Если лучи света падают на поверхность воды под некоторым углом, то они частично отражаются обратно в атмосферу, а частично преломляются и проникают в воду. При этом падающий, отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к поверхности воды в точке падения луча (рис. 12).
Угол отражения α1 всегда равен углу падения α (по закону отражения).
Рис. 12. Отражение и преломление света, проходящего из воздуха в воду.
Направление преломленного луча, под которым он проникнет в воду, отличается от первоначального направления падающего луча. Свойство оптической среды изменять направление входящего в нее луча характеризуется показателем преломления. Угол в, образуемый преломленным лучом с нормалью АБ к поверхности раздела, и угол падения а - связаны зависимостью
sin α / sin β = n1 / n2
(2)
где n1 и n2 - показатели преломления воздуха и воды, а α и β - соответственно углы падения и преломления.
Показатель преломления для воздуха принимается равным единице, а показатель преломления для воды равен 1,33, или 4/3. Падающий и преломленный лучи при переходе из воды в воздух взаимно обратимы.
Проникая в оптическую среду с большим показателем преломления, луч света приближается к нормали, поэтому всегда
sin α > sin β
(4)
С увеличением угла α угол β будет также увеличиваться. Когда угол α достигнет 90° (sin 90° = 1), т. е. луч будет параллелен поверхности, преломленный луч будет еще направлен в толщу воды под углом 48,5° Этот угол носит название критического.
Рис. 13. Схема, поясняющая явление критического угла.
Если угол β более критического, то человек, находящийся под водой и смотрящий в сторону поверхности под этим углом, не увидит предметы, расположенные над водой, а будет наблюдать подводные объекты, отраженные от поверхности воды. Это явление в оптике носит название полного внутреннего отражения (рис. 13).
При наблюдении предметов под водой незащищенными маской глазами четкое изображение на сетчатке не получается в силу близкого значения показателей преломления воды и глазных сред. Хрусталик глаза, выполняющий роль линзы, фокусирующей изображение на сетчатку глаза, не может преломить на достаточный угол лучи света. Поэтому изображение предметов фокусируется за сетчаткой, как при дальнозоркости.
Когда подводник смотрит через стекло маски, он видит все предметы четкими, но увеличенными в масштабе и приближенными на 1/4 действительного расстояния.
Рис. 14. Изменение углового поля зрения под водой при использовании плоскопараллельного иллюминатора: α - угол поля зрения на воздухе; β - угол поля зрения в воде.
Кажущееся приближение и масштабное увеличение предметов, рассматриваемых под водой, объясняются законом Преломления. На рис. 14 показано, как изменяется угол поля зрения под водой при пользовании маской. Это происходит вследствие различных показателей преломления на границах оптических сред: вода - стекло - воздух. Лучи света, отражаемые объектом наблюдения, преломляются дважды на границах вода - стекло и стекло - воздух. Если перед глазом или объективом камеры находится плоскопараллельная стеклянная пластинка, то угол поля зрения уменьшится.
Пользуясь формулой (2), нетрудно подсчитать, в каких пределах уменьшается угол поля зрения:
sin α / sin β = 1,33 / 1
(5)
Откуда
sin β = 1 / 1,33 · sin α ≈ 0,75 sin α
(6)
т. е. угол β ~ 0,75 α.
Уменьшение угла поля зрения на 1/4 приводит к тому, что наблюдаемые предметы под водой будут казаться на 1/4 ближе действительного расстояния и соответственно на 1/4 увеличенными в масштабе.
Важно отметить, что под водой фотографируется именно это кажущееся, увеличенное в масштабе изображение предметов. При этом для получения резкого снимка объектив следует фокусировать также на расстояние, равное 3/4 действительного.
Например, если объект съемки находится на расстоянии 4 м, то объектив должен быть установлен на 3 м.
Таким образом, фокусное расстояние объективов под водой как бы увеличивается. В силу этого явления под водой целесообразно применять короткофокусные объективы, обладающие широкими углами поля зрения. Это дает возможность снимать с более близких расстояний, уменьшая тем самым толщину слоя воды между камерой и объектом съемки и снижая рассеивающее действие взвешенных частиц. Кроме того, короткофокусные объективы обладают большей глубиной резкости в сравнении с обычными (основными), устанавливаемыми на съемочные камеры.
В табл. 1 сравниваются углы поля изображения некоторых отечественных объективов для фотоаппаратов на воздухе и в воде.
Из табл. 1 видно, что угол поля изображения объектива с фокусным расстоянием 35 мм. под водой, равный 48° по диагонали кадра, почти соответствует углу объектива с фокусным расстоянием 50 мм на воздухе - 47°. Таблица помогает выбрать нужный объектив для съемки тех или иных объектов.
Таблица 1
Угловое поле изображения объективов для фотоаппаратов на воздухе и в воде (для кадра 24 X 36 мм)
Объектив
Фокусное
расстояние,
мм
Угол поля изображения объектива, градусы
по диагонали кадра
по горизонтали кадра
по вертикали кадра
на воздухе
в воде
на воздухе
в воде
на воздухе
в воде
„Юпитер-8"
50
47
35
40
30
27
20
"Юпитер-12"
35
64
48
54
40
38
28
"Орион-15"
28
75
56
65
40
47
35
„Гидроруссар"
18,5
99
74
88
66
57
43
Для фотографирования группы людей или подводных сооружений применяются объективы с наиболее коротким фокусным расстоянием, так как съемка подобных объектов с достаточно близкого расстояния возможна только широкоугольными объективами. Если же нужно получить снимки мелких объектов крупным планом, целесообразно ис-пользовать объектив среднего фокуса или длиннофокусный.
При съемке мелких рыб, крабов, водорослей пользуются следующим приспособлением. На заранее рассчитанном расстоянии перед иллюминатором бокса укрепляется рамка (рис. 15).
Рис. 15. Установка рамки для съемки мелких объектов с близкого расстояния а - расстояние от рамки до пленки в камере; б - расстояние, на которое фокусируется объектив (а X 0,75); в - глубина резко изображаемого пространства