все объективы типа «рыбий глаз» принято разделять на две главные разновидности по степени заполнения кадрового окна камеры: «циркулярные» и «диагональные».

• Циркулярный (или «круговой») — в данном случае круг поля изображения, даваемого объективом, не заполняет кадровое окно целиком, а его диаметр близок к размеру короткой стороны кадра. Такой объектив имеет угол поля зрения 180° и более во всех направлениях. Зачастую габариты циркулярных объективов из-за большого диаметра передних линз превышают размеры камеры в несколько раз. Наиболее широкое применение они нашли в специальных областях прикладной фотографии, например в метеорологии для съёмки небосвода.
• Диагональный (или «полнокадровый») — полученный кадр целиком занят изображением, вырезаемым из круглого пятна, даваемого объективом. При этом угол поля зрения 180° соответствует диагонали кадра. Не всегда поле зрение «Рыбьего глаза» достигает 180°: у некоторых объективов оно меньше, и часто соответствует ортоскопическим сверхширокоугольникам, сохраняя при этом дисторсию.

• 
  Циркулярный
• 
  Диагональный
• 
  Обрезанный круг
• 
  Циркулярный
• 
  Обрезанный круг

Ещё одна разновидность является промежуточной, и круг изображения объектива не заполняет прямоугольный кадр полностью, но и не регистрируется на нём целиком, оставаясь обрезанным с двух сторон. При этом диаметр круга вписан по длинной стороне, а не по короткой, как у циркулярных объективов. Аналогичным образом выглядит изображение полнокадровых циркулярных объективов, установленных на «кропнутой» камере.

Отображение пространства

При создании обычных широкоугольных объективов стремятся свести к нулю дисторсию — искривление прямых линий, не проходящих через центр. Поэтому изображение, даваемое ортоскопическим объективом, эквивалентно гномонической проекции сферы на плоскость. В таком случае невозможно получить угловое поле 180°, так как край поля зрения окажется бесконечно удалённым. Для достижения полусферического обзора в объектив при его разработке намеренно вносят отрицательную дисторсию, которая обеспечивает специфическое отображение пространства, в зависимости от интенсивности искажения соответствующее той или иной геометрической проекции. В большинстве объективов, доступных фотографам, реализована равновеликая азимутальная проекция Ламберта, достижимая минимальной оптической сложностью. При этом зависимость между фокусным расстоянием $f'$ объектива и его полем зрения $2\cdot \omega$ сложнее, чем в ортоскопических объективах, и зависит от величины дисторсии, определяющей тип проекции сферы на плоскость.

Проекции пространства, реализованные в объективах различных оптических конструкций

Объект	Исходный объект в виде туннеля, фотографируемый из его центра влево перпендикулярно левой стене (обозначено стрелкой)
	Ортоскопический	Рыбий глаз
	Гномоническая	Стереографическая	Эквидистантная	Азимутальная	Ортографическая
Схема
Вид изображения
Функция отображения	$d=f'\operatorname {tg} (\omega )$	$d=2f'\operatorname {tg} (\omega /2)$	$d=f'\cdot \omega$	$d=2f'\sin(\omega /2)$	$d=f'\sin(\omega )$
Особенности	Отображает пространство в соответствии с законами линейной перспективы так же, как и камера-обскура. Прямые линии отображаются прямыми, а форма предметов сохраняет геометрическое подобие. При очень широких углах обзора объекты на краях поля зрения растягиваются в направлении от центра кадра.	Сохраняет углы между кривыми. Предпочтительно для фотографии, поскольку почти не сжимает объекты на краю поля зрения. Поле зрения полнокадровых объективов этого типа больше, чем у всех остальных при равном диагональном обзоре. Samyang является единственным производителем.	Сохраняет угловые размеры. Предпочтительно для угловых измерений, в том числе в астрофотографии. В научном сообществе считается «идеальной проекцией». Эквидистантная проекция доступна в приложениях PanoTools для склейки панорам.	Сохраняет соотношения площадей. Наиболее применимо при необходимости сопоставления поверхностей, например облачности или растительного покрова. Дисторсирующие объективы этого типа легче и компактнее других. Главный недостаток — сильное сжатие объектов на краю поля зрения.	Практически отсутствует виньетирование, а яркость равномерна по всему полю, благодаря чему такие объективы предпочтительны для фотометрических исследований. Очень сильно сжимает объекты на краю поля зрения, самого узкого из всех в диагональной версии.
Максимальное угловое поле	Меньше 180°. В пределе 130—140°	Не ограничено, может достигать 180° и более	Может превышать 180°. Известны объективы с охватом 250°	Не ограничено, может достигать 360°	Не может превышать 180°
Фокусное расстояние	$f'={\frac {d}{\operatorname {tg} \omega }}$	$f'={\frac {d}{2\operatorname {tg} (\omega /2)}}$	$f'={\frac {d}{\omega }}$	$f'={\frac {d}{2\sin(\omega /2)}}$	$f'={\frac {d}{\sin(\omega )}}$
Примеры	Все ортоскопические объективы	Samyang 7,5/2,8 Samyang 8/2,8 Samyang 12/2,8	Canon 7,5/5,6 Coastal Optical 7,45/5,6 Nikkor 6/2,8 Nikkor 7,5/5,6 Nikkor 8/2,8 Nikkor 8/8,0 «Пеленг» 8/3,5 Rokkor 7,5/4,0 Sigma 8/3,5	Canon 15/2,8 (1988) Minolta 16/2,8 (1971) Nikkor 10,5/2,8 Nikkor 16/2,8 (1995) Sigma 4,5/2,8 Sigma 8/4,0 Sigma 15/2,8 (1990) Zuiko 8/2,8	Nikkor 10/5,6 OP Madoka 180 7,3/4

Перспектива, аналогичная создаваемой объективами «Рыбий глаз», может быть воспроизведена методами вычислительной фотографии при объединении в общее изображение нескольких снимков, сделанных ортоскопической оптикой. Технология особенно популярна в цифровой панорамной фотографии. Большинство компьютерных приложений, предназначенных для склейки панорам, позволяют задавать различные проекции конечного изображения, в том числе стереографическую. В то же время, изображение, полученное «Рыбьим глазом», может быть программно трансформировано в обычное ортоскопическое, но с неизбежной и сильной потерей качества по краям поля.

Области применения

• Планетариями используются для проекции изображения небесной сферы;
• В авиационных тренажёрах для проекции изображения окружающего пространства на полусферические экраны. Это позволяет усилить «эффект погружения» для лётчиков, авиадиспетчеров и военных специалистов;
• В сферорамных кинематографических системах, например «IMAX DOME» (OMNIMAX) или «Спейсариум», объективы типа «рыбий глаз» используется для съёмки и проекции на полусферический экран;
• В сельском и лесном хозяйстве для измерения индексов растительного покрова и инсоляции;
• В астрономии используется для измерения облачного покрова и светового загрязнения, а также фиксации полярных сияний и следов от метеоров;
• В фотографии и кинематографе для съёмки в очень тесных помещениях и в качестве выразительного средства фоторепортажа;
• Компьютерная графика использует законы отображения, аналогичные перспективе «рыбьего глаза» для симуляции отражений в зеркальных сферических поверхностях;
• Большинство дверных глазков построены по оптической схеме «рыбьего глаза» для удобства наблюдения;
• Первый музыкальный видеоклип, снятый полностью «рыбьим глазом», создан в 1987 году на песню группы Beastie Boys;

• 
  Снимок судна «Академик Иоффе»
• 
  Снимок космического челнока «Атлантис»
• 
  Ночной снимок небесной полусферы
• 
  Снимок улицы
  «циркулярный» объектив
• 
  Интерьер. «Диагональный» объектив
• 
  Интерьер автомобиля
  «диагональный» объектив

Дисторсирующие насадки

Дисторсирующая насадка на камеру смартфона

Кроме полноценных объективов типа «Рыбий глаз» аналогичный вид изображения может быть достигнут обычной оптикой, на которую спереди надета широкоугольная насадка соответствующего типа. В этом случае насадка, действующая по принципу «перевёрнутого телеобъектива», увеличивает угловое поле, одновременно внося дисторсию. Насадки одинаково применимы как с дискретными объективами, так и с зумами. В последнем случае не все вариообъективы остаются работоспособными в полном диапазоне, обеспечивая эффект «Рыбьего глаза» только в положении «макро». Кроме того, такие насадки рассчитаны на очень близкое расположение к основному объективу, накладывая определённые ограничения на диаметр и конструкцию его оправы. Дисторсирующие насадки выпускаются и для камерафонов, к которым крепятся магнитным кольцом. Поле зрения камер с такими насадками не всегда достигает 180°, но характерная дисторсия обеспечивает необходимый изобразительный эффект.

Светофильтры

На объективах типа «рыбий глаз» невозможна традиционная установка светофильтров перед передней линзой. Светофильтры устанавливаются за задним оптическим элементом, что усложняет их оперативную смену и делает невозможным их вращение, необходимое для градиентных и поляризационных фильтров. Кроме того, недостаток пространства за последним оптическим компонентом в однообъективных зеркальных фотоаппаратах с подвижным зеркалом часто приводит к невозможности использования светофильтров в оправе из-за её толщины. В этих случаях на задней части оправы объектива предусматривается специальный держатель для плоских светофильтров из окрашенной тонкой полимерной плёнки. Старые модели объективов этого типа имеют встроенные револьверные диски со стандартным для чёрно-белой фотографии набором из жёлтого, оранжевого и красного светофильтров. Установка бленды на объектив также невозможна из-за неизбежного виньетирования ею поля зрения. Большинство диагональных объективов оснащается несъёмной блендой, интегрированной в оправу. Однако, из-за небольших размеров, такая бленда малоэффективна, и по большей части выполняет функцию защитного ограждения передней линзы.

Известные фотографы и их работы

• Умбо стал первым в истории фотохудожником, использовавшим «Рыбий глаз» в качестве изобразительного средства. В октябре 1937 года немецкий журнал Volk und Welt опубликовал фоторепортаж, снятый им двумя годами ранее первым достаточно светосильным Weitwinkelobjektiv.
• Лев Бородулин — первый советский фотожурналист, у которого появился объектив «Рыбий глаз». В 1964 году им создана одна из обложек журнала «Огонек»

См. также

• Панорамная фотография
• Широкоугольная насадка

Литература

• Людмила Березенцева, Владимир Савоскин. Оптические устройства и аксессуары управления для телевизионных объективов (рус.) // «625» : журнал. — 2011. — № 2. — С. 3—31. — ISSN 0869-7914. Архивировано 16 октября 2012 года.

• Д. С. Волосов. § 5. Широкоугольные дисторзирующие объективы // Фотографическая оптика. — 2-е изд. — М.,: «Искусство», 1978. — С. 329—333. — 543 с.

• Н. П. Заказнов, С. И. Кирюшин, В. И. Кузичев. Глава XV. Фотографический объектив // Теория оптических систем / Т. В. Абивова. — М.: «Машиностроение», 1992. — С. 240—268. — 448 с. — 2300 экз. — ISBN 5-217-01995-6.

• М. М. Русинов. Композиция оптических систем (рус.) / В. А. Зверев. — Л.: «Машиностроение», 1989. — 383 с. — 6100 экз. — ISBN 5-217-00546-7.

• Г. Г. Слюсарев. Расчёт оптических систем (рус.) / В. А. Панов. — Л.: «Машиностроение», 1975. — 640 с. — 11 000 экз.

• Валерий Тарабукин. Современные фотообъективы (рус.) // «Советское фото» : журнал. — 1988. — № 4. — С. 42, 43. — ISSN 0371-4284.

• Фомин А. В. § 5. Фотографические объективы // Общий курс фотографии / Т. П. Булдакова. — 3-е. — М.,: «Легпромбытиздат», 1987. — С. 12—25. — 256 с. — 50 000 экз.

• М. Я. Шульман. Фотоаппараты / Т. Г. Филатова. — Л.,: «Машиностроение», 1984. — 142 с.

• Рудольф Кингслэйк. История фотографического объектива = A History of Photographic Lens (англ.). — Rochester, New York: Academic Press, 1989. — 334 p. — ISBN 0-12-408640-3.

• Открывай неизведанное (рус.) // «Digital Photo» : журнал. — 2009. — Ноябрь (№ 79). — С. 106—109.

• Кинотеатры для систем кинематографа IMAX и OMNIMAX (рус.) // «Техника кино и телевидения» : журнал. — 1983. — № 10. — С. 70—72. — ISSN 0040-2249.

• Советские специальные фотоаппараты для аэрофотосъёмки (рус.) // «Фотокурьер» : журнал. — 2006. — № 4/112. — С. 22—28.