Объектив фотоаппаратов

Объектив — это система центрированных линз, собранных в оптический блок внутри специальной оправы. Между линзами располагается диафрагма.

Объектив служит для получения на светочувствительном слое изображения снимаемого объекта. От свойств объектива в значительной степени зависит качество полученного изображения.

На рис. представлен внешний вид объектива. Основными конструктивными элементами объективов являются оправа, линзы, диафрагма.

Оправа предназначена для правильного расчетного расположения в ней системы линз (4 и более), диафрагмы, механизма управления диафрагмой, а в некоторых оправах и механизма центрального затвора перед последней линзой. Оправа защищает линзы от смещения и механических повреждений.

С внешней стороны оправы находятся кольца для управления диафрагмой и фокусировки объектива. В передней части оправы предусмотрены

посадочные места для установки светофильтров и оптических насадок.

Объективы бывают жестко встроенными в корпус аппарата и съемными.

Съемный объектив крепится к корпусу фотоаппарата с помощью резьбового или байонетного (штыкового) соединения, которое позволяет быстро произвести замену на объектив с другими характеристиками.

Самый простой объектив — двояковыпуклая сферическая линза. На рис. представлено построение изображения в двояковыпуклой линзе, а на рис. представлены основные параметры объектива.

Главная оптическая ось сферической линзы — прямая, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу. Каждая линза имеет одну главную оптическую ось. В сложном объективе главные оптические оси всех линз совпадают, составляя центрированную систему сферических поверхностей.

Фокус (от лат. focus — букв, очаг) — F в оптике — точка, в которой собирается прошедший через оптическую систему параллельный пучок световых лучей. Если пучок параллелен главной оптической оси системы, то фокус также лежит на оси и называется главным, а расстояние f от объектива до этой точки — фокусным расстоянием.

Фокусное расстояние объектива — величина постоянная, выражается в миллиметрах.

В каждой линзе два фокуса: передний F и задний F (см. рис.).

Плоскость, проходящая через главный фокус перпендикулярно оптической оси объектива, называется фокальной плоскостью, Р (см. рис.); в этой плоскости располагается фотопленка.

Основные оптические характеристики объектива:

♦  главное фокусное расстояние;

♦  относительное отверстие;

♦  глубина резкости;

♦  угол поля изображения;

♦  разрешающая способность (сила);

♦  аберрации.

Фокусное расстояние f — расстояние по оптической оси объектива от точки заднего фокуса F до его главной плоскости Н (см. рис.).

Главное фокусное расстояние обычно называют просто фокусным расстоянием, величина его гравируется на оправе объектива. В прямой зависимости от фокусного расстояния находится масштаб даваемого объективом изображения. Чем больше фокусное расстояние объектива, тем крупнее получается изображение.

На снимке изображение получается во столько раз меньше снимаемого объекта, во сколько раз фокусное расстояние меньше расстояния до снимаемого объекта.

В зависимости от величины фокусного расстояния все объективы подразделяются на нормальные, короткофокусные, длиннофокусные и объективы с переменным фокусным расстоянием.

Нормальные, или штатные, объективы имеют фокусное расстояние, приблизительно равное диагонали кадра, и угол изображения у = 45—55°. Термин "нормальный" связан с нормальным зрением человека. Глаза человека видят в пределах 45—55°, поэтому такой объектив имеет как бы универсальный характер и может использоваться практически при любых съемках. Естественно, что поступающие в продажу ФА комплектуются штатными объективами.

Однако на практике может возникнуть потребность в съемке под углом большим или меньшим нормального. В этом случае используются сменные объективы.

Объективы с большим углом изображения у, их называют короткофокусные или широкоугольные, имеют угол изображения более 55°. Такие объективы применяют при съемке архитектурных сооружений или в закрытых помещениях, где нельзя отступить назад. Сверхширокоугольные объективы с углом поля зрения 90° и выше — это группа объективов, имеющих самое короткое фокусное расстояние, в которую входят также объективы "Рыбий глаз" (Fish eye) с углом поля зрения до 180°. Фокусное расстояние таких объективов— 8—16 мм.

Благодаря созданию новых компактных оптических систем, существенному улучшению технических характеристик они заняли прочное место в ряду сменных объективов.

Объективы, применяемые для съемки удаленных предметов, имеют угол изображения менее 45°, они называются длиннофокусными, или телеобъективами. Угол поля зрения телеобъективов может составлять единицы градусов.

Особую группу составляют объективы с переменным фокусным расстоянием (Zoom-lens). Масштаб изображения определяется выбором точки съемки. Чтобы правильно заполнить кадр при удачно выбранной точке, необходим объектив с плавно меняющимся фокусным расстоянием. Он не только наменяет набор сменных объективов, но и позволяет переходить без перерыва от общего плана к крупному и даже отдельной детали.

Отношение наибольшего фокусного расстояния к наименьшему называется кратностью объектива. Например, объектив с переменным фокусным расстоянием от 35 мм до 105 мм относится к трехкратным. Такой объектив может изменять масштаб в 3 раза.

Выпускаемые в настоящее время объективы с переменным фокусным расстоянием по своим характеристикам могут заменить весь ряд сменных объективов с фокусным расстоянием от 20 до 1000 мм.

Второй характеристикой объектива является относительное отверстие. Относительным отверстием объектива называется отношение диаметра действующего отверстия

объектива к его фокусному расстоянию d/f. Оно показывает,

во сколько раз диаметр круглого отверстия объектива меньше фокусного расстояния. Относительные отверстия объективов стандартизованы. Более всего используются объективы, у которых относительное отверстие (без диафрагмирования) составляет: 1:2; 1:2,8; 1:3,5; 1:4,5.

Величина, обратная относительному отверстию, называется диафригменным числом.

Относительное отверстие объективов изменяется с помощью диафрагмы, которая является необходимой частью объектива и находится, как указывалось выше, между его линзами.

Назначение диафрагмы заключается в изменении светового потока, проходящего через объектив.

Наибольшее распространение получила ирисовая диафрагма, у которой световое отверстие образуется несколькими дугообразными лепестками-ламелями С-образной формы,

соединенными с подвижным кольцом (см. рис.). При повороте кольца лепестки сходятся или расходятся, плавно уменьшая или увеличивая диаметр светового отверстия. Для установки определенного диаметра светового отверстия на внешней части оправы (на кольце, соединенном

с механизмом установки диафрагмы) нанесена шкала диафрагменных чисел.

Установка диафрагмы на соответствующее значение диафрагменного числа может производиться вручную (в неавтоматических и полуавтоматических фотоаппаратах) или с помощью приводного механизма (в автоматических).

В зависимости от типа фотоаппарата (его сложности и стоимости) применяются различные конструкции для установки диафрагмы:

♦  диафрагма с кольцом предварительной установки. На объективе фотоаппарата имеются два кольца. С помощью одного из них, имеющего фиксатор через 1 или 0,5 ступени, выставляется необходимое значение диафрагмы, но при этом сама диафрагма остается открытой, чтобы можно было производить фокусировку. После проведения фокусировки вторым кольцом диафрагмируют объектив и производится фотографирование;

♦  прыгающая диафрагма. В этой диафрагме также имеется кольцо предварительной установки с фиксатором, но диафрагма открывается одновременно со взводом затвора и перемоткой пленки. При нажатии на спусковую кнопку диафрагма закрывается до заранее установленного значения, и после этого производится экспонирование пленки;

♦ нажимная диафрагма. Эта диафрагма постоянно открыта и закрывается до значения, заранее установленного на кольце предварительной установки диафрагмы, при нажатии на спусковую кнопку. При отпускании спусковой кнопки диафрагма снова открывается;

♦ моргающая диафрагма. При нажатии на спусковую кнопку эта диафрагма закрывается до заранее установленного значения только на время выдержки. После закрытия затвора диафрагма автоматически открывается.

Большинство современных зеркальных фотоаппаратов имеют моргающую диафрагму, меньшее количество — нажимную.

Диафрагма регулирует не только световой поток, проходящий через объектив в момент съемки, но и глубину резкости изображаемого пространства.

Глубина резкости — расстояние вдоль оптической оси съемочного фотографического объектива, в пределах которого нерезкость изображений различно удаленных предметов не превышает допустимого кружка нерезкости.

Здесь учитываются особенности человеческого зрения: глаз на расстоянии наилучшего видения 25—30 см принимает за точку любой кружок диаметром меньше 0,1 мм. Для негативов форматом (24x36) мм допускается изображение отдельных точек в виде кружков диаметром 0,03—0,05 мм, которые принято называть кружками нерезкости.

Следовательно, если фотопленку сместить из фокальной плоскости Р (см. рис.), приближая или удаляя ее от объектива на расстояние 5 так, что диаметр кружка нерезкости будет не более 0,05 мм, то изображение еще будет оставаться визуально резким. Тогда двум расстояниям (f +5) и (f — 5) будут соответствовать в предметном пространстве две плоскости, расположенные на различных расстояниях от объектива, и все точки пространства, лежащего между ними, будут изображаться в виде кружков диаметром не более 0,05 мм. Это и бу-

дет глубина резко изображаемого пространства. Чем меньше световое отверстие (действующий диаметр объектива), тем больше значение 5, т.е. шире пространство, в котором получаем резкое изображение (см. рис.).

При съемке разноудаленных объектов с наилучшей резкостью изображается тот объект, на который произведена фокусировка объектива. На практике резкими получаются изображения объектов, расположенных на определенном расстоянии от объекта, на который сфокусирован объектив.

Чтобы найти это пространство, в пределах которого получается резкое изображение, объективы имеют на оправе шкалу резкости (см. рис.). Это симметрично расположенные относительно установочного знака т диафрагменные числа. Шкала глубины резко изображаемого пространства нанесена над шкалой расстояний и может перемещаться относительно нее. Знак °° (бесконечность) обозначает наименьшее расстояние, с которого лучи, поступающие от точечного источника света в объектив, можно считать параллельными. Если против индекса т установить знак *, т.е. навести объектив на резкость по удаленному предмету, то расстояние до передней границы резко изображаемого пространства будет тем меньше, чем меньше относительное отверстие объектива.

Как видно из рис., а, при диафрагме 2,8 передняя граница резко изображаемого пространства будет находиться на расстоянии 15 м от фотоаппарата, при диафрагме 16 — на расстоянии 1,5 м.

Расстояние до передней границы резко изображаемого пространства при установке объектива на °° называется ги-перфокалъным расстоянием.

Если объектив установлен, например, на расстоянии 3 м (рис., б), то по шкале глубины резкости можно опреде»лить расстояние до передней и задней границ резко изображаемого пространства для той или иной диафрагмы. Так, для диафрагмы 2,8 передняя граница будет находиться на расстоянии около 2,5 м, а задняя — на расстоянии 4,5 м; для диафрагмы 5,6 м — 1,8 м и 15 м, соответственно.

Чтобы получить наибольшую глубину резко изображаемого пространства при съемке с выбранным значением диафрагмы, объектив следует фокусировать путем совмещения символа °° с числом на шкале глубины резкости, соответствующим заданному значению диафрагмы (рис., в).

Угол поля изображения (угловое поле изображения) также является важной характеристикой каждого фотообъектива. Любой объектив дает изображение в пределах определенного поля, имеющего форму круга и называемого полем изображения. В пределах этого поля резкость и освещенность изображения неодинаковы — по мере удаления от центра поля изображения они уменьшаются.

Поэтому из поля изображения объектива выбирают прямоугольник или квадрат, имеющий равномерную резкость по всей площади и ограничивающий кадр фотоснимка.

Угол, ограниченный лучами, идущими от оптического центра фотообъектива к концам диагонали расчетного кадра, называется углом поля изображения 2(3 (см. рис.).

(Величина угла поля изображения влияет на масштаб изображения. Чем больше угол поля изображения, тем большую площадь при съемке фотообъектив может передать на фотопленку. При этом масштаб изображения снимаемых объектов уменьшается. Объективы с малым углом поля изображения, наоборот, уменьшают площадь (пространство) и создают на снимке (фотокадре) увеличенные изображения снимаемых объектов. Угол поля изображения 2р" зависит от величины фокусного расстояния объектива f.

Угловым полем объектива называется наибольший угол с вершиной в оптическом центре объектива , при котором все предметы, находящи еся в его пределах, будут изображаться объективом в плоскости кадрового окна объектива. Разрешающая способность (сила) R — это способность фотографического объектива четко воспроизводить мельчайшие детали объекта. Она оценивается по количеству воспроизводимых штрихов на 1 мм длины изображения. Разрешающую способность фотообъектива определяют фотографированием специальных штриховых таблиц, называемых мирами.

Эта способность объектива в центре поля изображения всегда выше, чем по краям, поэтому в технический паспорт фотографических объективов заносятся два значения разрешающей способности: для центра и для краев поля изображения. Для хорошо корригированных объективов она достигает 250—300 лин/мм, практически же она оказывается значительно меньшей, поскольку в определении ее участвует фотографический слой, разрешающая способность которого, будучи более низкой, чем разрешающая способность объектива, ограничивает последнюю.

В реальных условиях хорошо корригированные объективы дают при большем действующем отверстии 40—45 лин/мм в центре поля и 20—25 лин/мм на краях.

Аберрации. В реальных оптических системах невозможно обеспечить идеальные условия прохождения световых лучей, что, естественно, приводит к искажениям изображения.

Аберрация (от лат. aberratio, букв. — уклонение) — это искажения изображения, вызванные неидеальностью оптической системы фотоаппарата. Они проявляются в нерезкости изображения, окрашенности его контуров, в нарушении подобия между объектом и его изображением.

Стремление к уменьшению аберраций приводит к усложнению конструкции объектива — увеличению количества линз, но при этом возрастают потери на отражение и светорассеяние, которые сводят к минимуму внесенные улучшения. Чтобы устранить указанные потери, используют технологию, которая получила название "просветление оптики". Она заключается в создании на поверхности линз тончайшей пленки с показателем преломления меньше, чем показатель преломления стекла, из которого изготовлена линза.

В зависимости от способа получения пленки и ее свойств отражение снижается до 1—1,5%, а общее пропускание света объективом возрастает до 80—90% вместо прежних 50—60%.

Имеют место также искажения, возникающие вследствие того, что лучи света, проходящие через центр линзы и ее края, преломляются под разными углами — это так называсмая сферическая аберрация. Сферическую аберрацию можно значительно уменьшить, если поверхность линзы сделать несферической (см. рис.). Такие линзы называются асферическими. С помощью этих линз удается добиться превосходного качества изображения при больших значениях диафрагмы.

Искажения, вносимые в изображение вследствие того, что лучи света, имеющие разную длину волны (цвет), преломляются линзой по-разному, называются хроматической аберрацией. Она устраняется использованием для изготовления линз стекла с низкой дисперсией, т.е. не разлагающего белый свет в спектр. Такими свойствами обладают прозрачные кристаллы кварца и флюорита. У современных ФА хроматическая аберрация практически отсутствует.

Светосила объектива — важнейшая фотометрическая характеристика, определяющая достоинство объектива.

Под светосилой J объектива понимается отношение освещенности изображения (Е) на светочувствительном слое к яркости (В) снимаемого объекта:

Показатель светосилы зависит от величины действующего диаметра объектива и его фокусного расстояния. Чем больше площадь светового пучка, проходящего через объектив

при данном фокусном расстоянии, тем выше будет показатель светосилы. Поскольку площади кругов относятся как квадраты их диаметров, светосила будет прямо пропорциональна квадрату действующего диаметра объектива. Но освещенность зависит и от фокусного расстояния и изменяется согласно основному закону освещенности обратно пропорционально квадрату расстояния от источника света до освещаемой поверхности.

Отсюда J светосила пропорциональна квадрату отношения т.е. пропорциональна квадрату относительного отверстия,так как дробь в скобках есть величина относительного отверстия.

При сравнении двух объективов имеют в виду, что их светосилы относятся как квадраты относительных отверстий. Например: один объектив имеет относительное отверстие 1:2, а второй 1:2,8. Очевидно, светосила первого объектива будет примерно в два раза больше светосилы второго:

При применении пленок одинаковой чувствительности выдержки при съемке тем короче, чем выше светосила объектива. Большая светосила дает возможность производить съемку при менее благоприятных условиях освещения.