ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТИВА
Отрывок из книги А.Журавлева и Ю.Кайдалова «Справочник фотографа-любителя», посвященный характеристикам фотообъективов.
Смотрите также ПОСТРОЕНИЕ КАДРА, ВИДЫ ФОТОГРАФИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ.
Справочник фотографа-любителя
А.Журавлев и Ю.Кайдалов.
Новосибирское книжное издательство. 1958 год.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТИВА
- Фокусное расстояние
- Светосила
- Угол зрения, и поле изображения
- Глубина резкости и диафрагма
- Разрешающая способность
- Простейший объектив и его недостатки (cферическая аберрация, кома, хроматическая аберрация и др.)
- Простой объектив
- Сложный объектив
- Телеобъектив
- Широкоугольный объектив
- Портретный объектив
- Просветление объектива
Объектив фотоаппарата предназначен для получения изображения фотографируемого объекта на плоскости негативного материала (в современных цифровых фотоаппаратах - матрицы).
Объективы современных аппаратов представляют из себя систему строго центрированных линз, заключенных в общую оправу.
Каждый объектив характеризуется следующими показателями:
- фокусным расстоянием,
- светосилой,
- углом зрения и полем изображения,
- глубиной резкости и
- разрешающей способностью.
Фокусное расстояние
Так как каждому положению фотографируемого предмета соответствует строго определенное положение изображения, то плоскость предмета и плоскость изображения называются сопряженными плоскостями.
Когда фотографируемый предмет находится в бесконечности (практически в фотографии расстояние свыше 25 метров считается бесконечностью), плоскость изображения называется фокальной плоскостью. (25 - это условная цифра; в реальной жизни зависит от требуемого кружка нерезкости и фокусного расстояния)
Точка пересечения фокальной плоскости с оптической осью называется точкой фокуса объектива (рис. 2).
Рис. 2. Фокусное расстояние и задний отрезок объектива.
F1 - точка фокуса; H1 - задняя главная точка; S1 - задний, отрезок объектива; f - фокусное расстояние объектива.
Для каждого объектива положения точки фокуса и фокальной плоскости строго постоянны. Расстояние от точки фокуса до поверхности задней линзы по оптической оси называется задним отрезком объектива. Величина этого отрезка зависит от конструкции объектива.
Расстояние от точки фокуса до так называемой задней главной точки объектива называется главным фокусным расстоянием или просто фокусным расстоянием. Задняя главная точка объектива воображаемая, но положение ее для каждого объектива строго постоянное. Величина главного фокусного расстояния зависит от назначения фотообъектива. Она гравируется на оправе объектива (например, Ф = 135 мм или Ф = 5 см). При съемках фокусное расстояние имеет очень важное значение, оно определяет масштаб изображения.
Сравнивая снимки, сделанные с одной точки, но объективами с разными фокусными расстояниями, видим, что чем больше фокусное расстояние, тем крупнее масштаб изображения (рис.3, 4, 5). Поэтому, когда требуется получить изображение большего масштаба, применяются объективы с большим фокусным расстоянием. Такие объективы применяются и тогда, когда условия съемки не позволяют близко подойти к снимаемому объекту (например, при съемке птиц или животных).
Рис. 3, 4, 5. Снимки, сделанные с одной и той же точки тремя объективами с разными фокусными расстояниями. Слева направо: 85 мм, 50 мм, 35мм.
В практике фотолюбителя может встретиться необходимость определить фокусное расстояние объектива. Это делается одним из следующих способов.
1. Фотоаппарат наводят на какой-нибудь предмет, находящийся от аппарата на расстоянии не ближе двадцати пяти метров. Получив резкое изображение на матовом стекле, измеряют расстояние от середины объектива до матового стекла. Результаты при этом способе получаются приблизительными.
2. Наносят на бумаге две точки на определенном расстоянии одну от другой. Наводят фотоаппарат на эти точки так, чтобы расстояние между ними на матовом стекле было таким же, как и на оригинале. После этого измеряют расстояние от оригинала до матового стекла и делят его на четыре. Полученный результат будет равен фокусному расстоянию.
Светосила
Прежде чем иметь представление о светосиле, необходимо познакомиться с относительным отверстием объектива.
Отношение диаметра действующего отверстия к фокусному расстоянию называется относительным отверстием объектива. Числовое значение относительного отверстия для удобства выражают в виде дроби с числителем, равным 1. Наибольшая величина относительного отверстия гравируется на оправе объектива. Если на оправе обозначена величина 1 : 3,5, это значит, что фокусное расстояние объектива в 3,5 раза больше диаметра действующего отверстия; если же указано отношение 1 : 4,5, то фокусное расстояние больше в 4,5 раза.
Под светосилой объектива понимается способность давать изображение большей или меньшей яркости, то есть создавать на плоскости негативного материала большую или меньшую освещенность. Светосилу характеризуют наибольшей величиной относительного отверстия, значит, отношения 1 : 3,5 и 1 : 4,5, приведенные как пример относительного отверстия, говорят о том, что светосила объектива зависит от фокусного расстояния и диаметра действующего отверстия.
Если взять объективы с одинаковым фокусным расстоянием, но с разными диаметрами действующего отверстия, то яркость изображения на матовом стекле будет выше у того объектива, у которого больше диаметр. Если диаметр действующего отверстия больше втрое, то яркость изображения будет сильнее в девять раз, так как площадь отверстия в девять раз больше. Если же диаметр действующего отверстия одного из объективов меньше другого вдвое, то освещенность изображения, полученная первым объективом, будет в четыре раза меньшая. Из двух объективов с одинаковыми действующими отверстиями, ко с различными фокусными расстояниями тот объектив будет иметь большую светосилу, который имеет более короткое фокусное расстояние. Это получается потому, что равное количество света, пропускаемое объективами, распределяется на разные площади, так как размер изображения, полученный короткофокусным объективом, меньше. Возьмем два объектива с фокусными расстояниями, например, в 5 см и 10 см.
Рис. 6. Сравнение светосилы объективов: при полном открытии диафрагмы объектив "Юпитер-8" имеет светосилу, в три раза большую, чем "Индустар-22".
Освещенность изображения, полученного первым объективом, будет в четыре раза больше, потому что световой поток распределится здесь на площади, вчетверо меньшей. Таким образом, светосила объектива прямо пропорциональна квадрату диаметра действующего отверстия этого объектива и обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния. Для того, чтобы установить, какой объектив обладает большей светосилой и во сколько раз, необходимо возвести в квадрат относительные отверстия этих объективов и большее число разделить на меньшее (рис. 6). Величину действующего отверстия можно изменять при помощи диафрагмы.
На оправе объектива наносится шкала относительных отверстий, соответствующих тому или иному изменению действующего отверстия. В настоящее время в отечественных объективах принят стандартный ряд относительных отверстий: 1 : 0,7; 1 : 1; 1 : 1,4; 1 : 2; 1 : 2,8; 1 : 4; 1 : 5,6; 1 : 8, 1 : 11; 1 : 16; 1 : 22; 1 : 32; 1 : 45; 1 : 64. Каждое последующее деление уменьшает светосилу объектива в два раза. У некоторых объективов (например "Индустар-10", "Индустар-22", "Индустар-23", "Индустар-50") максимальное относительное отверстие не совпадает с числами стандартного ряда, и поэтому первые два деления шкалы диафрагмы дают изменение светосилы не в два раза, а несколько меньше. При расчете выдержки это необходимо помнить во избежание ошибок.
Угол зрения, и поле изображения
Каждый объектив изображает фотографируемое пространство в пределах определенного угла (рис. 7). Этот угол называется углом зрения объектива.
Рис. 7. Поле зрения и поле изображения объектива.
Все видимое пространство, изображенное в форме круга, называется полем зрения объектива.
Угол зрения α получится, если соединить заднюю главную точку объектива с двумя противоположными точками, расположенными на окружности.
В пределах поля зрения не все изображение будет одинаково резким. Наибольшая резкость изображения будет находиться в центре поля, здесь же будет и наибольшая освещенность. По мере удаления от центра к краям резкость и освещенность будут падать.
Центральная часть поля зрения, которая используется для фотографических целей, называется полем изображения. Размер его определяет собой максимальный формат кадра. Обычно это прямоугольник, вписанный в пределы круга поля изображения.
Если соединить две противоположные точки окружности, ограничивающей поле изображения, с задней главной точкой объектива, получим угол β, который называется углом изображения. По величине угла изображения объективы подразделяются на:
- длиннофокусные с углом изображения 15-25°;
- с нормальным углом изображения (около 40°);
- широкоугольные (угол изображения более 55°).
Величина угла изображения объективов пленочных камер указана в таблице 1.
Для сравнения величины используемого угла изображения различных объективов следует принимать во внимание величину угла, которая получена по длине кадра, так как изображаемое пространство ограничивается сторонами негатива. Величина угла по диагонали кадра необходима для расчета устройства камер (см. табл. 2).
Глубина резкости и диафрагма
Для того, чтобы получить резкое изображение снимаемых объектов, необходимо объектив установить на определенном расстоянии от пленки или пластинки. Эта установка называется наводкой на резкость.
При наводке на резкость предметов, находящихся в бесконечности, то есть на удалении более 25 метров, расстояние между задней главной точкой объектива и плоскостью негативного материала будет равно главному фокусному расстоянию. Предметы, расположенные ближе 25 метров, будут изображаться нерезкими.
Резкость изображения будет понижаться постепенно как по мере удаления предметов от камеры, так и по мере приближения к ней. Таким образом, в пределах каких-то границ от точки наводки изображение будет казаться резким. Глубина пространства, в пределах которого предметы изображаются резкими, называется глубиной резкости.
Глубина резкости зависит от фокусного расстояния, величины действующего отверстия объектива и расстояния от точки наводки до объектива. Глубина резкости тем больше, чем короче фокусное расстояние объектива, чем меньше диаметр действующего отверстия и чем больше расстояние от объектива до точки наводки.
Ниже приводятся рисунки 8 и 9 и таблица 3, показывающие зависимость глубины резкости от перечисленных факторов. При прочих равных условиях, то есть при F постоянном и также постоянном расстоянии от объектива до объекта, для увеличения глубины резкости уменьшают диаметр действующего отверстия. С этой целью между линзами объектива устанавливается диафрагма, позволяющая изменить диаметр входного отверстия.
Рис. 8. Зависимость резкости изображения
от расстояния между предметами и объективом.
A, B, C — точки разноудаленных предметов.
A1, B1, C1
— точки пересечения лучей, прошедших через линзу. При наводке на
резкость на среднюю точку B изображение точек A и С
в фокальной плоскости получится в виде нерезких кружков,
называемых кружками рассеяния.
Рис. 9. Увеличение глубины резкости диафрагмированием.
Диаметр кружка рассеяния АБ уменьшается при уменьшении отверстия диафрагмы dd благодаря уменьшению угловой величины пучка лучей.
На подвижной части оправы объективов аппаратов "ФЭД" и "Зоркий" наносится шкала относительных отверстий. (У аппаратов "Москва" и "Киев" эта шкала нанесена на неподвижной части). Кроме этой шкалы, на неподвижной части оправы нанесена шкала расстояний (рис. 10). На подвижной части оправы объективов нанесена глубокая черная выемка, которая при наводке на резкость показывает расстояние до точки наводки. Справа и слева от выемки, против одинакового значения диафрагмы, можно прочесть расстояние от камеры до передней и задней границ резкости (см. табл. 3).
Рис. 10. Шкала расстояний объектива и определение задней и передней
границ резкости:
A — резко все от 2 до 2,5 м;
Б — резко все от 2 до 3 м;
В — резко все от 2 до 4 м.
Для тех аппаратов, у которых шкала диафрагмы не нанесена на оправу, глубину резкости можно рассчитать по формуле гиперфокального расстояния.
D = F2/kz,
где D - гиперфокальное расстояние при заданной диафрагме
— расстояние от главной точки объектива до точки на оптической оси,
от которой, при наводке на бесконечность, все предметы будут изображаться
резко;
F - фокусное расстояние объектива в миллиметрах;
z - знаменатель относительного отверсия;
k - величина, равная 0,1 мм, для широкопленочных камер,
и 0,03 мм - для малоформатных. (k - это "максимально допустимый кружок нерезкости". т.е. размер кружка на приемнике изображения, больше которого точка уже не будет восприниматься как точка;
естественно, чем больше формат приемника, тем большие кружок нерезкости
)
Передняя и задняя границы резкости определяются по формулам
a1 = d(D + F)/D - d
и
a2 = d(D + F)/D + d
где a1 - расстояние до задней границы резкости;
a2 - расстояние до передней границы резкости;
d - расстояние до снимаемого объекта;
D - гиперфокальное расстояние.
При расчете числа можно округлять. Вычисленную таблицу рекомендуется наклеить на камеру или переписать в записную книжку.
Разрешающая способность
Разрешающая способность — это способность объектива раздельно передавать очень мелкие детали снимаемого предмета. Разрешающая способность обычно больше в центре и снижается к краям объектива. Объективы, выпускаемые нашей промышленностью, обладают разрешающей способностью, позволяющей получать большие увеличения с малоформатных негативов.
В последнее время для фотоаппарата "Зоркий" выпущен объектив "Индустар-50", который обладает повышенной разрешающей способностью и с успехом может быть использован для репродукционных работ. На разрешающую способность полученного изображения, кроме разрешающей способности объектива, влияют негативный материал и условия обработки. Но при всех равных условиях то изображение будет обладать большими подробностями, которое получено объективом с большей разрешающей способностью.
Простейший объектив и его недостатки
Один из простейших объективов — двояковыпуклая линза. Однако такой объектив обладает рядом существенных недостатков.
Лучи света, падающие на двояковыпуклую линзу, преломляются ее краями значительно сильнее, чем центральной частью (рис. 11). Таким образом, лучи имеют различные точки пересечения. Этот недостаток простой линзы называется сферической аберрацией. Она не дает возможности получить резкого изображения. Сферическая аберрация устраняется путем соединения двух линз, одна из которых собирательная, а другая рассеивающая (рис. 12).
Рис. 11. Сферическая аберрация и уменьшение ее путем диафрагмированием.
Рис. 12. Исправление сферической аберрации.
Второй недостаток простой линзы — кома. Она представляет собой сферическую аберрацию лучей, падающих на линзу под углом к оптической оси (рис. 13). Изображение в этом случае получается вытянутым в виде запятой. Комбинирование собирательной и рассеивающей линз в объективе позволяет исправить этот недостаток.
Рис. 13. Кома.
Техническая природа возникновения этих двух недостатков одна и та же.
Третий недостаток линзы — хроматическая аберрация. Дело в том, что линза так же, как и призма, разлагает лучи света на его составные части, и так как фиолетовые лучи преломляются наиболее сильно, а красные лучи обладают наименьшим преломлением, то, выходя из линзы, различные лучи пересекаются в разных фокусах (рис. 14). В результате этого явления каждая точка изображения будет окружена радужной каемкой. Хроматическая аберрация исправляется комбинированием собирательной и рассеивающей линз из стекол с различными коэффициентами преломления.
Рис. 14. хроматическая аберрация.
Fс, Fж, Fк — точки пересечения синих, желтых и красных лучей.
Один из наиболее трудно устранимых видов аберрации — астигматизм. Это явление заключается в том, что линза собирает наклонные лучи не в один общий фокус, а в две отдельные плоскости (рис. 15). Изображение перекрестия пучка света получается в виде двух взаимно перпендикулярных прямых. В оптической системе астигматизм устраняется подбором линз и сортов стекол.
Рис. 15. Астигматизм.
Если произвести съемку фотоаппаратом, у которого объективом служит двояковыпуклая линза, то получится негатив, у которого резкое изображение будет только в центре или только по краям. Это явление называется кривизной поля изображения и происходит потому, что резкое изображение образуется не на плоскости, а на сфере (рис. 16).
Рис. 16. Кривизна поля изображения.
Линза, наконец, обладает еще одним недостатком, называемым дисторсией. Этот недостаток заключается в том, что на изображении прямые линии предмета искривляются (рис. 17). Характер искривления зависит от положения диафрагмы. Если диафрагма располагается за линзой, то получается подушкообразная дисторсия, а если диафрагма помещается перед линзой, то будет наблюдаться так называемая бочкообразная дисторсия. Дисторсию устраняют путем симметричного расположения двух линз относительно помещенной между ними диафрагмы.
Рис. 17. Дисторсия.
Простой объектив
К таким объективам, применяемым в фотографии, относятся объективы, состоящие из одной линзы или нескольких линз, склеенных вместе.
Рис. 18. Основные типы фотообъективов.
а — монокль; б — ахромат; в — перископ; г — апланат; д — анастигмат.
Монокль (рис. 18 а) представляет собой собирательную линзу, заключенную в оправу. Этот объектив ставится на самых простых аппаратах и обладает всеми видами недостатков, перечисленных выше. Применялся главным образом при портретных съемках.
Ахромат (рис. 18 б) — объектив, состоящий из двух склеенных между собой линз. В нем устранена хроматическая и уменьшена сферическая аберрация. Он применялся главным образом при ландшафтных съемках.
В настоящее время простые объективы не выпускаются.
Сложный объектив
К группе сложных относятся объективы, состоящие из двух линз или из двух систем линз, закрепленных на противоположных концах оправы. Между линзами крепится диафрагма. Группа сложных объективов подразделяется на симметричные и несимметричные. К симметричным относятся те, у которых передний и задний компоненты одинаковы, а к несимметричным - объективы, у которых передний и задний компоненты различны.
Перископ (рис. 18 в) — симметричный объектив, со стоящий из двух выпукло-вогнутых линз, расположенных симметрично относительно помещенной между ними диафрагмы. В этом объективе устранена только дисторсия. Обычно имеет светосилу порядка 1 : 8 - 1 : 12.
Апланат (рис. 18 г) — объектив, состоящий из четырех попарно склеенных линз. Между линзами помещается диафрагма. Каждая пара линз может быть использована самостоятельно и действовать как ахромат. При вывинчивании одной пары линз фокусное расстояние увеличивается в два раза. В апланате недостатки простого объектива сведены до минимума.
Анастигмат (рис. 18 д) — наиболее совершенный объектив, у которого устранены все недостатки линзы. Он удовлетворяет самым высоким требованиям, предъявлявмым к качеству изображения при различных фотографических работах. Анастигматы могут быть симметричными и несимметричными, иметь до восьми линз. Объективы типа анастигмат ставятся на большинстве выпускаемых фотоаппаратов. (это утверждение до сих пор верно)
Универсальный объектив. Анастигматы могут изготовляться как для специального назначения, так и для универсального пользования. Большинство аппаратов, которыми фотолюбители пользуются в своей практической работе, снабжено одним постоянным объективом, позволяющим производить самые разнообразные съемки. Фокусное расстояние такого объектива приблизительно равно диагонали кадра. Этот объектив называют нормальным или универсальным, в отличие от специальных объективов, предназначенных для специальных видов съемок. К объективам специального назначения относятся телеобъективы, широкоугольные, портретные и другие.
Телеобъектив
предназначен для получения изображения крупным планом и съемки удаленных объектов.
Характерная особенность телеобъектива состоит в том, что на пути лучей, прошедших через систему собирательных линз, установлена рассеивающая система, которая отклоняет лучи, в результате чего они пересекаются в фокусе F2 (рис. 19). Благодаря этому изображение получается дальше и в более крупном масштабе.
Рис. 19. Ход лучей в телеобъективе.
Телеобъективы имеют небольшое поле изображения и малую глубину резкости. Они незаменимы, когда невозможно подойти близко к снимаемому объекту, а изображение нужно получить в крупном масштабе.
Широкоугольный объектив
Он отличается от остальных фотообъективов тем, что имеет укороченную оптическую систему, короткое фокусное расстояние и большой угол зрения (до 135°). Этот тип объектива обладает большой разрешающей способностью. Очень удобен при съемке внутри тесных помещений и в условиях, когда нельзя отойти от снимаемых объектов на достаточное расстояние.
Портретный объектив
В портретной фотографии универсальный объектив применяется редко, так как изображение, полученное им, имеет чрезмерную резкость и малый масштаб. Ввиду большой резкости портрет теряет художественность, а малый масштаб требует большого увеличения, что ведет к ухудшению качества снимка. В портретных объективах введен элемент сферической аберрации для получения мягкого изображения. Кроме того, такие объективы обладают увеличенным фокусным расстоянием. Они имеют особое значение при съемке малоформатными камерами, когда при больших увеличениях выявляется зернистость эмульсии, которая ухудшает качество изображения.
Рис. 20. На- садочная линза.
Насадочные линзы
Эти линзы используются для изменения фокусного расстояния объектива. Они представляют собой выпукло-вогнутые линзы, заключенные в металлическую оправу, которая может надеваться на объектив или ввертываться в оправу объектива во время съемки (рис. 20).
Рассеивающие линзы (отрицательные) увеличивают фокусное расстояние объектива. Нормальный объектив с отрицательной линзой может быть использован при съемке отдаленных предметов в более крупном масштабе.
Собирательные линзы (положительные) укорачивают фокусное расстояние объектива и используются во время съемки мелких предметов с близкого расстояния, при сохранении растяжения меха камеры постоянным. Применение насадочных линз ухудшает качество изображения вследствие введения в систему объектива аберраций. Уменьшить их влияние можно диафрагмированием. Особенно сильно нужно диафрагмировать объектив при съемке с положительными насадочными линзами, так как они ухудшают резкость изображения на краях снимка. Для устранения влияния хроматической аберрации при съемке с насадочными линзами необходимо применять желтый светофильтр и изопанхроматический негативный материал.
Просветление объектива
Объективы, применяемые в настоящее время в фотографии, состоят из нескольких линз, число которых может доходить до восьми. Каждая линза в какой-то степени поглощает падающий на нее свет. Однако потери света в объективе за счет поглощения невелики. Значительно большими бывают потери за счет отражения света от поверхности линзы, соприкасающейся с воздухом, они могут достигать в сложных объективах до 40 процентов.
Для борьбы с потерями света академиками Гребенщиковым И. В. и Лебедевым А. А. разработаны два способа обработки поверхности оптических стекол — физический и химический. Объективы, линзы которых обработаны одним из этих способов, называются просветленными.
Просветление объектива заключается в нанесении на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей пленки, преломляющая способность которой меньше преломляющей способности стекла. Коэффициент отражения стекла снижается, и объектив после просветления начинает пропускать света на 20-25 процентов больше, чем до просветления, что увеличивает эффективную светосилу и позволяет сократить выдержку. При съемке просветленными объективами негативы получаются более чистыми и контрастными. Опасность образования ореолов при съемке против света гораздо меньшая.
Подготовка и публикация в электронном виде: Малых А., Куроптев А.