Объектив

Изображение предмета, формируемое одиночной линзой, далеко от идеального, поэтому в съёмочных объективах используются многолинзовые системы. У этих систем только в параксиальной области, где рассматриваются узкие пучки лучей, идущие под малыми углами к оптической оси, свойства реальной оптической системы близки к свойствам идеальной системы. В целом же данные системы также дают нарушения гомоцентричности пучков лучей, называемые погрешностями или аберрациями. Одни аберрации влияют на положение изображения (дисторсия, кривизна поля), другие – на его резкость. Процесс устранения аберраций называется корригированием оптической системы. Улучшение оптико-физических, геометрических и эксплуатационных характеристик объективов достигается за счёт применения автоматического расчёта, разработки новых сортов стёкол, внедрения многослойных ахроматических покрытий, применения асферической оптики, разработки объективов с подвижным компонентом, создания широкоугольных объективов с переменным фокусным расстоянием, увеличения кратности объективов с переменным фокусным расстоянием.

Цель автоматического расчёта оптической системы – обеспечение качества изображения. Расчёт представляет собой поиск путей улучшения конструкций, основанный на малых пробных изменениях конструкции, их рабочих характеристик. В середине XX в. исследования на основе двумерного Фурье-анализа были объединены в единую структуру для оценки оптической системы, так называемый метод оценки качества по передаче модуляции. Этот метод позволяет оценить качество изображения оптической системы, определяемое её оптической передаточной функцией (частотно-контрастной характеристикой – ЧКХ).

Для изготовления оптических деталей фотоаппарата используется более 200 типов специального оптического стекла, классифицируемых по значениям оптических постоянных – показателя преломления и коэффициент дисперсии. Применение лантановых стёкол позволило увеличить показатель преломления без увеличения дисперсии, что обусловило развитие светосильных объективов. Стёкла с высоким показателем преломления характеризуются высоким коэффициентом отражения. Отражённый рассеянный свет накладывается на фотографическое изображение, снижая светосилу, контраст, насыщенность, степень проработки чёрных тонов и отдельных деталей объекта, искажает цветопередачу, вызывает паразитное изображение апертурной диафрагмы, блики, ореол, повторное отражение от поверхностей ярких предметов на объекте съёмки. В 1930-х гг. для устранения этих недостатков было разработано однослойное покрытие оптических поверхностей объектива, называемое просветлением. Просветляющая плёнка представляет собой тончайший слой, «оптическая толщина» которого кратна ¼ длины волны света, проходящего через объектив, и для которого осуществлено просветление. Именно это значение создаёт необходимое соотношение фаз для гашения отражённых волн. Под «оптической толщиной» понимается произведение показателя преломления линзы на толщину наносимого слоя, причём показатель преломления наносимого материала должен быть равен квадратному корню из показателя преломления линзы. Применение однослойного просветляющего покрытия позволило уменьшить коэффициент отражения каждой поверхности в среднем до 1% и тем самым повысить коэффициент пропускания света до 0,8.

Дальнейшее развитие объективов и связанное с ним увеличение количества линз и компонентов, необходимость повышения оптотехнических характеристик привели к разработке и внедрению в 1970-е гг. многослойного ахроматического покрытия, как правило, из 3–5 слоев, изменением количества, порядка, «оптической толщины», показателя преломления которых можно довести показатель пропускания света объективом до 0,99. Известно, что для исправления хроматической аберрации использовали только две длины волн. Однако этот метод не позволяет исправить вторичный спектр, при котором изображение осевой точки, создаваемое двумя лучами, совпадая между собой, не совпадает с изображением для жёлтых лучей, принятых за основной цвет. Хроматические аберрации растут с увеличением фокусного расстояния объектива, поэтому для телеобъектива (при фокусном расстоянии f > 200 мм) даже применение лантановых стёкол не даёт должного эффекта. Для минимизации вторичного спектра были предложены флюоритовые кристаллы (флюорит – природное соединение кальция и фтора), имеющие низкие дисперсию и показатель преломления, причём последний мало зависит от длины волны. Комбинируя флюоритовый элемент со стеклом с высоким показателем преломления, удалось компенсировать аберрации более чем двух волн, т. е. создать оптической системы, где вторичный спектр во много раз меньше.

Совершенствованию съёмочного объектива способствует также использование в асимметричной конструкции подвижных компонентов. Обычно оптический расчёт объектива производится для положения «бесконечность». Применение подвижного компонента позволяет проводить коррекцию качества изображения (минимизировать сферич, аберрацию, особенно для точек, лежащих вне оси) при съёмке на конечном расстоянии, в т. ч. при макросъёмке с помощью широкоугольного или телеобъектива. Этот принцип обусловил разработку объектива с внутренней фокусировкой.

Применение в съёмочных объективах асферических поверхностей позволяет также повысить качество изображения (разрешающую способность, контраст), улучшить оптические характеристики (увеличить относительное отверстие, поле зрения), добиться более высоких конструктивных и эксплуатационных параметров (упростить оптическую схему, уменьшить массу и габаритные размеры).

Применение различных видов объективов

Объективы с углом поля зрения от 60° до 96° и большой глубиной резкости незаменимы в тех случаях, когда при ограниченном расстоянии до объекта необходимо сделать снимок общим планом, например, при фотографировании архитектурных ансамблей, панорамных видов и сцен, при съёмках в ограниченных по размерам помещениях, музеях, галереях и т. д. Большая глубина резкости облечает фокусирование. Поэтому широкоугольные объективы очень эффективны при съёмках репортажей и массовых спортивных соревнований. Особенность таких объективов укрупнять изображение предметов, расположенных на переднем плане, даёт возможность акцентировать композиционные детали кадра. Объективы со средним фокусным расстоянием удобны для портретной, предметной и пейзажной съёмок, репортёрской работы. Для фотографирования в крупном масштабе удалённых предметов и архитектурных деталей, а также для фотоохоты чаще применяются длиннофокусные объективы. Если штатный объектив имеет фокусное расстояние 50 мм, то объектив с фокусным расстоянием 200 мм даст в тех же условиях изображение в четрые раза большего масштаба. Длиннофокусные объективы используются в основном для получения изображения в крупном масштабе в случае, когда к объекту невозможно подойти на достаточно близкое расстояние, а широкоугольные - когда нельзя отойти на расстояние, необходимое для охвата всего сюжета штатным объективом. Короткофокусные объективы принято сравнивать со штатными по величине угла поля зрения. Например, если штатный объектив имеет угол поля зрения 45°, а сменный 60°, то сменным объективом с того же расстояния можно охватить в 1,5 раза большее пространство (по горизонту), чем штатным. Широкоугольный объектив позволяет охватить такое же пространство, как и штатный объектив, но со значительно меньшего расстояния.