Фотооптика

Цель лекции - рассказать об устройстве встраиваемых и сменных объективов, об основных оптических характеристиках, о достоинствах и недостатках наиболее распространенных оптических схем.

Объектив фотоаппарата или иного оптического прибора (зрительной трубы, бинокля и так далее) - это набор линз, вставленных в тубус, предназначенный для формирования резкого изображения на поверхности светочувствительного сенсора (или на сетчатке глаза, если речь идет о приборах для наблюдения).

Рис. 7.1. Объектив цифрового фотоаппарата

Для начала - элементарные сведения из области оптики. Всего существует шесть типов линз - три собирающих (двояковыпуклая, плосковыпуклая и вогнутовыпуклая) и три рассеивающих (двояковогнутая, плосковогнутая и выпукловогнутая). Расстояние перед линзой в оптике называется пространством предметов, расстояние за линзой - пространством изображений. Расстояние от оптического центра собирающей линзы до точки схождения лучей называется фокусным расстоянием линзы. А плоскость, на которой располагаются точки схождения боковых лучей, сфокусированных линзой, называется фокальной плоскостью.

В фокальной плоскости объектива фотоаппарата расположен светочувствительный сенсор. Если в камере применяется шторный (ламельный) затвор, то он устанавливается непосредственно перед фокальной плоскостью рядом с сенсором. Центральные затворы устанавливают в оправе объектива между линзами (междулинзовый центральный затвор), либо за задней линзой объектива (залинзовый центральный затвор). В цифровых фотоаппаратах чаще всего применяется междулинзовый затвор.

Рис. 7.2. Устройство объектива

Простейший объектив, устанавливаемый в самые недорогие цифровые фотоаппараты (например, в веб-камеры с опционной возможностью автономной работы в качестве фотоаппарата), зачастую состоит из одной линзы и называется "монокль" (хотя чаще применяются двулинзовые объективы ахроматы). Объективы подобного типа лишены каких-либо средств исправления искажений (аберраций) и обладают невысокой светосилой.

Светосила объектива - это отношение освещённости оптического изображения, образованного объективом в плоскости светочувствительного материала, к яркости фотографируемого объекта. Другой важный параметр - относительное отверстие объектива. Чем меньше числовое значение относительного отверстия, тем больше света пропускает объектив и тем выше его светосила.

Говоря о простейшем объективе, мы упомянули об оптических искажениях. Аберрациям в той или иной степени подвержены любые объективы, даже самые совершенные и дорогие. О каких именно искажениях речь и почему они возникают? Проблема в том, что стекло - далеко не идеальная среда для прохождения световых лучей. Стекло линзы на разных участках имеет различную оптическую плотность, эти отклонения ничтожно малы, но они неизбежны. В результате часть световых лучей отклоняется и приводит к возникновению ряда оптических искажений.

В простых объективах и в светосильных объективах с линзами большого диаметра чаще всего проявляется сферическая аберрация. В результате световые лучи, проходящие через разные участки линзы, фокусируются не в одной плоскости, и изображение становится нерезким. Наиболее эффективный способ устранения сферической аберрации - придание поверхности линзы асферической формы (то есть неравномерной выпуклости). При этом приходится доводить и полировать линзу вручную или на высокоточном оборудовании, что многократно удорожает объектив. Для упрощения этой операции была придумана остроумная технология, которая сегодня и применяется при производстве оптики для фотоаппаратуры массового назначения. На поверхность сферической линзы напыляется слой оптически прозрачной пластмассы, который и придает линзе асферическую форму.

Другой вид оптических искажений - хроматическая аберрация. На практике она наблюдается в виде цветных ореолов вокруг любых объектов. Хроматической аберрации подвержены длиннофокусные объективы, а возникает она из-за того, что стекло линзы по-разному преломляет световые волны различной длины (и, соответственно, различных цветов). Современные объективы почти полностью избавлены от этого недостатка, поскольку для изготовления линз используется низкодисперсное стекло, не разлагающее световые лучи на волны спектра. Особо низкодисперсные линзы применяются в дорогих объективах, которые обладают повышенной резкостью изображения.