2. Объектив

Фотографический объектив - система оптических линз, заключенная в специальную оправу. От свойств объектива в значительной степени зависят характер и качество фотографического изображения.

Основные характеристики объектива: главное фокусное расстояние, относительное отверстие, светосила, угол поля изображения и разрешающая сила.

Главное фокусное расстояние-расстояние от задней оптической плоскости H′ объектива до плоскости P, где фокусируются лучи света, входящие в объектив параллельным пучком (лучи, идущие из бесконечности). Главное фокусное расстояние в обиходе называют просто фокусное расстояние и обозначают буквой f′ (см. рис. II.6).

Величина главного фокусного расстояния указана на оправе объектива.

Относительное отверстие объектива - отношение диаметра светового отверстия объектива к величине главного фокусного расстояния.

Относительное отверстие выражается в виде дроби с числителем l и знаменателем k, равным отношению фокусного расстояния f к диаметру светового отверстия объектива d:

ГОСТ установил следующий ряд относительных отверстий: 1:0,7; 1:1; 1:1,4; 1:2; 1:2,8; 1:4 и т. д. Для экономии места при оцифровке шкал принято указывать только знаменатели этого ряда: 0,7; 1; 1,4; 2; 2,8; 4 и т. д. В связи с этим вместо того, чтобы говорить: "Установим относительное отверстие 1:8", обычно говорят: "Установим диафрагму 8". Смежные значения диафрагменных чисел отличаются в 1,41 раза, например 4·1,41=5,6 или 8:1,41=5,6. Поэтому, переходя от одного значения диафрагмы к соседнему, мы увеличиваем или уменьшаем диаметр светового отверстия объектива в 1,41 раза. При этом площадь светового отверстия изменяется в 1,41²=2 раза. Следовательно, после перемещения кольца установки диафрагмы на одно деление шкалы объектив будет пропускать света вдвое больше или меньше.

Объективы с большими относительными отверстиями имеют преимущества перед остальными при пониженной освещенности, когда для съемки необходима короткая выдержка. Однако увеличение относительного отверстия простых объективов приводит обычно к снижению качества изображения. Дефекты оптического изображения создаются в основном краевыми зонами линз.

Относительное отверстие объектива часто называют светосилой, но эти понятия не полностью тождественны.

Светосила объектива - способность его обеспечивать тот или иной уровень освещенности изображения при данной яркости объекта.

Светосила Q определяется отношением освещенности E_из изображения к яркости B_об снимаемого объекта:

Геометрическое относительное отверстие объектива всегда несколько больше соответствующей ему реальной светосилы, так как при проходе света через, объектив часть светового потока теряется за счет поглощения в массе стекла и отражений от поверхностей линз, граничащих с воздухом. В результате фактическая светосила всегда несколько меньше той, которую должно бы обеспечивать геометрическое относительное отверстие.

В современных просветленных объективах эта разница составляет менее 2 - 3%.

Освещенность определяется отношением величины светового потока J к площади освещаемой поверхности L:

Если свет падает на какую-либо поверхность, освещает ее, то принято говорить об освещенности, создаваемой источником света. Если свет отражается от объекта и воспринимается глазом или фотопленкой, то принято говорить о яркости объекта. Чем большую освещенность изображения обеспечивает объектив, тем изображение будет ярче.

Угол поля изображения. Поле изображения и угол поля изображения определяют возможность использования объектива для съемки на том или ином формате кадра, а также принадлежность объектива к короткофокусным, нормальным или длиннофокусным. Круг, диаметром которого является диагональ кадра, называется используемым полем изображения.

Угол 2β (рис. II.2), образованный лучами, проходящими через заднюю главную точку и через концы диагонали кадра, называется углом поля изображения. Угол γ, образованный продолжением этих лучей в предметном пространстве, называется углом поля зрения объектива.¹

¹ (У широкоугольных объективов может быть угол 2β<γ)

Рис. II.2. Поле изображения, угол поля изображения и угол зрения объектива: o - объектив; f - фокусное расстояние; D - диагональ кадра; 2β - угол поля изображения; γ - угол зрения объектива

При подборе сменных объективов необходимо учитывать, что каждый объектив рассчитывается на определенный формат кадра. Например, объектив "Гелиос-40" имеет фокусное расстояние 85 мм и угол поля изображения 28°, а объектив "Мир-3" - фокусное расстояние 65 мм и угол поля изображения 65°. Несмотря на то, что фокусное расстояние у объектива "Гелиос-40" больше, использовать его для съемок на формат 6×6 см нельзя: он обеспечивает резкость только в пределах расчетного поля изображения, т. е. на формате 24×36 мм.

Разрешающая сила объектива - способность объектива изображать мельчайшие детали объекта съемки. Разрешающая сила численно выражается количеством штрихов на 1 мм изображения специальных испытательных таблиц - штриховых или радиальных мир (рис. II.3), которые либо фотографируют исследуемым объективом, либо посредством микрофотометра анализируют создаваемое им оптическое изображение.

Рис. II.3. Миры для определения разрешающей силы объектива: а - штриховая; б - радиальная

Объективы обладают рядом аберраций, от которых зависит разрешающая сила. К тому же изображение вследствие зернистости и мутности эмульсии фотоматериала теряет частично контрастность, от чего снижается различаемость мелких штрихов. Поэтому на практике важно знать не оптическую, а фотографическую разрешающую силу.

Разрешающая способность системы объектив, - светочувствительный слой зависит от многих причин. Большое значение имеют контрастность объекта, характеристики фотоматериала, условия их химической обработки и многие другие факторы.

Глубина резкости также является элементом характеристики объектива. Любую фигуру или группу точек, занимающих в поперечнике не более 0,1 мм, с расстояния 25 - 30 см глаз воспринимает как одну точку. С учетом этого устанавливают допустимые нерезкости фотографического изображения.

Для негативов форматом 24×36 мм допускается изображение отдельных точек в виде кружков диаметром 0,03÷0,05 мм, которые принято называть допустимыми кружками рассеяния.

При съемке разноудаленных объектов с наилучшей резкостью изображается тот объект, на который произведена наводка объектива на резкость. Однако в связи с допустимой нерезкостью практически резкими получаются объекты, расположенные несколько дальше и ближе от него, т. е. имеются передняя и задняя границы, между которыми расположено резко изображаемое пространство. Вследствие этого может быть Допущена некоторая неточность в наводке объектива на резкость. Допустимое смещение объектива относительно положения точной фокусировки (соответствующего наилучшей резкости изображения), при котором изображение остается практически резким, называется глубиной резкости объектива.

В фотографической оптике различают глубины резкости в пространстве предметов и в пространстве изображений, которые являются сопряженными.

Глубина резко изображаемого пространства может быть от нескольких миллиметров до бесконечно больших расстояний, а глубина резкости объектива не превышает десятых долей миллиметра (рис. II.4).

Рис. II.4. При уменьшении светового отверстия диафрагмы глубина резкости объектива возрастает: d и d₁ - диаметры светового отверстия; 0,05 - диаметр допустимого кружка рассеяния; δ и δ₁ - глубина резкости - допустимое нарушение точности наводка объектива на резкость; P - фокальная плоскость

Почти все фотообъективы имеют на оправе специальную шкалу глубины резкости, с помощью которой определяют границы глубины резко изображаемого пространства (рис. II.5). Это симметрично расположенные относительно установочного индекса ▼ две шкалы относительных отверстий. Шкала глубины резко изображаемого пространства (РИП) нанесена над шкалой расстояний и может сдвигаться относительно ее, образуя простейшее счетное устройство - калькулятор.

Рис. II.5. Три варианта пользования шкалой глубины резкости: а - определение гиперфокальных расстояний, соответствующих выбранным значениям диафрагмы; б - определение глубины резкости при наводке объектива на заданное расстояние и выбор той или иной диафрагмы; в - получение наибольшей глубины резкости при выбранной диафрагме и определение расстояния до точки наводки объектива при этом условии

Знак ∞ ("бесконечность") обозначает наименьшее расстояние, с которого лучи, поступающие от точечного источника света в объектив, можно считать параллельными. Изображение такого источника получается на главном фокусном расстоянии.

Если против индекса ▼ установить знак ∞, т. е. навести объектив на резкость по соответственно удаленному предмету, практически окажется, что передняя граница резко изображаемого пространства будет значительно ближе, и расстояние до нее будет тем меньше, чем меньше относительное отверстие.

На рис. II.5, а можно видеть, что при относительном отверстии, соответствующем диафрагме 2,8, передняя граница РИП будет на расстоянии около 15 м от фотоаппарата, при диафрагме 16 - на расстоянии 1,5 м и т. д.

Расстояние до передней границы резко изображаемого пространства при установке объектива на ∞ называется гиперфокальным расстоянием.

Если объектив наведен на резкость, например на расстояние 3 м (рис. II.5, б), то по шкале глубины РИП можно определить расстояние до передней и задней границ резко изображаемого пространства для того или иного значения диафрагм. Так, для диафрагмы 2,8 передняя граница будет на расстоянии около 2,5 м, а задняя - на расстоянии 5,5 м; для диафрагмы 5,6 - 1,8 м и 15 м.

Чтобы получить наибольшую глубину резко изображаемого пространства при съемке с выбранным значением относительного отверстия, наводить объектив на резкость следует путем совмещения символа ∞ с числом на шкале глубины резкости, соответствующим заданному значению диафрагмы (рис. II.5, в).

При различных фокусных расстояниях (при одинаковых относительных отверстиях и одинаковых расстояниях до точки, по которой объектив наводится на резкость) глубина резко изображаемого пространства будет тем больше, чем короче фокусное расстояние объектива.

Основные плоскости и точки оптической системы объектива. В оптике направление распространения света принято обозначать слева направо. Слева, перед объективом, находится пространство объектов, справа, за объективом, пространство их изображений (рис. II.6).

Рис. II.6. Главные точки и плоскости объектива;: O - передний оптический центр (главная точка); O′ - задний оптический центр (главная точка); H - передняя оптическая плоскость, H′ - задняя оптическая плоскость; F - точка главного фокуса (передняя); F′ - точка главного фокуса (задняя); f=f′ - главное фокусное расстояние; P - фокальная плоскость; U′ - задний вершинный отрезок

Главные плоскости - две расчетные плоскости: H и H′. Точки O и O′ - пересечения главных плоскостей оптической осью - называются главными точками, от которых производится отсчет фокусных расстояний.

Главный фокус - точка на оптической оси за объективом - место изображения бесконечно удаленной точки. В каждом объективе существует два главных фокуса: передний F и задний F′.

При подборе объектива к конкретной модели фотоаппарата учитывают величину фокусного расстояния f′, вершинного отрезка U′.

Вершинный отрезок - расстояние, от вершины последней линзы объектива до точки заднего главного фокуса F′.

Рабочий отрезок - расстояние от опорного торца оправы объектива до поверхности фотопленки, Рабочий отрезок объектива должен соответствовать глубине светонепроницаемой камеры в корпусе фотоаппарата с точностью не менее ±0,02 мм (табл. II.1).

Таблица II.1. Величина рабочих отрезков объективов некоторых фотоаппаратов

На рис. II.7 показаны пять различных случаев расположения объекта и соответствующих им положений изображения.

Рис. II.7. Связь между расстоянием от объектива O до объекта K и расстоянием от объектива O до изображения объекта K

Если объект находится в "бесконечности", то его изображение получится за объективом в главной фокальной плоскости (1), т. е. на удалении, равном главному фокусному расстоянию f′.

По мере приближения объекта съемки к объективу (2) его изображение перемещается в сторону точки F₂.

Когда объект будет в точке K (3), т. е. на удалении, равном двойному фокусному расстоянию, его изображение окажется в точке K′. Причем если до этого момента размеры объекта были больше размеров его изображения, то теперь они станут равны. При перемещении объекта дальше в сторону F₁ (4) его изображение будет получаться за F′₂ и по размерам будет больше самого объекта. Когда объект окажется в точке F₁ (5), пришедшие от него лучи за объективом образуют параллельный пучок и изображения не получится.

При крупномасштабных съемках объект располагают на близком расстоянии (иногда меньшем, чем 2f) и применяют различные приспособления для выдвижения объектива на большее расстояние, чем это позволяет оправа.

Оправа. Объективы бывают жестковстроенными в корпус камеры и сменными. Их оправы рассчитаны на определенный тип фотоаппарата.

Оправа представляет собой трубчатую конструкцию, внутри которой расположены линзы и диафрагма, а с внешней стороны находятся кольца для управления Диафрагмой и для наводки объектива на резкость.

Объектив крепится к фотоаппарату с помощью, резьбового или байонетного соединения. Резьбовое соединение предусматривает ввинчивание оправы объектива в посадочное гнездо. Это неудобно при необходимости быстрой смены объективов. Более сложное, байонетное соединение позволяет произвести смену объективов за несколько секунд, что значительно сокращает время подготовки аппарата к съемке.

На рис. II.8 показана оправа объектива типа "Индустар-61". Вращением кольца 1 обеспечиваются продольное перемещение оптического блока и наводка объектива на резкость с контролем расстояний по шкале 2.

Рис. 11.8. Оправа объектива: 1 - кольцо наводки объектива на резкость; 2 - шкала расстояний; 3 - шкала глубины резкости; 4 - шкала диафрагм; 5 - кольцо установки диафрагмы

Вращением кольца 5 устанавливают диафрагму - необходимую величину светового отверстия объектива.

Управление диафрагмой. Отверстием диафрагмы изменяют освещенность изображения, глубину резко изображаемого пространства и разрешающую силу объектива. Величину отверстия диафрагмы, с помощью которой ограничивается пучок лучей, проходящих через объектив, можно устанавливать вручную или автоматически.

Ручное управление осуществляется поворотом кольца на оправе объектива.

Однокольцевым устройством снабжено большинство объективов. Оно может быть двух вариантов. В одном - обычное кольцо, имеющее легкую фиксацию положения на всех числовых значениях диафрагмы. В другом - с помощью кольца сначала устанавливают стопор на то или иное значение относительного отверстия, а затем кольцо возвращают до полного открытия. Перед моментом нажатия на спусковую кнопку при съемке кольцо на ощупь поворачивают до упора в фиксатор.

По первому варианту вручную устанавливают диафрагму на объективе "Юпитер-8" фотоаппаратов "Киев-4", "Индустар-61", ФЭД-4 и др. По второму варианту - на объективе "Индустар-61-Л/З" фотоаппарата "Зенит-Е".

Двухкольцевое устройство диафрагмы отличается от рассмотренного тем, что в нем стопор устанавливают специальным кольцом, например на объективах "Гелиос-44", "Таир-3" и др.

Предварительная установка ограничителя диафрагмы освобождает фотолюбителя от необходимости отвлекаться в момент съемки, чтобы отыскать на шкале нужное деление и совместить с ним установочный индекс.

В ряде типов фотоаппаратов применяют так называемые "прыгающие" диафрагмы, конструкция которых позволяет использовать полное отверстие объектива во время наводки его на резкость и автоматически закрывать диафрагму до заранее установленной величины нажатием спусковой кнопки затвора.

Такими диафрагмами, в частности, снабжены фотоаппараты "Киев-6С", "Салют-С", "Фотоснайпер", "Зенит-ЕМ" и др.

Автоматическое управление. Некоторые типы фотоаппаратов снабжены автоматическими экспонометрическими устройствами, управляющими выбором и установкой диафрагмы в зависимости от светочувствительности применяемой фотопленки, уровня яркости объекта съемки и значения предварительно установленной выдержки. Такими устройствами снабжены фотоаппараты "Киев-15", "Сокол-2", "Орион-ЕЕ" и др.

Классификация. Объективы, в зависимости от отношения фокусного расстояния к диагонали кадра, принято подразделять на нормальные, короткофокусные и длиннофокусные.

К нормальным объективам относятся такие, у которых фокусное расстояние равно или на 10 - 20% больше диагонали кадра.

Угол поля изображения таких объективов обычно находится в пределах 45 - 55°.

Объективы, у которых фокусное расстояние меньше, а угол поля изображения больше, чем у нормальных, относятся к широкоугольным (короткофокусным).

Широкоугольные объективы применяют при съемках в тесных помещениях, когда нет возможности отойти на достаточное расстояние, чтобы получить изображение выбранного пространства, и для съемок на природе или в помещениях, когда объективом нормального фокусного расстояния невозможно изобразить в кадре всю композицию. Широкоугольные объективы используют также при проведении подводных съемок.

Объективы, у которых фокусное расстояние больше, а угол поля изображения меньше, чем у нормальных, называют длиннофокусными. К ним относятся и телеобъективы.

Длиннофокусные объективы применяют в случаях, когда для получения достаточно крупного масштаба изображения невозможно приблизиться к объекту съемки на нужное расстояние.

Эффект от съемки длиннофокусным объективом можно сравнить с эффектом применения бинокля. Если вместо нормального объектива с фокусным расстоянием 50 мм сделать съемку (при прочих равных условиях) объективом с фокусным расстоянием 300 мм, то масштаб изображения на негативе получится в 300/50=6 раз крупнее.

Особую группу составляют объективы переменного фокусного расстояния - ОПФ. Оки позволяют получать изображения различного масштаба при неизменном расстоянии до объекта съемки.

Отношение наибольшего фокусного расстояния к наименьшему называют кратностью ОПФ. Так, ОПФ с фокусными расстояниями от 35 до 105 мм относятся к 3-кратным: 105/35=3^×

Каждой оптической системе присущи аберрации, т. е. особенности в формировании светового изображения, обусловленные формой и расположением линз, а также оптическими свойствами света.

Астигматы - наименее коррегированные объективы, состоящие из одной или двух линз. Аберрации таких объективов уменьшены. В настоящее время астигматы применяются в простейших фотоаппаратах типа "Этюд".

Анастигматы - наиболее коррегированные оптические системы. Объективы состоят из трех-четырех и большего числа линз. Такие объективы дают изображения с хорошей резкостью по всему полю изображения без нарушения формы и других недостатков.

Чем меньше в оптической системе линз (границ "воздух - стекло"), тем меньше светорассеяние и выше контраст изображения. В сложных многолинзовых системах для сохранения контраста делают многослойное просветление всех линз.

Некоторые типы современных анастигматов:

"Триплет" - простейший анастигмат, состоящий из трех линз. Создает резкое и контрастное изображение. Объективами такого типа комплектуют фотоаппараты на", "Вилия", "Любитель".

"Индустар" - группа четырехлинзовых трехкомпонентных анастигматов с одним склеенным компонентом. Дает изображение высокой резкости и контраста. Применяется для разнообразных технических и художественных съемок.

"Юпитер" - группа пяти-семилинзовых анастигматов. Выпускаются с фокусными расстояниями от 35 до 250 мм и относительными отверстиями от 1:1,5 до 1:4. Используются как сменные и как основные объективы для дальномерных и зеркальных фотоаппаратов. Дают хорошее качество изображения.

"Гелиос" - группа шестилинзовых полусимметричных анастигматов. Объективы "Гелиос-40" и "Гелиос-44" относятся к мягкорисующим и рекомендуются для съемок портретов, пейзажей и архитектуры, а также для съемок в условиях повышенного контраста освещения.

"Мир" - группа короткофокусных многолинзовых анастигматов с широким углом поля изображения, высокой разрешающей способностью и большой глубиной резкости. Используются для широкоплановых съемок и съемок под водой.

"Руссар" - короткофокусный объектив (особоширокоугольный). Применяется как сменный для дальномерных фотоаппаратов. Задний вершинный отрезок 10 мм. Угол поля изображения 90°.

"Таир" - группа длиннофокусных объективов (телеобъективов) с фокусным расстоянием от 135 до 300 мм. Применяются как сменные для зеркальных фотоаппаратов при съемке удаленных объектов.

Объективы с фокусным расстоянием более 150 мм на дальномерных фотоаппаратах не применяются, так как точная наводка таких объективов на резкость возможна только при визуальном контроле за качеством изображения на матовом стекле.

МТО - группа зеркально-линзовых телеобъективов. От других типов телеобъективов отличаются компактностью. При фокусном расстоянии 500 мм длина объектива 165 мм, а при фокусном расстоянии 1000 мм - 260 мм. Такие объективы имеют конусообразную диафрагму, световое отверстие которой не регулируется.

В табл. II.2 приведены наиболее распространенные объективы, которые выпускаются в качестве основных (штатных) и сменных.

Таблица II.2. Наиболее распространенные штатные и сменные объективы