Объектив фотоаппарата

Версия для печати…

О Б Ъ Е К Т И В

Общие сведения

Самая важная часть фотоаппарата — объектив. Это оптический прибор, который проецирует на пластинку или плёнку световое изображение фотографируемого предмета. Простая собирательная линза (увеличительное стекло) даёт расплывчатое и нерезкое изображение. Поэтому применяемые в современной фотографии объективы содержат от трёх до восьми линз. Выпуклость и вогнутость (радиусы кривизны), и состав стекла которых точно вычислены и соблюдены при изготовлении. Соседние линзы разделяются воздушным промежутком или склеиваются. При этом получается прибор, который:

Таким образом, нерезкость изображения обуславливается только не совпадением расстояния между предметом, изображением и фокусным расстоянием объектива. В этих объективах исправлены такие недостатки выпуклой линзы (увеличительного стекла), как:

Такие совершенные объективы называются анастигматами; они дают ясное и отличное по резкости изображение. Все фотоаппараты отечественного и зарубежного производства снабжаются анастигматами (дословный перевод — «не астигматические»).

Объектив монтируется в оправу, соответствующей конструкции фотокамеры, для которой он предназначен. Объективы малоформатных полупрофессиональных камер вмонтированы в двойную оправу с винтовым ходом, позволяющую объективу перемещаться вдоль оптической оси для наводки на резкость. В фотоаппаратах – «мыльницах» и большинстве цифровых любительских фотокамер объектив жёстко соединён с корпусом, утоплен в него и снабжается закрывающей его створкой корпуса.

На оправе объектива выгравировано: название, присвоенное тому или иному виду объектива (отсутствует на «мыльницах»), его фокусное расстояние и относительное отверстие (светосила). Также на оправе центрального затвора помещается шкала диафрагм, а также шкала расстояний и шкала глубины резкости (кроме «мыльниц»).

Фокусное расстояние и относительное отверстие являются существенными данными для характеристики объектива.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние является важной характеристикой любого оптического прибора, использующего при получении изображения эффект подобия. Подробнее о фокусном расстоянии смотри раздел «Оптика» учебника по физике средней школы за 11 класс или следующий сайт: http://microelic.narod.ru/PHYSICS/OPTIC/COLOR/index.shtml

Фокусным расстоянием (главным) называется расстояние между оптическим центром объектива и светочувствительным материалом (или матрицей), при резкой наводке на очень удалённый предмет. Фокусное расстояние каждого объектива — это наименьшее расстояние от оптического центра до светочувствительного материала, при котором вообще возможно получить резкое изображение.

Если снимать ближе расположенные предметы, то расстояние между пластинкой и светочувствительным слоем приходится увеличивать; для того, чтобы сфотографировать предмет в натуральную его величину (т.н. макросъёмка), потребуется увеличить фокусное расстояние в два раза. Только профессиональные пластиночные фотоаппараты имеют возможность увеличения этого расстояния путём растяжения меха камеры. Поэтому без специальных приспособлений (исключая оптический Zoom) другими фотоаппаратами нельзя снимать предметы с близкого расстояния (ближе 1,0 — 1,5 м). Минимальное расстояние при макросъёмке указывается в инструкции при покупке фотоаппарата.

Фокусное расстояние выражается в сантиметрах (или в миллиметрах). От его величины зависит светосила и глубина резко изображаемого пространства, масштаб изображения предметов и, кроме того, для каждой конструкции объектива — наибольший формат светочувствительного материала, на котором можно получить резкое по краям изображение.

При съёмке с одной и той же точки объектив с коротким фокусным расстоянием даёт изображение малого формата и в мелком масштабе, объектив с длинным фокусным расстоянием даёт изображение большого формата и в крупном масштабе. Масштаб изображений прямо пропорционален фокусному расстоянию.

Нормальным фокусным расстоянием считаются: для формата 6x9 см — 11 см, 6x6 см — 7,5 см, для малоформатного негатива 24x36 мм — 5 см. Для цифровых фотокамер при площади матрицы в 1,41 кв. дюйма — 5 см, 1 кв. дюйм — 3,5 см, 1/2 кв. дюйма — 1,75 см, 1/4 кв. дюйма — 0,88 см. Как видим, чем меньше формат матрицы, тем меньшим может быть главное фокусное расстояние, а значит — компактнее камера. Однако, при прочих равных условиях, чем больше формат светочувствительной матрицы, тем выше конечное качество снимков (как для плёночных, так и для цифровых камер). Поэтому автор для снимков высокого качества автор настоятельно не рекомендует покупать малые по размеру камеры, даже при высоких заявленных параметрах. Так, автор не советует покупать камеру с размером матрицы 1/4 кв. дюйма и объёмом более 2,5 Мегапиксель (такая камера — нонсенс!)

Фокусное расстояние принято обозначать на объективах буквой F и выражать в сантиметрах или миллиметрах. Если на оправе объектива имеется обозначение F=13,5 см или F=50 мм, это значит, что объектив имеет фокусное расстояние длиной 13,5 см или 50 мм. Согласно ГОСТ, фокусные расстояния объективов должны обозначаться в сантиметрах. Кроме этого, фокусное расстояние на зарубежных объективах может измеряться в дюймах (1 дюйм, " — 2,54 см.)

Относительное отверстие (геометрическая светосила)

Светосилой объектива называется его способность давать ту или иную яркость изображения (освещённость фотослоя). Величина светосилы имеет важное значение: чем выше светосила объектива, тем меньшая выдержка требуется при съёмке.

Естественно, объектив с большим отверстием пропускает больше света, чем объектив с малым отверстием. Однако абсолютная величина диаметра объектива ещё ничего не решает. В самом деле, если сравнить объектив с окном, через которое в помещение (камеру) проникает свет, то нетрудно убедиться, что освещённость какого либо предмета будет тем сильнее, чем больше само окно и чем ближе к нему расположен предмет.

Следовательно, светосила объектива зависит от двух величин. Объектив тем светосильнее, чем больше его отверстие и чем короче его фокусное расстояние.

Эта взаимосвязь выражается величиной относительного отверстия, которое представляет собой (строго) отношение диаметра полного действующего отверстия объектива к его главному фокусному расстоянию (обе величины должны взяться в одинаковых линейных единицах.) Например, диаметр отверстия в 2 см относится к фокусному расстоянию 8 см, как 1:4. На такой объектив наносится обозначение относительного отверстия: 1:4.

Современные фотоаппараты снабжаются объективами с относительными отверстиями:

1:1,5;   1:2;   1:2,8;   1:3,5;   1:4;   1:4,5;   1:6,3.

Чем больше второй член отношения, тем меньше само относительное отверстие.

Отверстие объектива — это круг. Как известно из геометрии, площади кругов относятся как квадраты их диаметров. Значит, две светосилы объективов относятся, как квадраты диаметров соответствующих относительных отверстий. Имеется упрощённый способ определения, во сколько раз один объектив светосильней другого: больший знаменатель относительного отверстия надо разделить на меньший знаменатель и полученное частное возвести в квадрат.

Например, относительные отверстия двух объективов 1:2 и 1:4,5. В этом случае отношение их светосил будет равно:

(4,5 : 2)² = 2,25² ~ 5

Таким образом, первый объектив светосильней второго приблизительно в пять раз. Соответственно, при максимальном открытии диафрагмы выдержку у первого фотоаппарата надо брать в пять раз меньшую, чем у второго (например, вместо 1/6 секунды — 1/30 секунды).

Светосила — одна из главнейших характеристик объектива. От неё зависит продолжительность выдержки при фотосъёмке. Чем выше светосила объектива, тем короче может быть выдержка. А величина выдержки важна при съёмке с рук или съёмке быстро движущихся объектов. Кроме того, объектив с большой светосилой даёт возможность фотографировать при менее благоприятных световых условиях (например, в помещении).

Угол изображения

Площадь, на которой объектив может дать изображение, для каждого объектива ограничена. При съёмке фотоаппаратом большого формата, укрепив на нём объектив малоформатной камеры, получается круг с размытыми, сходящими на нет границами, за пределами которых — неосвещённое поле.

Поле изображения объектива

Рис. 02. Иллюстрация поля изображения

Для практики представляет ценность та часть этого круга, где изображение резко. Область, ограниченная этим кругом, носит название поля резкого изображения, или просто полем изображения.

Размеры поля изображения обычно связаны с фокусным расстоянием объектива. Чем больше фокусное расстояние, тем больше поле изображения, однако прямой зависимости здесь нет. Чем больше поле изображения, тем больше может быть формат пластинки или плёнки.

Пластинки и плёнки имеют формат прямоугольника или квадрата, а не круга, поэтому на практике используется не всё поле изображения, а некоторая его часть, ограниченная прямоугольником или квадратом. Для получения резкого изображения на всей поверхности фотокадра необходимо, чтобы диаметр поля изображения был не менее диагонали фотокадра.

Углом изображения объектива называется угол, заключённый между прямыми, соединяющими некоторую точку объектива с концами диаметра поля изображения при установке объектива на бесконечность, т.е. на главном фокусном расстоянии от центра поля изображения. Таким образом, угол изображения устанавливает связь между главным фокусным расстоянием объектива и размерами поля изображения, и может служить гораздо более полной характеристикой объектива, чем одна величина поля изображения.

От величины угла изображения зависит то максимальное расстояние, которое объектив может охватить при фотографировании. Чем больше угол изображения, тем большее пространство объектив охватывает.

На практике используется не всё поле изображения. Когда говорят об угле изображения для объектива, то имеют в виду не диаметр поля изображения, а диагональ кадра, для которого объектив предназначен.

Угол изображения на фотосъёмке

Рис. 03. Угол изображения при фотосъёмке

На рисунке 03 показан угол изображения. Из него видно, что его величина зависит от диагонали формата расчётного кадра и фокусного расстояния объектива. Чем больше диагональ кадра и меньше фокусное расстояние объектива, тем угол изображения больше.

Разрешающая сила объектива

Разрешающей силой фотообъектива называется его способность раздельно передавать на негативе мельчайшие детали фотографируемого объекта. Разрешающая сила объектива определяется числом штрихов и таких же по ширине промежутков между ними, раздельно изображаемых объективом в 1 мм поля изображения. Эта величина имеет размерность линий на миллиметр (лин/мм). Кроме этой величины может использоваться величина линий на дюйм (line per inch), аналогичная по величине dpi (dot per inch), используемая при описании разрешения при типографской печати.

Само собой разумеется, что в тесной связи с разрешающей силой объектива находится резкость, даваемая объективом изображения. Чем выше разрешающая сила объектива, тем более резкие снимки можно получить им и тем большего увеличения фотоснимков можно достигнуть без существенной потери резкости изображения.

Разрешающая сила современных объективов достигает 250-300 лин/мм (6350-7620 lpi). Практически же она оказывается значительно меньшей, поскольку в её определении участвует фотографический слой, разрешающая способность которого более низкая, чем разрешающая сила объектива. Разрешающая способность фотоматериала ограничивает общую разрешающую способность фотоаппарата.

Разрешающая сила объектива в центре поля изображения всегда выше, чем по краям. Поэтому в технический паспорт объектива заносятся два значения разрешающей силы: для центра и краёв поля изображения.

В реальных условиях объективы высокого качества дают при наибольшем действующем отверстии 40-42 лин/мм (1016-1067 lpi) в центре поля и 20-22 лин/мм (508-559 lpi) по краям поля, однако практически применимы объективы и с меньшей разрешающей силы.

Разрешающая сила объектива зависит не только от его конструкции и точности изготовления, но и от оптических характеристик стёкол, из которых изготовлены линзы объектива. Поэтому объективы с пластиковыми линзами имеют очень низкую разрешающую способность, и их использование ограничивается любительскими камерами низкого класса («мыльницами»). Для полупрофессиональной и профессиональной фотографии необходимо выбирать только объективы со стеклянными линзами.

Приложение 1.

Некоторые сведения из геометрической оптики

Выпуклые линзы.

Выпуклые линзы представляют собой кусок стекла (или другого прозрачного материала с показателем преломления большим, чем у воздуха), одной или обеим сторонам которого придана форма выпуклой сферы (см. рисунок 04, a, b).

Выпуклые линзы

Рис. 04. Выпуклые линзы.
a) Двояковыпуклая линза; b) Плосковыпуклая линза.
R1, R2 — радиусы кривизны.

Не приводя никаких формул, отметим, что любая линза характеризуется так называемым фокусным расстоянием. Фокусное расстояние (измеряемое в сантиметрах) — это расстояние, на котором параллельные лучи, падающие на линзу, собираются в точку. Кроме фокусного расстояния, у линзы есть оптические оси — прямые, по которым свет проходит, не преломляясь, и главная оптическая ось — оптическая ось, перпендикулярная плоскости линзы. Условные обозначения выпуклых линз показаны на рисунке 05.

Условные обозначения элементов выпуклой линзы

Рис. 05. Условные обозначения элементов выпуклой линзы в геометрической оптике.
O — центр линзы. y2Oy1 — выпуклая линза. Ox — главная оптическая ось линзы. R — фокусное расстояние. Oa — оптическая ось линзы (побочная).

Формирование изображения выпуклой линзой.

Важной особенностью выпуклых линз является их способность создавать оптическое изображение предмета. Изображение получается из лучей света, падающих на линзу от объекта и преломляемых ею. В принципе, и изображение, и объект обратимы друг к другу. Так, поместив объект на место изображения (и изменив его масштаб), мы получим на выходе изображение, в точности соответствующее объекту.

Изображение, которое создаётся линзой, можно получить исходя из следующих законов геометрической оптики:

  1. Свет, проходящий через линзу по любой из оптических осей, проходит через неё без преломления (или изменения пути распространения).
  2. Свет, проходящий через линзу параллельно любой из оптических осей, собирается в точке пересечения этой оптической оси и плоскости, перпендикулярной главной оптической оси, и расположенной на фокусном расстоянии от линзы.
  3. Свет от объекта распространяется во всех направлениях (так называемое диффузионное рассеяние света.)
  4. Каждой точке объекта соответствует одна и только одна точка изображения.

Смотри также материал «Сайта микроэлектроники» (http://www.microelic.narod.ru/PHYSICS/OPTIC/index.shtml)