Фотографический объектив - система оптических линз, заключенная в специальную оправу.

Служит для получения светового изображения объекта съемки на светочувстви­тельном материале. От свойств объектива в значительной степени зависит характер и качество фотографического изображения.

Основные характеристики объективов. Основными харак­теристиками объективов являются: главное фокусное рас­стояние, относительное отверстие, светосила, угол поля изображения, разрешающая сила, глубина резкости и гипер­фокальное расстояние.

Главное фокусное расстояние - рас­стояние от задней главной плоскости до плоскости, где фо­кусируются лучи света, падающие в объектив параллельным пучком (лучи, идущие из бесконечности). Главное фокусное расстояние в обиходе называют просто фокусное расстояние и обозначают буквой f.

Расстояние от задней главной плоскости объектива до плоскости, в которой образуется резкое изображение объекта съемки, расположенного на конечном расстоянии, называется задним фокусным расстоянием и обозначается буквой f'.

Главный фокус - точка на оптической оси за объективом, изображающая бесконечно удаленную точку. В каждом объек­тиве существует два главных фокуса: передний F и задний

F' (см. рис. I. 10).

Главные плоскости - две ус­ловные плоскости: H и H', от которых производится отсчет фокусных расстояний.

Величина главного фокус­ного расстояния указана на оправе объектива.

Относительное от­верстие объектива - отноше­ние диаметра светового отвер­стия объектива к величине глав­ного фокусного расстояния. Оно также указывается на оправе объектива.

Относительное отверстие вы­ражается в виде дроби с числителем 1 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 не принято говорить: «Установим относитель­ное отверстие 1:8», а говорят: «Установим диафрагму 8».

Рассматривая последовательные обозначения относитель­ных отверстий, легко заметить, что смежные числа разли­чаются в 1,41 раза. Поскольку количество света,

Рис. I. 1. Принципиальная схема фотоаппарата: 1 - корпус; 2 - затвор;

3 - объектив; 4 - шкала расстояний; 5 - видоискатель;

б - светонепроницаемая камера; 7 - катушка с фотопленкой

пропускаемого объективом, пропорционально площади све­тового отверстия, то, переходя от одной диафрагмы к сосед­ней, мы увеличиваем или уменьшаем диаметр светового отверстия объектива в 1,41 раза. Это означает, что площадь светового отверстия изменится в 1,41² = 2 раза. Следова­тельно, объектив станет пропускать света соответственно вдвое больше или меньше.

Объективы с большими относительными отверстиями имеют преимущества перед остальными при условиях по­ниженной освещенности, когда для съемки необходима короткая выдержка, а обычный объектив не обеспечивает нужной экспозиции. Однако следует иметь в виду, что уве­личение относительного отверстия достигается за счет потерь в качестве изображения.

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

Светосила объектива - способность создавать ту или иную степень освещенности изображения при данной яр­кости объекта.

Геометрическое относительное отверстие объектива всегда несколько больше его эффективного относительного отверстия или светосилы объектива, 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 геометрической.

Однако в просветленных объективах, а они теперь только и выпускаются, эта разница не очень велика. Кроме того, следует иметь в виду, что на шкалах диафрагм указываются величины геометрических относительных отверстий.

Освещенность определяется отношением величины све­тового потока к площади освещаемой поверхности.

Светосила J определяется отношением освещенности Е изображения к яркости β снимаемого объекта:

Е = I*β,   откуда J = E/β

Когда свет падает на какую-либо поверхность, т. е. ос­вещает ее, принято говорить об освещенности, создаваемой источником света. Если же этот свет отражается от объекта и воспринимается глазом или фотопленкой, то принято говорить о яркости объекта.

Применительно к фотоаппарату говорят, что объектив создает световое изображение на фотопленке с определенной освещенностью. Рассматривая это изображение, мы судим о его яркости. Чем большую освещенность создает объектив, тем ярче будет изображение.

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. I. 2), образован­ный лучами, исходящими из зад­ней главной точки и проходящими через концы диагонали кадра, на­зывается углом поля изображения, Угол γ (гамма), образованный продолже­нием этих лучей в предметном пространстве, называется углом поля зрения объектива*.

При подборе сменных объек­тивов необходимо учитывать, что каждый объектив рассчитывается: на определенный формат кадра. Например, объектив «Гелиос-40» имеет фокусное расстоя-| ние 85 мм и угол поля изображения 28°, а объектив «Мир-3» - фокусное расстояние 65 мм и угол поля зре­ния 65°. Несмотря на то, что фокусное расстояние у объек­тива «Гелиос-40» больше, использовать его для съемок на формат 6x6 см нельзя: он обеспечивает качество изо-; бражения только в пределах расчетного поля изображения,т. е, на формате 24x36 мм (табл. 1.1).

Разрешающая сила объектива - способность изображать мельчайшие детали объекта съемки. Разрешающая сила численно выражается количеством штрихов на 1 мм изображения специальных испытательных таблиц - штрихо­вых или радиальных мир (рис. 1.3).

Согласно дифракционной теории образования изображе­ния, разрешающая сила объектива определяется его относительным отверстием и составляет: N=1800/k где N - число штрихов, разделенных промежутками такой же ширины, приходящимися на 1 мм длины изображения; к - знаменатель относительного отверстия; 1800-постоянный коэффициент.

Рис. I. 2. Поле изображения, угол поля изображения и угол зрения объектива: О - объект­ив; f - фокусное расстояние; D - диагональ кадра; 2β (бетта) - угол поля изображения; γ  (гамма) - угол зрения объектива

* У широкоугольных объективов может быть угол γ > 2β.

Таблица 1.1

Зависимость угла поля изображения 2β(град.) от формата кадра и фокусного расстояния объектива (данные приближенные)

Но конкретные объективы обладают рядом аберраций, которые снижают разрешающую силу. К тому же изобра­жение вследствие мутности эмульсии фотоматериала теряет свою контрастность; сам эмульсионный слой вследствие зернистости структуры также снижает различаемость мелких штрихов. Поэтому на практике важно знать реальную ве­личину фотографической разрешающей силы.

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

Разрешающая способность системы объектив - светочув­ствительный слой, т. е. максимальное число реально передаваемых фотографическим материалом параллельных штрихов на 1 мм, может быть выражено формулой:

1/R_сист = 1/R_об - 1/R_фс   где 1/R_сист - разрешающая способность системы объектив - светочувствительный слой;

  R_об - разрешающая сила объек­тива; R_фс - разрешающая способность фотослоя.

Разрешающая способ­ность системы объектив - светочувствительный слой зависит от многих причин. На рис. 1.4 показан график зависимости результатов определения разрешающей силы от точности наводки объектива на резкость. Не меньшее влияние ока­зывает контрастность све­тового изображения, качество фотоматериала, условия его химической обработки и многие другие факторы.

Смещение объектива, мм

Рис. I. 4. График зависимости результа­тов определения разрешающей силы от точности наводки объектива на резкость

Глубина резкости и гиперфокально е расстояние также являются элементами 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 пределы нерезкости фотографического изображения.

Для негативов форматом 24x36 мм допускается изображение отдельных точек в виде кружков диаметром 0,03 - 0,05 мм, которые принято называть допустимыми круж­ками рассеяния (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Допустимые кружки рассеяния для различных расстояний рассматривания

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 него. Таким образом, 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 расчетного положения, соответствующего наилучшей резкости изображения, при котором изображение остается практически резким, называется глубиной резкости объектива.

В фотографической оптике различают глубины резкости объектива в пространстве предметов и в пространстве изо­бражений, которые являются сопряженными (см. рис. 1.11). Для того чтобы эти понятия разделить, принято говорить о глубине резко изображаемого пространства и глубине резкости объектива.

Глубина резко изображаемого пространства может на­ходиться в пределах от нескольких сантиметров до беско­нечно больших расстояний, а глубина резкости объектива не превышает десятых долей миллиметра (рис. 1.5).

Почти все фотообъективы име­ют на оправе специальную шкалу глубины резкости, с помощью кото­рой определяют границы глубины резко изображаемого простран­ства (рис. 1.6). Это симметрично расположенные относительно установочного индекса ▼ деления, со­ответствующие шкале относитель­ных отверстий. Шкала глубины резкости расположена рядом со шкалой расстояний и может сдви­гаться относительно ее, образуя простейшее счетное устройство - калькулятор.

Если против индекса ▼ уста­новить символ оо (бесконечность), т. е. навести объектив на резкость по предмету, расположенному на расстоянии, например, более 50м, то практически окажется, что передняя граница резко изображаемого пространства будет зна­чительно ближе и что расстоя­ние до нее будет тем меньше, чем меньше относительное от­верстие.

На рис. 1.6, а можно видеть, что при относительном от­верстии, соответствующем числу диафрагмы 2,8, передняя граница резко изображаемого пространства будет на рас­стоянии около 11 м от фотоаппарата, при диафрагме 16 - на расстоянии 1,7 м и т. д. В приведенных примерах задняя граница резко изображаемого пространства находится в «бесконечности» и конкретно не определяется.

Расстояние до передней границы резко изображаемого пространства при установке объектива на ( оо ) называют гиперфокальным расстоянием.

Если объектив наведен на резкость, например, на рас­стояние 3 м (рис. 1.6, б), то по шкале глубины резкости можно

Рис. 1. 5. При уменьшении светового отверстия диафрагмы глубина резкости обектива воз­растает: D и D_t- диаметры светового отверстия; 0,05 - диаметр допустимого кружка рассеяния; б и 6_Х- глубина резкости - допустимое наруше­ние точности наводки объекти­ва на резкость; Р - фокальная плоскость

определить расстояния до передней и задней границ резко изображаемого пространства для того или иного значения диафрагмы. Так, для диафрагмы 2,8 передняя граница будет на расстоянии около 2,5 м, а задняя - на расстоянии 4,5 м; для диафрагмы 5,6 передняя граница будет на расстоянии 1,8 м, а задняя - на расстоянии 15 м и т. д.

Чтобы получить наибольшую глубину резко изображаемого пространства при: съемке с заданным значением относительного отверстия, наводить объектив на резкость следует путем совмещения символа оо со штрихом на шкале глубины резкости, соответствующим заданному значению диафрагмы (рис. 1.6, в).

-

Рис. I. 6. 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

При увеличении фокусного расстояния объектива (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 (рис. 1.7).

При увеличении расстояния до точки, по которой произ­водят наводку объектива на резкость (при прочих равных условиях), глубина резко изображаемого пространства уве­личивается (рис. 1.8).

С уменьшением относительного отверстия (диафрагмы) объектива гиперфокальное расстояние уменьшается (рис. 1.9)*

Рис. I. 7. Зависимость глубины резко изображаемого пространства от фокусного расстояния объектива

Рис. I. 8. Зависимость глубины резко изображаемого пространства от расстояния до точки наводки объектива

Рис. I. 9. Зависимость гиперфокального расстояния от относительного отверстия объектива

Границы глубины резко изображаемого пространства опре­деляют из следующих отношений основных величин (в см):

a₁=af²/(f₂+kad) - (расстояние до передней границы).

a₂=af²/(f₂-kad) - (расстояние до задней границы),

где f - главное фокусное расстояние (f<<а); к - показатель диафрагмы; d - диаметр допустимого кружка рассеяния; а - расстояние до объекта съемки.

Гиперфокальное расстояние определяют по формуле:

S=f2/kd 

Основные плоскости и точки оптической системы объектива - приведены на рис. I. 10.

При подборе объектива к конкретной модели фотоаппа­рата учитывают величину фокусного расстояния f, вершинного отрезка U' и рабочего отрезка S.

Вершинный отрезок - расстояние от вершины последней линзы объектива по ходу светового луча до точки заднего главного фокуса F'.

Рис. 1.10. Основные плоскости и точки оптической систе­мы объектива: Р - передняя фокальная плоскость; F - точка переднего фокуса; f - переднее фокусное рассто­яние; H - передняя главная плоскость; О - передняя главная точка; О' - задняя главная точка; H' - задняя главная плоскость; f' - заднее фокусное расстояние; U' - вершинный отрезок; S-рабочий отрезок; F' - точка заднего фокуса; Р' - задняя фокальная плоскость; Д - диафрагма

Рабочий отрезок - расстояние S от поверхности опорного торца оправы объектива на фотоаппарате до фокаль­ной плоскости (табл. 1.3).

Таблица 1.3 Величина рабочих отрезков некоторых фотоаппаратов

Переднее и заднее фокусные расстояния оптической системы равны между собой.

В ГОСТе по оптике распространение световых лучей принято изображать слева направо, поэтому заднее фокусное

Рис. I. 11. Связь между расстоянием от объектива О до объекта К и расстоянием от объектива О до изображения объекта К'

расстояние, заднюю фокальную плоскость, задний фокус часто называют просто фокусным расстоянием, фокальной плоскостью, фокусом оптической системы и т. д.

Пространство слева от объектива (перед объективом) называют пространством предметов, или предметным про­странством, а пространство справа от объектива (за объек­тивом) - пространством изображений.

На рис. 1.11 показаны пять различных случаев расположения объекта и соответствующих им положений изобра­жения.

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 начинает все больше перемещаться в сто­рону точки F₁.

Когда объект будет в точке F₂ (3), т. е. на удалении, равном двойному фокусному расстоянию, его изображение окажется в точке F'₂. Причем если до этого момента размеры объекта были больше размеров его изображения, то в данном случае 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 (см. «Макрофотосъемка») .

Оправа объектива. Объективы бывают постоянновстроенными в корпус камеры или сменными. Они имеют различ­ные оправы, рассчитанные на определенный тип фотоаппа­рата.

Это обусловлено тем, что объектив, как правило, связан оптически и кинематически с устройством наводки на рез­кость, механизмом установки экспозиции и с другими эле­ментами конструкции, которые у разных типов фотоаппара­тов имеют существенные различия.

Таким образом, возможность установки объектива на тот или иной фотоаппарат зависит от конструкции его оправы.

Оправа обычно представляет собой трубчатую конструк­цию, внутри которой расположены линзы и диафрагма, а с внешней стороны находится кольцо управления диафрагмой, кольцо для наводки объектива на резкость и др.

В некоторых типах фотоаппаратов объектив размещен в корпусе центрального затвора. Такие объективы, как пра­вило, не бывают сменными, так как их нельзя снять отдельно от затвора.

Объектив может крепиться к фотоаппарату с помощью резьбового или байонетного соединения. Резьбовое соединение предусматривает ввинчивание оправы объектива в посадоч­ное гнездо на фотоаппарате при установке и вывинчивание при отсоединении объектива. Это неудобно при необходи­мости быстрой смены объективов во время съемки. Более сложное байонетное соединение позволяет произвести смену объективов за 3-5 с, что значительно сокращает время подготовки фотоаппарата к съемке.

На рис. 1.12 показан внешний вид оправы объектива «Индустар-61». Вращением кольца 1 обеспечивается продольное перемещение оптического блока, производится на­водка объектива на резкость с контролем дистанции наводки по шкале 2.

Вращением кольца 5 устанавливают диафрагму (необходи­мую величину светового отверстия объектива).

Параллельно шкале расстояний располагается симмет­ричная шкала, обе части которой повторяют шкалу диафрагм. Эти шкалы образуют калькулятор, кото­рый принято называть шкалой глубины резкости.

Диафрагма - устройство, с помощью которого ограничивается пучок лучей, проходящих через объектив, для увели­чения глубины резко изображаемого про­странства или уменьшения освещенности фотоматериала в момент экспонирования.

Величину отверстия диафрагмы мож­но устанавливать вручную или автома­тически с помощью специальных уст­ройств.

Ручное управление диа­фрагмой осуществляется кольцом на оправе объектива.

Одноколъцевым устройством снабжено большинство объективов. Оно может быть двух вариантов. В одном варианте - это обычное кольцо, имеющее легкую фиксацию положения, соответствующего тому или иному значению относительного отверстия. В другом варианте - с помощью кольца сначала устанавливают стопор на то или иное зна­чение относительного отверстия. Для этого кольцо утапли­вают и поворачивают до совмещения установочной метки с выбранным числом. Затем кольцо освобождают и поворачи­вают в положение полного открытия диафрагмы. Перед моментом нажатия на спусковую кнопку при съемке кольцо на ощупь поворачивают до упора в фиксатор.

Рис. I. 12. Оправа объектива: 1 - коль­цо наводки объекти­ва на резкость; 2 - шкала расстояний; 3 - шкала глубины резкости; 4 - шкала диафрагм; 5 - коль­цо установки диаф­рагмы

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

Двухкольцевое устройство диафрагмы отличается от рас­смотренной тем, что в ней 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 применяются так называ­емые «прыгающие» диафрагмы, конструкция которых по­зволяет пользоваться полным отверстием объектива во время наводки и автоматически закрывать диафрагму до заранее установленной величины в момент съемки.

Такими диафрагмами, в частности, снабжены фотоап­параты «Салют», «Фотоснайпер», «Зенит-ЕМ», «Зенит-16» и некоторые другие.

Автоматическое управление диа­фрагмой. Некоторые типы фотоаппаратов снабжены фо­тоэлектрическими экспонометрическими устройствами. Они автоматически устанавливают оптимальную величину диа­фрагмы в зависимости от светочувствительности применя­емой фотопленки и уровня яркости объекта съемки. Та­кими устройствами снабжены фотоаппараты «Киев-10», «Киев-15», «Сокол», «Сокол-М» и др.