Объектив фотоаппарата. Устройство объектива и принцип его работы

Собственно оптическое стекло специально изготавливается для использования в оптических изделиях, таких как микроскоп и фотообъектив. Оптическое стекло, в отличии от обыкновенного, отвечает ряду строгих требований: оно должно быть идеально прозрачным, также совершенно недопустимы дефекты, типа пузырьков и короблений.

Простейший фотообъектив представляет собой небольшого размера отверстие в стенке светонепроницаемой камеры либо же отверстие, оснащенное оптической линзой. Но если и такая простая конструкция может работать, то зачем же усложнять устройство? Давайте в этом разберемся.


Возьмите простое увеличительное стекло и попробуйте рассмотреть что-нибудь с его помощью, к примеру, эту статью. Обратите свое внимание: несмотря на то, что в центре изображение имеет достаточную резкость, по краям увеличительной линзы присутствуют довольно заметные искажения.

Устройство и принцип работы объектива

Почему одной линзы недостаточно?

Основным назначением фотографического объектива является создание на светочувствительном элементе – сенсоре ЦФК или фотопленке – геометрически правильное, резкое изображение объектов фотосъемки по всему полю кадра. Современный фотообъектив — сложная оптическая система.

Производство фотообъектива требует очень высокой точности, поэтому большинство операций по производству деталей и сборке объективов на современных предприятиях осуществляется роботами. Из-за характерных для подобной линзы оптических недостатков, на краях изображения линзы будут изогнуты, а цвета же, как правило, тусклы и серы. Ввиду аберрации (оптического искажения) невозможно воспроизвести изображение, которое было бы ясно очерчено, при помощи одной линзы. Мы неоднократно об этом уже упоминали, однако, необходимо уделить данному явлению больше внимания.

Явление аберрации (от латинского aberration – отклонение) – это искажение изображения, вызываемое неидеальностью оптической системы. Проявляется оно в том, что картинка получается не вполне отчетливой, искажается по форме либо приобретает специфическую окраску.

Типы аберрации

Различают хроматические, геометрические и другие виды аберраций.

Появление геометрической аберрации можно объяснить тем, что на построение оптического изображения определенным образом влияют световые лучи, которые проходят сквозь линзу на различном расстоянии от оптической оси объектива фотоаппарата. Наиболее заметными типами геометрической аберрации считается искривление — бочкообразная дисторсия, когда изображение по краям кадра словно выгибается наружу, а также и обратное явление – кажущаяся вогнутость внутрь кадра прямых линий объекта.

Также существуют и другие аберрации. Они, в большинстве случаев, проявляются на краях фотообъектива. На рисунке вы можете видеть, как себя проявляет кома дисторсия и сферическая аберрация, названные так из-за своего сходства с хвостом кометы.

В центре представлена идеальная картинка синих точек на темном фоне. Справа – сферическая аберрация, слева – кома.

Думаем, вы уже знакомы с искажением цветов на контрастных границах изображения. Это и есть хроматическая аберрация. Данный тип аберрации основывается на принципе интерференции, то есть разного отклонения лучей различного цвета.

На пути к идеальному фото

Многие недостатки, которыми характеризуется фотообъектив с простой линзой, могут быть значительно смягчены при помощи диафрагмы, поместив ее за или перед линзой. Диафрагма представляет собой светонепроницаемую заслонку (штоку) с круглым небольшим отверстием в центре. Диафрагма используется для увеличения глубины резко изображаемого пространства. Данная заслонка попросту отсекает лучи света, которые проходят сквозь края линзы, установленной в фотообъектив, где наблюдается наиболее явно выраженная аберрация. Именно по этой причине при уменьшении размеров диафрагменного отверстия наблюдается повышение резкости кадра.

Данным эффектом (диафрагмированием линзы) пользовались еще первые фотографы, у которых, понятное дело, не было в наличии хороших объективов. Но здесь возникает новая проблема: с использованием диафрагмы количество света, который проходит через фотографический объектив, уменьшается многократно, что, конечно же, становится причиной значительного увеличения выдержки во время фотосъемки. Как вы наверняка помните, при длительной выдержке невозможно снимать движущиеся объекты, потому как они на снимке в данном случае будут получаться смазанными.

Каким же образом можно заставить фотообъектив работать более качественно, не уменьшая, при этом, действующего отверстия? Поиски ответа на данный вопрос велись уже в первые дни существования фотографии. В ходе многочисленных экспериментов было выяснено, что единственное решение в данном случае – это сочетание в фотообъективе двух либо нескольких линз определенной формы. Первым подобным объективом был так называемый ахромат – сложной конструкции линза, которая состоит из двух линз: рассеивающей и собирательной. Данные линзы изготавливали из различных сортов оптического стекла, которые подбирались таким образом, что для каких-либо двух волн света полностью устранялась хроматическая аберрация, а для остальных – устранялась в значительной степени.

В ходе попыток разработки идеального объектива создана была еще одна оптическая конструкция, которая также позволила определенно снизить уровень аберрации – перископ, то есть фотографический объектив, собранный из двух отдельно расположенных линз.

Позднее был разработан апланат (см. рисунок ниже) – объектив, который состоял из двух отдельно стоящих ахроматов. Хотя апланату и были характерны некоторые оптические недостатки, данная конструкция в течении долгого времени продолжала считаться одной из самых лучших.

Создать наиболее совершенный фотообъектив, который был свободен от всех перечисленных выше недостатков, получилось только к началу двадцатого столетия. Данные объективы назывались анастигматы. Оптические схемы анастигматов достаточно разнообразны и зачастую очень сложны. В их конструкцию может быть включено 10-15 оптических элементов. Кстати, и оптическая схема апланата не забыта – она до сих пор используется при производстве дешевых объективов для «мыльниц».

Очевидно, что чем больше элементов будет в конструкции фотообъектива, тем выше должна быть точность сборки и качество стекла. Данное обстоятельство заметно повышает стоимость объектива.

При производстве анастигматов с переменным фокусным расстоянием сильно усложняется задача борьбы с аберрациями. Чем выше кратность зума, тем сложнее решить поставленные задачи, и тем выше будет стоимость объектива.

Проектирование фотографических объективов – достаточно сложный процесс поиска компромисса между рядом потребительских параметров: весом, стоимостью, светосилой, кратностью зума и искажениями. Данные характеристики могут варьироваться в довольно широких пределах. Улучшение каждого из этих параметров определенно ухудшает все остальные.

К примеру:

При равной светосиле и одинаковой стоимости двух фотообъективов больше аберрации будет давать тот, у которого кратность зума выше; лучшее качество изображение – у фотообъектива с постоянным фокусным расстоянием – «фиксов».

При одинаковом уровне качества изображения, чем кратность зума больше, тем светосила меньше.

При одинаковом уровне аберрации и фокусном расстоянии, чем больше будет светосила, тем выше стоимость: каждое давление диафрагмы ее может удвоить или даже утроить.

Приходится, таким образом, признать, то не может быть фотографического объектива с высокой кратностью зума – качественного, светосильного, дешевого и легкого одновременно.

Современные образцы объективов дают геометрически правильное и достаточно четкое изображение по всему полю кадра, но технические же характеристики и оптические свойства, с ними связанные, различных объективов могут заметно отличаться, в зависимости от определенной модели.

Наибольшее значение для фотографа имеет перечень характеристик объектива: светосила, решающее сила и рассеивание.

Фокус оптической системы – это точка, в которой фокусируются (пересекаются) первоначально параллельные лучи света после прохождения сквозь оптическую собирающую систему.

Если на линзу фотообъектива направить световой пучок, данные лучи соберутся в фокусе оптической линзы. Определить фокусное расстояние можно, если поместить фотообъектив или линзу на пути световых лучей, которые являются практически параллельными, и получить на бумаге резкое изображение солнца. Расстояние между бумагой и линзой и является фокусным расстоянием оптической линзы. Оно может быть измерено обыкновенной линейкой.

Определение фокусного расстояния

Возьмите в руки лист бумаги и увеличительное стекло. Линзу расположите таким образом, чтобы свет электрической лампочки или солнца проецировался, проходя через стекло, на поверхность бумаги. Перемещая оптическую линзу, добейтесь того, чтобы на листе бумаги образовалось изображение световой точки с четкими очертаниями. Обратите свое внимание: при удалении или приближении линзы к поверхности бумаги, четкость светового пятна пропадает. Расстояние между линзой и листом бумаги при наиболее четком изображении и будет фокусным расстоянием, а процесс настройки данного светового пятна носит название фокусировки.

Чем больше будет фокусное расстояние линзы, тем более крупное изображение она будет создавать.

Несмотря на тот факт, что реальный фотообъектив более сложен по конструкции, чем обыкновенная увеличительная лупа, понятие фокусного расстояния объектив в общих чертах имеет тот же смысл, как и для лупы в нашем практическом задании. Только вместо бумаги, как вы уже наверняка догадались, выступает светочувствительный элемент – электронный сенсор или пленка. Принято обозначать фокусное расстояние в миллиметрах. Масштаб изображения является прямо пропорциональным величин фокусного расстояния фотообъектива.

На практике же изменение масштаба фотокадра за счет смены фокусного расстояния фотографы используют, чтобы вести съемку в разных масштабах с одного места. Для этого используются либо зум-объективы, либо сменные объективы с разными фокусными расстояниями.

Еще одна известная закономерность: с увеличением фокусного расстояния, угол обзора объектива уменьшается. Данная зависимость наглядно продемонстрирована на снимке.

Угол обзора объектива

Давайте попробуем разобраться, с чем это связано. Площадь, на которой фотографический объектив дает изображение, ограничивается форматов фотоаппарата, то есть размерами сенсора матрицы или кадра фотопленки. Фотокадр всегда представляет собою квадрат или прямоугольник, а наибольшей же линейной величиной в данных геометрических фигурах служит диагональ. Зная величину фокусного расстояния фотообъектива и диагональ кадра, при помощи простого фотографического построения можно определить одну очень важную характеристику объектива: под каким углом он будет «видеть» снимаемое пространство. Для этого достаточно будет начертить на листе бумаги прямоугольник размером с кадр, в натуральную величину, провести диагональ данного прямоугольника, опустить перпендикуляр к середине диагонали, и отложить на нем отрезок, который равен фокусному расстоянию. С увеличением фокусного расстояния фотообъектива уменьшается угол обзора. Угол обзора зависит как от размеров кадра, так и от фокусного расстояния объектива.

Следует достаточно осторожно относиться к рекомендациям, касаемо выбора объектива, которые были опубликованы еще в «пленочную» эпоху. Несмотря на тот факт, что многие модели объективов от пленочной техники вполне могут использоваться с цифровыми моделями, большинство современных образцов цифровых фотоаппаратов обладает сенсором, размер которого может быть в определенное количество раз меньше, нежели кадр 35-миллиметровой пленки. Следовательно, выбирая оптику от пленочной фотокамеры, необходимо умножать фокусное расстояние фотообъектива на данное число для того, чтобы узнать фокусное расстояние, «эквивалентное пленочному» получившейся оптической системы. Производители объективов для цифровых фотоаппаратов в этих целях обычно указывают значение эквивалентного фокусного расстояния для размера кадра 35-миллиметровой фотопленки.

Фотообъектив с фокусным расстоянием в 50 мм на пленочных фотокамерах с размером кадра 35х24 мм обеспечивает угол обзора, который приблизительно равен углу зрения человека. По данной причине его используют в качестве штатного, основного.

Установленный на цифровом аппарате с размером матрицы 23,6х15,8 мм, данный фотографический объектив примерно в полтора раза сужает свой угол обзора. Разница между значениями фокусных расстояний объективов разнообразных по формату аппаратов может быть объяснена ничем иным, как стремлением конструкторов сохранить один и тот же наиболее удобный угол изображения у всех аппаратов.

Также следует отметить, что значение фокусного расстояния еще состоит и в том, что он определяет другую, не мене важную техническую характеристику фотообъектива – его светосилу. О светосиле читайте следующий пост.

Leave a comment

Your email address will not be published.


*