Всякий фотограф знает, что объектив является важнейшей частью фотоаппарата. От него во многом зависит качество получаемого изображения. Существует множество объективов разных компаний, конфигураций и назначений. Однако всех объединяют одни характеристики, конструкции и оптические проблемы.
Представьте перед собой светонепроницаемую коробку. У этой коробки задняя стенка АВ заменена матовым стеклом, а в передней стенке расположено отверстие со стеклом от сильных очков. Если направить это двояковыпуклое стекло О — “линзу”, нашего аппарата, на какой-либо хорошо освещённый предмет, то мы увидим, что на матовом стекле камеры появилось уменьшенное и перевернутое вниз головой изображение Q1P1 этого предмета РQ. Если поставить вместо матового стекла светочувствительную пластину, то с таким объективом вполне можно совершить съёмку, но сугубо художественную.
Резкое изображение на глаз в этом случае может получиться только при соблюдении следующих условий:
1. Если изображаемый предмет мал (является точкой) и лежит на главной оптической оси (Q2O2).
2. Если пучок лучей, исходящий из светящейся точки, узок (ограничен узким отверстием — диафрагмой МN).
Однако, после проявки мы можем получить совсем не тот результат, который ожидали. Изображение, которое было резким при наведении фокуса может оказаться не резким, и наоборот, резкими могут оказаться планы, которые были не в резкости. Причина такого явления заключается в том, что линза не только собирает в одну точку лучи, расходящиеся из светящейся точки в разные стороны, но и разлагает лучи на цвета.
(Хроматическая аберрация)
Лучи различных цветов собираются в разных точках; наиболее яркие цвета: жёлтые, красные — собираются в точке а1, дальше от стекла, нежели синие и фиолетовые лучи (в b1). По этим ярким цветам мы и устанавливаем изображение в точке а1, но более активно действующими на чувствительную пластинку являются лучи фиолетовые и синие, собирающиеся в точке b1; причисляемые глазом к группе лучей „тёмных“. Именно они и дают изображение, но не в том месте, где при установке было резкое изображение. Это явление называется хроматизмом (хроматическая аберрация). Изображение белой светящейся точки на поверхности, в связи с этим явлением, будет окружено радужными кольцами, и вместо точки мы получим кружок размытости. Оно поддаётся устранению, если соединить стёкла различной природы (так называемые кронглас и флинтглас). Комбинация двух стёкол, в которой устранён хроматизм, называется ахроматической линзой, или ахроматической “парой”.
(Ахроматическая линза)
У объектива, имеющего поставленную диафрагму впереди линзы, выступает новый недостаток — дисторсия. Это искривление прямых линий, благодаря которой квадрат а изображается в виде фигуры напоминающей бочонок b. Если же диафрагма расположена позади линзы, то квадрат искажается в противоположном направлении и имеет подушкообразный вид, как на фигуре с. Этот недостаток можно значительно устранить, если объектив будет состоять из двух пар линз, а диафрагма будет находиться между этими парами. Тогда подушкообразные искривления первой линзы компенсируются бочкообразными искривлениями второй линзы. Объективы с исправленной дисторсией называют ортоскопичными.
(Дисторсия)
На практике при экспонировании мы работаем не с узкими пучками лучей, а широкими, дающими много света. Приосевые, центральные пучки лучей и крайние, наиболее удалённые от оптической оси, пересекаются в разных точках и не имеют общего фокуса. Из-за этого мы вместо изображения точки получаем кружок рассеивания, снижающий общую резкость изображения. Это явление называется сферической аберрацией. Полностью устранить эту аберрацию нельзя, но её влияние можно уменьшить с помощью диафрагмы, отсекая крайние лучи. На величину кружка нерезкости наибольшее влияние оказывают именно крайние лучи. Если у линзы поставить шторку с небольшим отверстием, это позволит отсеять крайние лучи и изображение будет построено только центральными лучами, что позволит получить достаточно резкое изображение.
(Сферическая аберрация)
В косых пучках лучей идущих от святящейся точки наклонно к оптической оси, на экране вместо размытой точки получиться пятно, напоминающее своей формой запятую и называется такая аберрация “кома”.
Объектив, в котором были исправлены эти аберрации называется апланатом.
(Кома)
Следующая проблема — это кривизна поля изображения. Эта аберрация даёт неравномерную резкость по всему полю изображения. Когда центральная часть изображения фокусирована резко, то его края будут лежать не в фокусе и отобразятся нерезко. Если установку на резкость производить по краям изображения, то его центральная часть будет нерезкой.
Чем дальше от центра кадра располагается изображение точки, тем больше оно размыто в следствии влияния ещё одной аберрации косых лучей под названием астигматизм. Астигматизм заключается в том, что на краях изображения невозможно получить одновременно резкими вертикальные и горизонтальные линии. На рисунке изображена линза, горизонтальные и вертикальные лучи с точкой пересечения на оптической оси.
Объект съёмки представляет собой резко очерченное перекрестие двух взаимно перпендикулярных линий, расположенных горизонтально и вертикально. Точка пересечения линий удалена от оптической оси настолько, что луч, идущий от неё к центру линзы, составляет с оптической осью большой угол. Горизонтальная плоскость пересекает линзу не по наибольшему кругу, образующему сферическую поверхность линзы, а по кривой меньшего радиуса r. В пространстве изображений мы получаем изображение горизонтальной линии предмета на некотором расстоянии от линзы. Вертикальная плоскость в которой строиться изображение вертикальной линии предмета, пересечёт поверхность линзы по наибольшему кругу, так как проходит через центр этой сферы. При этом горизонтальная и вертикальная плоскости пересекут линзу при разных радиусах кривизны. Поэтому вертикальная линия предмета изобразиться на большем расстоянии от линзы, чем горизонтальная.
(Астигматизм)
Задача устранения всех указанных недостатков занимала конструкторов оптики со дня появления фотографии. В 90-х годах прошлого столетия научными сотрудниками фирмы Цейсс (Иена, Германия) и Герца (Берлин, Германия), доктору Рудольфу и доктору Хег, удалось путём сложных математических соображений рассчитать анастигматический объектив, в котором перечисленные недостатки устранены. Первым таким объективом был Протар (Цейсс), запатентованный в 1890 г.
(Цейсс Протар)
Анастигматы обладают плоским полем изображения; в них отсутствует астигматизм (отсюда и их название) и хроматическая аберрация. Сферическая аберрация и кома в них в значительной степени смягчены. Точка, при помощи анастигматов, изображается точкой, а не кружком рассеивания.
Давайте вернёмся к нашей светонепроницаемой коробке с простой линзой и наведем её на изображение светящегося предмета, например, лампочки. Мы заметим, что лампочка изобразиться в виде яркого размытого блестящего предмета. Если мы будем двигать трубку в её оправе, мы добъёмся того положения, при котором изображение лампочки будет наиболее резким. Это место, в котором собираются параллельные пучки лучей, падающие на линзу, называется главным фокусом линзы.
(Главное фокусное расстояние)
При приближении светящейся точки к линзе, изображение точки от линзы будет удаляться. Расстояние фокуса от стекла называется фокусным расстоянием и обозначается буквой F.
Главное фокусное расстояние объектива определяет геометрические размеры получаемого изображения, его масштаб. Чем больше фокусное расстояние, тем крупнее масштаб изображения и угол изображения.
Объектив, как и человеческий глаз, способен воспринимать объекты в ограниченном угле зрения. Если посмотреть на матовое стекло в нашей коробке, то мы увидим на нём изображение в пределах круга с размытыми, затемнёнными краями. Это поле зрения объектива. Если через центр объектива и края изображения провести лучи, то получиться конус. Угол при вершине этого конуса называется углом изображения. При расчёте объективов исходят из заданного формата кадра и фокусного расстояния для получения нужного угла поля изображения. В зависимости от угла поля изображения объективы могут быть широкоугольными, нормальными и узкоугольными.
Объективы с разным углом поля изображения и предназначенные для использования в одном фотоаппарате с кадром определённого размера, будут различаться и фокусным расстоянием. Широкоугольный объектив будет иметь меньшее фокусное расстояние, чем узкоугольный (длиннофокусный объектив).
(Различные углы поля изображения объективов с одинаковыми фокусными расстояниями f: а — широкоугольный, б — норальный, в — узкоугольный)
Ещё одной важной характеристикой является относительное отверстие объектива. Это отношение диаметра действующего отверстия к его фокусному расстоянию. Эта величина выражается дробью 1:4, 1:2 и гравируется на оправе объектива. Изображение будет тем ярче, чем больше действующая диафрагма. Чем больше лучей пропускает объектив и чем меньше та поверхность, на которую эти лучи распространяются, т. е. чем меньше фокусное расстояние. Объектив тем светосильнее, чем больше его отверстие и чем меньше его фокусное расстояние, поэтому светосила объектива пропорциональна отношению d/f; (d — диаметр отверстия).
Чем больше светосила, тем быстрее можно производить съёмку (выдержка).
Следует заметить относительно выгравированных на оправе объектива номеров диафрагм, что каждый последующий номер требует вдвое большей экспозиции, нежели предыдущий.
Если мы возьмём 2 объектива с относительными отверстиями 1:2 и 1:4, то светосила второго объектива в 4 раза меньше первого. При съёмке вторым объективом выдержка должна быть вчетверо больше, чем при съёмке первым объективом.
(Соотношение диаметров и площадей отверстий)
Поставим перед линзой нашей камеры таблицу (мира) с изображёнными на ней штрихами (рис. 27). После экспонирования, мы увидим на нашем изображении, что крупные штрихи первых групп чётко отображаются, а число штрихов легко читается. По мере уменьшения ширины штрихов и нарастания их частоты, границы становятся расплывчатыми и еле различаются. Так определяется показатель способности объектива воспроизводить мельчайшие детали объекта в изображении, который называется разрещающей способностью объектива. Количественно разрешающая способность выражается максимальным числом штрихов и равных им по ширине промежутков, раздельно передаваемых объективом на 1 мм длины изображения; R=N/1 R — разрешающая способность, а N — число линий.
(Варианты мир для определения разрешающей способности)
Следующим качеством объектива, которое имеет значение при съёмке, является глубина резкости. Под этим термином подразумевается свойство объектива давать резкие изображения предметов на разных расстояниях. Глубина резкости зависит от фокусного расстояния объектива. При фокусном расстоянии объектива 50 мм и более, необходимо тщательней фокусировать изображение. А короткофокусные объективы до 40 мм, даже при больших относительных отверстиях объектива, обеспечивают достаточную глубину резкости. Интервал глубины резкости увеличивается с увеличением расстояния до точки наводки. Например, при фотографировании группы предметов, с одним и тем же показателем диафрагмы, на расстоянии 2-х метров, интервал глубины резкости может составить несколько десятков сантиметров, а если переместить фотоаппарат на расстояние 10-12 м, глубина резкости увеличиться на несколько метров.
(Глубина Резкости)
Первый фотообъектив ахромат разработал фран- цузский оптик Шарль Шевалье в 1839 году. Как уже говорилось ранее, он состоял из двух склеенных линз кронгласс -положительной линзы, с повышенным коэффициентом преломления, и флинтглас — стекла с низкой дисперсией. Этот объектив имел светосилу f/16 и получил название «ландшафтная линза», так как малая светосила и низкая светочувствительность фотоматериалов того времени, ограничивали об- ласть применения такого объектива исключительно пейзажными съёмками. К тому же, время экспозиции было около получаса.
(Ландшафтная линза Шевалье F16)
В 1840 году профессором математики австрийского университета Йозефом Петцвалем был рассчитан знаменитый портретный объектив Петцваля, который был собран компанией Фойгтлендер. Этот объектив состоял из двух модифицированных ахроматов Шевалье. Из них, передний элемент был склеенным, а между положительным и отрицательным менисками заднего элемента был небольшой воздушный промежуток. До Петцваля, конструирование объективов совершалось исключительно опытным путём. Он был первым, кто применил для расчёта объективов математический метод, с тех пор вошедшего в употребление.
(Портретный объектив Петцваля F 3,6)
Объектив Петцваля обладал небольшим полем изображения, но огромной, для того времени, светосилой F 3,2, и произвёл совершенный переворот в методах съёмки, сократив экспозицию до сорока минут. К тому же, он давал великолепные изображения в центральной части поля, и поэтому объектив Петцваля стал особенно пригодным для портретов и царил безраздельно в этой области около 50 лет. Так как у этого объектива лишь центральное пятно рисуется резко, то этим достигается известная художественная пластичность, с выделением главного в портрете и подавлением ненужных подробностей.
Портретный объектив Петцваля послужил прототипом для других подобных инструментов и не сошёл окончательно со сцены даже по сей день.
В 1866 году два инженера независимо друг от друга рассчитывают почти идентичные конструкции объективов, состоящие из четырёх линз в двух симметричных группах. Это “Апланат” Хуго Штейнхеля и “Рапид” Джона Далльмейера. (рис апланата)
Апланаты изготавливались многими фирмами, например: Авускоп Фойгтлендера F 7,5, Линкейоскоп Герца, портретный апланат F 6 и рапид-апланат Буша F 6 до F 8, угол 75º, рапид-апланат F/5 Зутера (Базель). Апланаты применялись для съёмки пейзажей и портретов. Но были мало пригодны для точных работ (репродукции, трёхцветные фотографии, фотограмметрические работы).
(Слева — Апланат Штейнхеля, справа — Рапид Дальмеера)
В 1890 году немецкий оптик Пауль Рудольф из фирмы Цейсс создаёт первый объектив класса анастигмат — “Протар”. Он состоял из 4 линз в двух группах. Различные серии “Протар» имели разные фиксированные отверстия. Например, наиболее мощная серия I имела интенсивность света F 4,5, а серия V — интенсивность света F 18.
Анастигматы оказались наиболее универсальными объективами. Поле изображения у анастигматов обширно, т. е. точечные изображения они дают не только тех точек, которые лежат близко, но и далеко от главной оптической оси, и изображение по всему полю является одинаково точным (резким). Так же, они имели огромную светосилу, которая позволяла производить быструю съёмку. Поэтому развитие их конструкции продолжилось в полной мере и изготавливались они всеми оптическими фирмами. Простейшим анастигматом считается триплет Кука, состоящий из 3 несклеенных линз.
(Слева — Цейсс Протар, справа — Триплет Кука)
На рынке объективов были представлены различные конструкции объективов, такие как: симметрические анастигматы со склеенными линзами. Это объективы Дагор фирмы Герц, состоящий из двух трехлинзовых склеенных групп, со светосилой F 6,8, и углом изображения до 90º; двойной Аматар (F 6,8) и двойной Протар (F 6,3) фирмы Цейсс; Коллинеар Фойгтлендер (F/6,3), угол 70º; Ортостигмат Штейнгеля (F 6,8 угол до 80º); двойной Плазмат Мейера (F 4).
Все эти объективы являлись универсальными. Задние линзы этих объективов могут служить довольно хорошими объективами для ландшафтных съёмок, а при благоприятных условиях освещения — и для портретов.
Из симметрических анастигматов (или почти симметрических), состоящих из несклеенных четырёх линз, были Догмар и Синтор Герца. В Догмаре передняя и задняя половинки имеют различное фокусное расстояние, поэтому в одном инструменте соединяются три объектива с различным фокусным расстоянием Унофокаль Штейнгейля F 4,5.
Из анастигматов не симметрической конструкции, состоящих из линз частью склеенных, являются Тессар Цейсса со светосилой F 2,7 (рис. 9), F З,5, F 4,5, F 6,3; Протар (Цейсс) сер. III а, F 9, угол до 97º, состоящий из четырёх линз, склеенных по две; Эрнон Эрнемана F 3,5, угол до 53º, употребляющийся для кинематографических целей.
(Слева — Двойной Протар F 6,3, посередине — Синтор Герца, справа — Цейсс Тессар F 2,7)
Из несимметрических трехлинзовых анастигматов наибольшей известностью пользовался Гелиар Фойгтлендера F 4,5, превосходный инструмент для портретных, кинематографических и быстрейших моментальных съёмок. Он состоит из
пяти линз; передняя и задняя группы состоят из двух склеенных линз, а средняя — из одной двояковогнутой линзы.
Все современные объективы являются анастигматами.
Сегодня объективы представляют собой сложную оптическую систему из четырёх, шести и более линз (например объектив Leica Super-Vario-Elmar-SL 1:3.5-4.5 / 16-35 ASPH состоит из 18 линз в 12 группах), которые свободны от аберраций в той или иной мере. Такие объективы изготавливаются в результате сложнейших расчётов, выполняемых специалистами с помощью компьютеров.
(Слева — Гелиар Фойгтландер F 4,5, справа — Лейка Супер-Варио-Элмар-SL 1:3.5–4.5 / 16–35 ASPH)
