Фотографический объектив. Основные характеристики

Это оптическая система, создающая действительное изображение в плоскости светочувствительного материала. Кроме оптической системы в состав объектива входит его оправа, механизм диафрагмы; в некоторых объективах имеется встроенный затвор и механизм привода для фокусировки.

Основные характеристики объектива удобно рассмотреть на примере тонкой линзы, свойства которой изучаются в школьном курсе физики, откуда следует, что параллельный пучок света, пройдя через положительную (или собирательную) линзу, концентрируется в одной точке, расположенной сзади центра линзы на определенном расстоянии, называемом фокусным расстоянием. Примером такого пучка является свет, приходящий от звезд. Каждую точку видимого объекта, расположенного на большом расстоянии от линзы, можно считать источником параллельного пучка света. Каждый такой пучок будет сконцентрирован линзой в точку. Множество всех точек, полученных в результате фокусирования параллельных пучков света, располагается на плоскости, удаленной от центра линзы на величину фокусного расстояния. Эта плоскость называется фокальной.

Объекты, которые располагаются не очень далеко от линзы, можно также рассматривать как совокупность точечных источников света, но пучки этого света являются расходящимися. Положительная линза будет концентрировать в точки и расходящиеся пучки света, но эти точки будут располагаться за фокальной плоскостью; и чем дальше от фокальной плоскости, тем ближе к линзе находится объект. Каждая точка объекта будет отображена точкой, расположенной на определенном расстоянии от центра линзы. Объекты, расположенные в одной плоскости, называемой плоскостью объектов, будут отображены также в плоскости, называемой плоскостью изображения.

Расстояние от центра линзы до плоскости изображения В определяется формулой тонкой линзы 1/A+1/B=1/f, где А – расстояние от объекта до центра линзы, f – фокусное расстояние. Соотношение размера изображения и объекта определяется формулой А¹В¹/АВ=В/А, для удаленных объектов можно пользоваться приближенной формулой А¹В¹/АВ=f/А. Отсюда следует, что размер изображения объекта пропорционален фокусному расстоянию объектива.

В частном случае, если расстояние от объекта до центра линзы равно удвоенной величине фокусного расстояния, то расстояние от центра линзы до плоскости изображения будет также равно удвоенной величине фокусного расстояния, а размер изображения будет равен размеру объекта.

Для обеспечения резкого изображения объекта необходимо совместить плоскость изображения с плоскостью светочувствительного материала. Эта операция называется фокусировкой или наводкой на резкость. Она осуществляется перемещением линзы (объектива) относительно плоскости светочувствительного материала.

А теперь разберемся, что такое резкость. Как уже говорилось, в фокальной плоскости будут резко отображены только объекты, удаленные в бесконечность. С приближением объектов плоскость изображения, т.е. плоскость, где изображение будет резким, удаляется от фокальной плоскости. Что же произойдет с изображением на фотопленке, если ее плоскость не совпадает с плоскостью изображения? Чтобы ответить на эти вопросы, познакомимся с понятием «кружок рассеяния».

Поскольку все соотношения, касающиеся тонкой линзы, также справедливы для фотографических объективов, в дальнейшем будут применяться оба термина как равноправные, если иное не оговорено.

Ранее мы считали изображение резким, если каждая точка объекта отображена точкой его изображения. При этом понятию точки придавали математический смысл. Т.е. такой «шарик», диаметр которого стремится к нулю. Физической моделью такой точки может служить звезда, угловые размеры которой настолько малы, что не определяются ни оптическими приборами, ни тем более глазом. Оказывается, глаз воспринимает все объекты, угловые размеры которых меньше 1,5 угловых минут так же как точки.

Применительно к фотографии это означает, что если каждая точка объекта на фотографии превратится в кляксу произвольной формы с угловыми размерами не более 1,5 минут, то такое изображение будет восприниматься резким. В оптике такую кляксу называют кружком рассеяния. Т.е. кружок рассеяния ограничивает площадь, занимаемую изображением точки. В фотографии принято, что при рассматривании отпечатка с расстояния 25-30 см изображение считается резким, если диаметр кружка рассеяния не превышает 0,1 мм. Негативы, изображение с которых подвергается увеличению, должны иметь кружок рассеяния диаметром не более 0,02-0,05 мм.

Теперь становится ясным, что, если допускается заданная нерезкость изображения, то допускается помещать объекты не только в плоскости, соответствующей плоскости изображений, но и в некотором интервале расстояний.

Интервал расстояний, в котором располагаются предметы, отображаемые с заданной степенью нерезкости, называется глубиной резко изображаемого пространства или просто глубиной резкости.

От чего же зависит глубина резкости? Во-первых, от заданного диаметра кружка рассеяния – чем он больше, тем больше глубина резкости. Во-вторых, от диаметра (или относительного отверстия) объектива – чем больше диаметр объектива, тем меньше глубина резкости. В-третьих, от фокусного расстояния объектива – чем оно больше, тем меньше глубина резкости, и от расстояния до объекта, на который наведена резкость.

Многие оправы объективов снабжаются шкалой глубины резко изображаемого пространства.

Познакомимся еще с двумя понятиями, относящимися к объективу. Это светосила и диафрагменное число. Оптическая сила линзы зависит от радиусов кривизны поверхностей и коэффициента преломления стекла. Диаметр линзы на ее фокусное расстояние влияние не оказывает. На что же он влияет? Чуть раньше отмечено, что чем больше диаметр линзы, тем меньше глубина резкости. Какой же смысл выпускать линзы и объективы с большим диаметром? Очевидно, что чем больше диаметр объектива, тем больше света он пропускает и тем ярче оказывается изображение на светочувствительном материале, и тем меньшую выдержку нужно для экспонирования. В этом и заключена польза от объективов, имеющих большой диаметр линз.

Для того, чтобы производить регулирование освещенности изображения и глубины резкости, объективы снабжаются механизмом диафрагмы. Он представляет собой набор лепестков, ограничивающих световой поток, проходящий через объектив. На оправе объектива имеется кольцо регулировки диаметра рабочего отверстия объектива.

Механизм диафрагмы снабжен шкалой диафрагменных чисел, которые представляют собой отношение фокусного расстояния к входному зрачку объектива. Для простейших оптических систем входной зрачок равен диаметру отверстия диафрагмы. Шкала диафрагм имеет стандартный ряд: 1; 1,4; 2; 2,8; 4 и т.д. Она построена таким образом, что при увеличении диафрагменного числа на одну ступень, освещенность изображения уменьшается вдвое.

Максимальный диаметр входного зрачка объектива определяет его максимальное относительное отверстие, которое определяется как отношение диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию. Максимальное относительное отверстие называют светосилой объектива.

Фокусное расстояние и светосила являются основными характеристиками объектива.

До сих пор мы полагали, что одиночная линза является идеальной оптической системой, преобразующей яркостную картину объекта в соответствующее изображение. Признаки идеальной системы таковы: каждая точка объекта преобразуется в точку изображения; прямая линия преобразуется в прямую; изображение плоского объекта находится в одной плоскости и т.д. Реальная же линза далеко не соответствует этим признакам. Препятствием к созданию такой идеальной системы являются физические законы, находящиеся в противоречии с идеальной геометрической оптикой. Эти противоречия приводят к множеству искажений – аберраций, свойственных не только простейшей линзе, но и сложным оптическим системам. Познакомимся с основными видами аберраций.

Хроматическая аберрация обусловлена отличием коэффициентов преломления (дисперсией) оптического стекла для различных участков спектра. Так коэффициент преломления красных лучей обычно меньше, чем синих. Поэтому фокусные расстояния одиночной линзы для красного цвета будет больше, чем для синего. Практически хроматическая аберрация проявляется в виде радужного ореола, окружающего границы изображения. В черно-белой фотографии хроматическая аберрация проявляется снижением резкости изображения. Для ее устранения используют комбинации линз, выполненных из стекол с различной дисперсией. Простейшая оптическая система с устраненной хроматической аберрацией называется ахроматом и представляет собой комбинацию собирающей и рассеивающей линз.

Сферическая аберрация связана с отличием фокусных расстояний центральной части линзы и ее краев. Для уменьшения этого вида аберраций применяют комбинации линз, отличающихся маркой оптических стекол и кривизной поверхностей. Остаточной сферической аберрацией обладают все современные объективы. В наименьшей мере она устранена в объективах, содержащих линзы с несферической поверхностью (асферические линзы).

Схемы фотообъективов (в порядке усовершенствования конструкций): а) монокль; б) ахромат; в) перископ; г) триплет; д) анастигмат.

Астигматизм проявляется в том, что точки объекта преобразуются оптической системой в отрезки перпендикулярных прямых, расположенных на различных расстояниях от оптического центра объектива. В большей степени астигматизм проявляется на краях поля изображения. Для устранения астигматизма применяется комбинация линз с разным знаком астигматизма. Объективы с исправленным астигматизмом называются анастигматами. Все современные объективы, кроме простейших, являются анастигматами.

Дисторсия характеризует искажение геометрической формы объекта. При этом прямые из пространства объектов преобразуются в кривые в пространстве изображения. Имеется два вида дисторсии. При подушкообразной дисторсии прямоугольник из пространства объектов преобразуется в вогнутую фигуру (подушку). При бочкообразной дисторсии прямоугольник превращается в выпуклую фигуру (бочку). Дисторсия в большей степени проявляется в широкоугольных объективах и объективах с переменным фокусным расстоянием. В высококачественных объективах дисторсия не превышает одного процента, в посредственных - достигает 5%. Имеется особая категория так называемых дисторсирующих объективов, у которых дисторсия предусматривается конструкцией. Сюда относятся сверхширокоугольные объективы типа «рыбий глаз».

Кроме перечисленных аберраций оптические системы имеют еще множество дефектов, приводящих к ухудшению качества изображения. Причем эти дефекты проявляются совместно. Для их устранения применяются сложнейшие комбинации линз, отличающихся кривизной поверхностей, диаметром, маркой оптического стекла. Сложные объективы содержат 15 и более линз. Создание таких объективов требует концентрации различных разделов современной науки и технологии.

Увеличение числа линз стало возможным лишь после создания особых способов просветления линз. Суть просветления заключается в создании на поверхностях линз нескольких прозрачных слоев с различными коэффициентами преломления. Это покрытие проявляется в виде цветного оттенка, видимого на линзах просветленных объективов. Просветляющие покрытия в десятки раз уменьшают количество света, отраженного от каждой поверхности линзы. За счет этого увеличивается количество света, прошедшего через объектив, и снижается рассеяние света поверхностями линз.

Естественно, пользователю фотоаппарата совсем не обязательно знать все премудрости конструирования и производства объективов, достаточно знать внешние характеристики и уметь пользоваться ими.

Основные характеристики фотографических объективов

Как правило, фотографические объективы проектируются для использования с фотоаппаратами конкретных типов. Одни аппараты снабжаются жестко встроенным объективом, другие рассчитаны на применение линейки объективов с различным функциональным назначением. Наиболее существенной характеристикой, определяющей основные характеристики объектива, является размер обслуживаемого кадра. Лишь в пределах обслуживаемого кадра гарантируется качество изображения.

Основными характеристиками объективов являются:

· Фокусное расстояние;

· Угол поля зрения;

· Относительное отверстие;

· Разрешающая способность.

Имеется еще ряд характеристик, носящих справочный характер:

· Коэффициент светорассеяния или светопропускания;

· Дисторсия;

· Минимальная дистанция фокусировки;

· Диаметр применяемых насадок;

· Число линз, элементов;

· Массогабаритные характеристики.

Остановимся на понятиях, которые ранее не встречались. Угол поля зрения характеризует угол в пространстве объектов, отображаемый объективом по диагонали обслуживаемого кадра. Длянедисторсирующих объективов размер кадра и фокусное расстояние однозначно определяют угол поля зрения (или просто угол зрения). В таблицах приведено соотношение фокусного расстояния f и угла зрения2ω.

2ω=f (f) для кадра 24х36 мм

f, мм	15	18	20	24	28	35	50	85	135	200	400	800
2ω	110˚	100˚	94˚	84˚	74˚	62˚	46˚	28,5˚	18˚	12,3˚	6,2˚	3˚

2ω=f (f) для кадра 60х70 мм.

f, мм	50	65	75	90	127	140	180	210	250	350	500
2ω	81˚	68˚	61˚	52˚	39˚	36˚	28˚	24˚	21˚	15˚	10˚

 

Иллюстрация зависимости угла поля зрения от фокусного расстояния объектива (съемка производилась с одной точки): на первой фотографии наименьшее фокусное расстояние, на последней - наибольшее

По углу поля зрения объективы подразделяются на:

· широкоугольные или короткофокусные, у которых 2ω>60˚;

· нормальные, у которых 2ω=45-60˚;

· узкоугольные или длиннофокусные, у которых 2ω<45˚.

Оптические схемы объективов: 1) нормальный; 2) длиннофокусный; 3) телеобъектив; 4) широкоугольный (ретрофокусный); 5) "рыбий глаз".

Объективы, у которых 2ω>90˚, иногда называют сверхширокоугольными. Заметим, что длиннофокусные объективы не всегда верно называют телеобъективами. Термин телеобъектив неудачно присвоен особой оптической схеме объективов, характеризующейся тем, что их длина может быть существенно меньше фокусного расстояния. Поэтому большинство длиннофокусных объективов делается по схеме телеобъективов.

Из таблиц видно, что для большего размера кадра требуются объективы с большим фокусным расстоянием, чтобы обеспечить заданный угол зрения.

Понятие нормальных объективов связано с особенностями нашего зрения. Именно объективы с углом зрения близким к 45˚ дают изображение близкое к нашему восприятию. Изображение, полученное с широкоугольными и длиннофокусными объективами, кажется нам искаженным. Поэтому почти все аппараты в качестве основного (штатного) используют нормальные объективы. Особенно это относиться к встроенным объективам

Нормальные объективы, как правило, имеют простую конструкцию при высоком качестве изображения, отличаются дешевизной и малыми габаритами.

Широкоугольные и длиннофокусные объективы существенно расширяют технические и творческие возможности фотографа. Почти все современные «серьезные» фотоаппараты предусматривают применение сменных объективов. В приведенных выше таблицах указаны характерные величины фокусных расстояний сменных объективов, выпускаемых промышленностью. Их поле зрения составляет от единиц до 110 градусов. По мере удаления угла поля зрения объективаот нормального растет его сложность, увеличиваются габариты и цена.

Особый класс составляют дисторсирующие объективы. У них нарушается соответствие фокусного расстояния и формата кадра. Объективы «рыбий глаз» «Nikkor» имеют фокусные расстояния 6, 8, 16 мм с углом зрения 220˚, 180˚, 180˚ соответственно. В силу сильных геометрических искажений они применяются редко, хотя все ведущие оптические фирмы выпускают объективы этого класса.

Еще одной разновидностью объективов являются объективы с переменным фокусным расстоянием, так называемые зум-объективы. Их оптическая схема предусматривает изменение расстояний между элементами объектива таким образом, чтобы фокусное расстояние изменялось в заданных пределах. С целью снижения аберраций во всем диапазоне фокусных расстояний применяются чрезвычайно сложные оптические схемы, содержащие более десяти линз. Современные зум-объективы имеют диапазон перестройки фокусных расстояний до 1:10. Как правило, с увеличением диапазона перестройки ухудшаются технические характеристики объектива: разрешающая способность, светосила, светорассеяние и т.п. Многие аппараты оснащаются зум-объективами в качестве штатных объективов.

Относительное отверстие (светосила) характеризует соотношение яркостей объекта и его изображения. Принято считать, что, чем выше светосила, тем лучше объектив, и это справедливо, но только в определенном смысле. Во-первых, высокая светосила позволяет производить съемку в неблагоприятных условиях освещенности при короткой выдержке, во-вторых, светосильный объектив позволяет произвести более точную наводку на резкость в зеркальных камерах, и, в-третьих, малая глубина резкости, свойственная светосильным объективам с открытой диафрагмой, может использоваться в качестве выразительного средства в творческой фотографии. Как правило, максимальную светосилу имеют нормальные объективы. Так фирма «Canon» выпускает объектив с относительным отверстием 1:1 при фокусном расстоянии 50 мм. Это в настоящее время самый светосильный фотографический объектив общего назначения. Наиболее распространенные нормальные фотографические объективы для малоформатных камер имеют относительное отверстие 1:1,4-1:2. Объективы среднеформатных камер имеют меньшую светосилу 1:2,8-1:4. Еще меньшую светосилу имеют длиннофокусные объективы. Высокая светосила объектива достигается путем увеличения диаметра и толщины линз, увеличения их количества, что приводит к ряду неприятностей. Самыми малыми из них являются большой вес, габариты и стоимость. Более серьезные - связаны с оптическими характеристиками. Светосильные объективы, как правило, имеют меньшую разрешающую способность, большие искажения и увеличенное светорассеяние. Поэтому, если светосила не является определяющим фактором, предпочтение следует отдать объективам с умеренной светосилой, но с меньшим светорассеянием, повышенной резкостью и меньшими искажениями.

Мира (тест-объект) для проверки разрешающей способности объектива: а) радиальная; б) линейная.

Разрешающая способность является характеристикой качества объектива, которая является итогом всех стадий создания объектива. Все виды аберраций, неточность изготовления линз и оправы, неточность юстировки – все это приводит к снижению разрешающей способности объектива.

Разрешающая способность характеризует возможность объектива передавать раздельные изображения мелких деталей. Она измеряется в линиях на миллиметр, показывая тем самым, какое максимальное число полос (линий) может быть различимо в плоскости изображений. Чем выше разрешающая способность, тем лучше качество объектива. Для данного объектива она зависит от диафрагменного числа и достигает максимума на его средних значениях 5,6-11; на меньших значениях сказывается влияние аберраций, на больших - явление дифракции света. В центре объектива разрешающая способность выше, чем на краю. Объективы малоформатных фотоаппаратов имеют разрешающую способность 30-70 линий на миллиметр. Разрешающая способность проверяется фотосъемкой специальной миры.

Светорассеяние объектива характеризует ту часть света, которая прошла через объектив, но не участвует в формировании изображения. Эта часть света рассеивается в камере и производит общую засветку фотоматериала, снижая тем самым контраст изображения. Коэффициент светорассеяния современных объективов составляет 2-3%. Снижение светорассеяния достигается применением просветляющих покрытий, чернением и рациональным конструированием оправы объектива.

Меньшим светорассеянием обладают простые объективы с умеренной светосилой, нормальным фокусным расстоянием и малым числом линз.

Большее светорассеяние имеют многолинзовые зум-объективы, длиннофокусные и светосильные объективы.