Объективы фотокамер: принцип работы и конструкция

Введение

Оптическая линза или набор линз, используемых с камерой для создания изображений – это оптическая система.

Камерная линза (также известная как фотографическая линза или объектив) – это оптическая линза или набор линз, используемый совместно с корпусом камеры и механизмом для получения изображений объектов на фотопленке или других носителях, способных хранить изображение химическим или электронным способом. Принципиальных различий между линзой, используемой для фотокамеры, видеокамеры, телескопа, микроскопа или другого аппарата, нет, однако детали конструкции и исполнения различаются. Линза может быть закреплена на камере постоянно или быть взаимозаменяемой с линзами с различными фокусными расстояниями, диафрагмами и другими характеристиками. Хотя в принципе достаточно простой выпуклой линзы, на практике требуется сложный объектив, состоящий из нескольких оптических элементов, для коррекции (в максимально возможной степени) многочисленных оптических аберраций. Определенные аберрации неизбежно присутствуют в любой оптической системе. Задача конструктора объектива – сбалансировать эти аберрации и разработать конструкцию, подходящую для фотографических целей и, возможно, для массового производства.

Теория действия

Типичные прямолинейные объективы можно рассматривать как "улучшенные" "линзы" с малым отверстием. Как показано, "линза" с малым отверстием – это просто небольшая апертура, которая блокирует большинство лучей света, в идеале отбирая один луч от объекта для каждой точки на матрице изображения. Линзы с малым отверстием имеют несколько серьезных ограничений: камера с большим отверстием получается размытой, поскольку каждый пиксель по сути является тенью диафрагмы, поэтому его размер не меньше размера отверстия (третье изображение). Здесь пиксель – это площадь детектора, освещенная светом от точки на объекте. Уменьшение отверстия улучшает разрешение (до определенного предела), но уменьшает количество захватываемого света. В определенный момент дальнейшее уменьшение отверстия не улучшает разрешение из-за дифракционного предела. За пределами этого предела уменьшение отверстия делает изображение не только темнее, но и более размытым. Практические объективы можно рассматривать как ответ на вопрос: "как модифицировать линзу с малым отверстием, чтобы пропускать больше света и обеспечивать меньший размер пятна?". Первый шаг – поместить простую выпуклую линзу в отверстие с фокусным расстоянием, равным расстоянию до плоскости пленки (при условии, что камера будет снимать удаленные объекты). Это позволяет значительно увеличить отверстие (четвертое изображение), поскольку тонкая выпуклая линза преломляет световые лучи пропорционально их расстоянию до оптической оси, при этом лучи, проходящие через центр линзы, проходят прямо. Геометрия почти такая же, как у простой линзы с малым отверстием, но вместо освещения отдельными лучами света каждая точка изображения освещается сфокусированным "пучком" световых лучей. Со стороны камеры можно увидеть небольшое отверстие (апертуру). Виртуальное изображение апертуры, видимое извне, называется входным зрачком объектива; в идеале, все лучи света, исходящие из точки на объекте и попадающие во входной зрачок, будут сфокусированы в одну и ту же точку на матрице изображения/пленке (при условии, что точка объекта находится в поле зрения). Если бы кто-то находился внутри камеры, он увидел бы, что объектив действует как проектор. Виртуальное изображение апертуры, видимое изнутри камеры, – это выходной зрачок объектива. В этом простом случае апертура, входной зрачок и выходной зрачок находятся в одной и той же плоскости, поскольку единственный оптический элемент расположен в плоскости апертуры, но в общем случае эти три точки будут находиться в разных местах. Практические фотообъективы включают в себя больше линзовых элементов. Дополнительные элементы позволяют конструкторам объективов уменьшить различные аберрации, но принцип работы остается прежним: пучки лучей собираются у входного зрачка и фокусируются из выходного зрачка на плоскость изображения.

Typical rectilinear lenses can be thought of as "improved" pinhole "lenses". As shown, a pinhole "lens" is simply a small aperture that blocks most rays of light, ideally selecting one ray to the object for each point on the image sensor. Pinhole lenses have a few severe limitations:

A pinhole camera with a large aperture is blurry because each pixel is essentially the shadow of the aperture stop, so its size is no smaller than the size of the aperture (third image). Here a pixel is the area of the detector exposed to light from a point on the object. Making the pinhole smaller improves resolution (up to a limit), but reduces the amount of light captured. At a certain point, shrinking the hole does not improve the resolution because of the diffraction limit. Beyond this limit, making the hole smaller makes the image blurrier as well as darker. Practical lenses can be thought of as an answer to the question: "how can a pinhole lens be modified to admit more light and give a smaller spot size?". A first step is to put a simple convex lens at the pinhole with a focal length equal to the distance to the film plane (assuming the camera will take pictures of distant objects). This allows the pinhole to be opened up significantly (fourth image) because a thin convex lens bends light rays in proportion to their distance to the axis of the lens, with rays striking the center of the lens passing straight through. The geometry is almost the same as with a simple pinhole lens, but rather than being illuminated by single rays of light, each image point is illuminated by a focused "pencil" of light rays. From the front of the camera, the small hole (the aperture), would be seen. The virtual image of the aperture as seen from the world is known as the lens's entrance pupil; ideally, all rays of light leaving a point on the object that enter the entrance pupil will be focused to the same point on the image sensor/film (provided the object point is in the field of view). If one were inside the camera, one would see the lens acting as a projector. The virtual image of the aperture from inside the camera is the lens's exit pupil. In this simple case, the aperture, entrance pupil, and exit pupil are all in the same place because the only optical element is in the plane of the aperture, but in general these three will be in different places. Practical photographic lenses include more lens elements. The additional elements allow lens designers to reduce various aberrations, but the principle of operation remains the same: pencils of rays are collected at the entrance pupil and focused down from the exit pupil onto the image plane.

Строительство

Объектив камеры может состоять из нескольких элементов: от одного, как в объективе типа «менструск» Box Brownie, до более чем 20 в более сложных зум-объективах. Эти элементы сами могут представлять собой группу линз, склеенных вместе. Передний элемент критически важен для работы всей сборки. Во всех современных объективах поверхность покрыта для уменьшения истирания, бликов и отражательной способности поверхности, а также для регулировки цветового баланса. Для минимизации аберраций кривизна обычно устанавливается таким образом, чтобы угол падения и угол преломления были равны. В объективе с фиксированным фокусным расстоянием это легко, но в зум-объективе всегда приходится идти на компромисс. Обычно фокусировка объектива осуществляется путем регулировки расстояния от объектива до плоскости изображения или путем перемещения элементов объектива. Для повышения производительности некоторые объективы имеют кулачковую систему, которая регулирует расстояние между группами при фокусировке. Производители называют это по-разному: Nikon называет это CRC (коррекция для съемки с близкого расстояния); Canon называет это плавающей системой; а Hasselblad и Mamiya называют это FLE (плавающий элемент объектива). Стекло – наиболее распространенный материал, используемый для изготовления элементов объектива, благодаря своим хорошим оптическим свойствам и устойчивости к царапинам. Также используются другие материалы, такие как кварцевое стекло, флюорит, пластмассы, такие как акрил (плексиглас), и даже германий и метеоритное стекло. Пластмассы позволяют изготавливать сильно асферические элементы линз, которые трудно или невозможно изготовить из стекла, и которые упрощают или улучшают производство и характеристики объектива. Пластмассы редко используются для самых внешних элементов, за исключением самых дешевых объективов, поскольку они легко царапаются. Линзы из формованной пластмассы используются в самых дешевых одноразовых камерах на протяжении многих лет и приобрели плохую репутацию: производители качественной оптики, как правило, используют эвфемизмы, такие как «оптическая смола». Однако многие современные высокопроизводительные (и дорогие) объективы от известных производителей включают в себя формованные или гибридные асферические элементы, поэтому утверждение, что все объективы с пластиковыми элементами имеют низкое фотографическое качество, неверно. Тестовая таблица разрешения 1951 года ВВС США – один из способов измерения разрешающей способности объектива. Качество материала, покрытия и сборки влияют на разрешение. Разрешение объектива в конечном итоге ограничено дифракцией, и очень немногие фотообъективы приближаются к этому разрешению. Объективы, которые достигают этого разрешения, называются «ограниченными дифракцией» и обычно очень дороги. Сегодня большинство объективов имеют многослойное покрытие для минимизации бликов и других нежелательных эффектов. Некоторые объективы имеют УФ-покрытие для защиты от ультрафиолетового света, который может исказить цвет. Большинство современных оптических цементов для склеивания стеклянных элементов также блокируют УФ-свет, что делает ненужным использование УФ-фильтра. Однако это создает благоприятную среду для развития грибка на линзах, если за ними не ухаживать должным образом. Фотографам, работающим с ультрафиолетовым светом, приходится прилагать большие усилия для поиска объективов без цемента или покрытия. Объектив чаще всего имеет механизм регулировки диафрагмы, обычно ирисовую диафрагму, для регулировки количества проходящего света. В ранних моделях камер использовались вращающиеся пластины или ползунки с отверстиями разного размера. Эти световые диафрагмы Уотерхауса все еще можно найти на современных специализированных объективах. Затвор, регулирующий время, в течение которого свет может проходить, может быть встроен в сборку объектива (для получения изображений более высокого качества), в камеру или даже, редко, перед объективом. Некоторые камеры с затвором в объективе не имеют диафрагмы, и затвор выполняет двойную функцию.

A camera lens may be made from a number of elements: from one, as in the Box Brownie's meniscus lens, to over 20 in the more complex zooms. These elements may themselves comprise a group of lenses cemented together. The front element is critical to the performance of the whole assembly. In all modern lenses the surface is coated to reduce abrasion, flare, and surface reflectance, and to adjust color balance. To minimize aberration, the curvature is usually set so that the angle of incidence and the angle of refraction are equal. In a prime lens this is easy, but in a zoom there is always a compromise. The lens usually is focused by adjusting the distance from the lens assembly to the image plane, or by moving elements of the lens assembly. To improve performance, some lenses have a cam system that adjusts the distance between the groups as the lens is focused. Manufacturers call this different things: Nikon calls it CRC (close range correction); Canon calls it a floating system; and Hasselblad and Mamiya call it FLE (floating lens element). Glass is the most common material used to construct lens elements, due to its good optical properties and resistance to scratching. Other materials are also used, such as quartz glass, fluorite, plastics like acrylic (Plexiglass), and even germanium and meteoritic glass. Plastics allow the manufacturing of strongly aspherical lens elements which are difficult or impossible to manufacture in glass, and which simplify or improve lens manufacturing and performance. Plastics are not used for the outermost elements of all but the cheapest lenses as they scratch easily. Molded plastic lenses have been used for the cheapest disposable cameras for many years, and have acquired a bad reputation: manufacturers of quality optics tend to use euphemisms such as "optical resin". However many modern, high performance (and high priced) lenses from popular manufacturers include molded or hybrid aspherical elements, so it is not true that all lenses with plastic elements are of low photographic quality. The 1951 USAF resolution test chart is one way to measure the resolving power of a lens. The quality of the material, coatings, and build affect the resolution. Lens resolution is ultimately limited by diffraction, and very few photographic lenses approach this resolution. Ones that do are called "diffraction limited" and are usually extremely expensive. Today, most lenses are multi coated in order to minimize lens flare and other unwanted effects. Some lenses have a UV coating to keep out the ultraviolet light that could taint color. Most modern optical cements for bonding glass elements also block UV light, negating the need for a UV filter. However, this leaves an avenue for lens fungus to attack if lenses are not cared for appropriately. UV photographers must go to great lengths to find lenses with no cement or coatings. A lens will most often have an aperture adjustment mechanism, usually an iris diaphragm, to regulate the amount of light that passes. In early camera models a rotating plate or slider with different sized holes was used. These Waterhouse stops may still be found on modern, specialized lenses. A shutter, to regulate the time during which light may pass, may be incorporated within the lens assembly (for better quality imagery), within the camera, or even, rarely, in front of the lens. Some cameras with leaf shutters in the lens omit the aperture, and the shutter does double duty.

Апертура и фокусное расстояние

Два основных параметра оптической линзы – фокусное расстояние и максимальная диафрагма. Фокусное расстояние объектива определяет увеличение изображения, проецируемого на плоскость изображения, а диафрагма – интенсивность света этого изображения. Для заданной фотосистемы фокусное расстояние определяет угол обзора: короткие фокусные расстояния обеспечивают более широкое поле зрения, чем объективы с большим фокусным расстоянием. Более открытая диафрагма, обозначаемая меньшим числом f, позволяет использовать более короткую выдержку при той же экспозиции. Уравнение камеры, или G#, представляет собой отношение освещенности, достигающей сенсора камеры, к освещенности в фокальной плоскости объектива камеры. Максимальная используемая диафрагма объектива задается как относительное отверстие или число f, определяемое как фокусное расстояние объектива, деленное на эффективный диаметр отверстия (или входной зрачок) – безразмерная величина. Чем меньше число f, тем выше интенсивность света в фокальной плоскости. Большие отверстия (меньшие числа f) обеспечивают значительно меньшую глубину резкости, чем малые отверстия, при прочих равных условиях. Практические объективы могут также содержать механизмы для измерения света, вспомогательные диафрагмы для уменьшения бликов и механизмы для удержания диафрагмы открытой до момента экспозиции, чтобы обеспечить фокусировку зеркальных камер с более ярким изображением и меньшей глубиной резкости, что теоретически повышает точность фокусировки. Фокусные расстояния обычно указываются в миллиметрах (мм), но на старых объективах они могут быть указаны в сантиметрах (см) или дюймах. Для заданной пленки или сенсора, размер которого определяется длиной диагонали, объектив можно классифицировать как: Нормальный объектив: угол обзора диагонали около 50° и фокусное расстояние примерно равное диагонали изображения. Широкоугольный объектив: угол обзора шире 60° и фокусное расстояние короче нормального. Длиннофокусный объектив: любой объектив с фокусным расстоянием, превышающим диагональ пленки или сенсора. Угол обзора уже. Наиболее распространенным типом длиннофокусного объектива является телеобъектив – конструкция, использующая специальные оптические схемы для уменьшения физических размеров объектива по сравнению с его фокусным расстоянием. Побочным эффектом использования объективов с разными фокусными расстояниями является изменение расстояния, с которого можно снять объект, что приводит к изменению перспективы. Можно сделать фотографии человека, протягивающего руку, с помощью широкоугольного, нормального и телеобъектива, получив одинаковый размер изображения, изменяя расстояние до объекта. Однако перспектива будет разной. При использовании широкоугольного объектива руки будут непропорционально большими по отношению к голове. С увеличением фокусного расстояния акцент на протянутой руке уменьшается. Однако, если фотографии сделаны с одного и того же расстояния и затем увеличены и обрезаны, чтобы показать один и тот же фрагмент, перспектива на фотографиях будет идентичной. Для портретной съемки часто рекомендуется использовать умеренно длиннофокусный (телефото) объектив, поскольку перспектива, соответствующая большему расстоянию съемки, считается более выигрышной. Считается, что объектив с самой большой открытой диафрагмой в истории фотографии – Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7, разработанный и изготовленный специально для лунной программы NASA Apollo для съемки обратной стороны Луны в 1966 году. Три таких объектива были приобретены режиссером Стэнли Кубриком для съемок сцен в его фильме "Барри Линдон" 1975 года, используя только свечи в качестве источника света.

The two fundamental parameters of an optical lens are the focal length and the maximum aperture. The lens' focal length determines the magnification of the image projected onto the image plane, and the aperture the light intensity of that image. For a given photographic system the focal length determines the angle of view, short focal lengths giving a wider field of view than longer focal length lenses. A wider aperture, identified by a smaller f number, allows using a faster shutter speed for the same exposure. The camera equation, or G#, is the ratio of the radiance reaching the camera sensor to the irradiance on the focal plane of the camera lens. The maximum usable aperture of a lens is specified as the focal ratio or f number, defined as the lens's focal length divided by the effective aperture (or entrance pupil), a dimensionless number. The lower the f number, the higher light intensity at the focal plane. Larger apertures (smaller f numbers) provide a much shallower depth of field than smaller apertures, other conditions being equal. Practical lens assemblies may also contain mechanisms to deal with measuring light, secondary apertures for flare reduction, and mechanisms to hold the aperture open until the instant of exposure to allow SLR cameras to focus with a brighter image with shallower depth of field, theoretically allowing better focus accuracy. Focal lengths are usually specified in millimetres (mm), but older lenses might be marked in centimetres (cm) or inches. For a given film or sensor size, specified by the length of the diagonal, a lens may be classified as a:

Normal lens: angle of view of the diagonal about 50° and a focal length approximately equal to the image diagonal. Wide angle lens: angle of view wider than 60° and focal length shorter than normal. Long focus lens: any lens with a focal length longer than the diagonal measure of the film or sensor. Angle of view is narrower. The most common type of long focus lens is the telephoto lens, a design that uses special optical configurations to make the lens shorter than its focal length. A side effect of using lenses of different focal lengths is the different distances from which a subject can be framed, resulting in a different perspective. Photographs can be taken of a person stretching out a hand with a wideangle, a normal lens, and a telephoto, which contain exactly the same image size by changing the distance from the subject. But the perspective will be different. With the wideangle, the hands will be exaggeratedly large relative to the head. As the focal length increases, the emphasis on the outstretched hand decreases. However, if pictures are taken from the same distance, and enlarged and cropped to contain the same view, the pictures will have identical perspective. A moderate long focus (telephoto) lens is often recommended for portraiture because the perspective corresponding to the longer shooting distance is considered to look more flattering. The widest aperture lens in history of photography is believed to be the Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7, which was designed and made specifically for the NASA Apollo lunar program to capture the far side of the Moon in 1966. Three of these lenses were purchased by filmmaker Stanley Kubrick in order to film scenes in his 1975 film Barry Lyndon, using candlelight as the sole light source.

Количество элементов

Сложность объектива – количество элементов и степень их асферичности – зависит от угла обзора, максимальной апертуры и предполагаемой ценовой категории, среди прочих факторов. Сверхширокоугольный объектив с большой апертурой должен иметь очень сложную конструкцию для коррекции оптических аберраций, которые сильнее проявляются по краям изображения и при использовании края большой линзы для формирования изображения. Длиннофокусный объектив с малой апертурой может быть очень простой конструкции для достижения сопоставимого качества изображения: часто достаточно дублета (двух элементов). Некоторые старые камеры оснащались конвертируемыми объективами (нем. Satzobjektiv) с нормальным фокусным расстоянием. Передний элемент можно было открутить, оставив объектив с удвоенным фокусным расстоянием, вдвое меньшим углом обзора и вдвое меньшей апертурой. Упрощенная половина объектива обеспечивала достаточное качество для узкого угла обзора и небольшой относительной апертуры. Для этого требовалось удлинить баллон камеры вдвое. Качественные объективы с максимальной апертурой не более f/2.8 и фиксированным нормальным фокусным расстоянием требуют как минимум три (триплет) или четыре элемента (торговое название "Tessar" происходит от греческого слова tessera, означающего "четыре"). Самые широкоугольные зум-объективы часто содержат пятнадцать и более элементов. Отражение света на многочисленных границах между различными оптическими средами (воздух, стекло, пластик) значительно снижало контрастность и насыщенность цвета ранних объективов, особенно зум-объективов, особенно при прямом освещении объектива источником света. Введение много лет назад оптических покрытий и последующие усовершенствования технологии покрытий привели к существенным улучшениям, и современные высококачественные зум-объективы дают изображения с вполне приемлемой контрастностью, хотя зум-объективы с большим количеством элементов пропускают меньше света, чем объективы, изготовленные из меньшего количества элементов (при прочих равных условиях, таких как апертура, фокусное расстояние и покрытия).

Подшипники линз

Многие однообъективные зеркальные камеры и некоторые дальномерные камеры имеют сменные объективы. Некоторые другие типы также поддерживают смену объективов, в частности камеры Mamiya TLR и среднеформатные камеры SLR (RZ67, RB67, 645 1000s). Другие компании, производящие среднеформатное оборудование, такие как Bronica, Hasselblad и Fuji, предлагают аналогичные модели камер, позволяющие использовать взаимозаменяемые объективы, а также беззеркальные камеры со сменной оптикой. Объективы крепятся к камере с помощью байонета, который содержит механические соединения и часто также электрические контакты между объективом и корпусом камеры. Конструкция байонета – важный фактор совместимости камер и объективов. Не существует универсального стандарта для байонетов, и каждый крупный производитель камер обычно использует собственную запатентованную конструкцию, несовместимую с продукцией других производителей. Некоторые старые байонеты для ручной фокусировки, такие как байонет Leica M39 для дальномеров, байонет M42 для ранних зеркальных камер и байонет Pentax K, встречаются у нескольких брендов, но это не распространено в настоящее время. Некоторые конструкции байонетов, такие как байонет Olympus/Kodak Four Thirds System для зеркальных камер, также были лицензированы другим производителям. Большинство крупноформатных камер также принимают сменные объективы, которые обычно крепятся к линзовой плате или переднему стандарту. Наиболее распространенные сменные байонеты на рынке сегодня включают байонеты Canon EF, EF-S и EF-M с автофокусом. Другие включают в себя байонеты Nikon F с ручной и автоматической фокусировкой, цифровые байонеты Olympus/Kodak Four Thirds и Olympus/Panasonic Micro Four Thirds, варианты байонета Pentax K с ручной и автоматической фокусировкой, байонет Sony Alpha (разработанный на основе байонета Minolta) и цифровой байонет Sony E.

"Крупный план" или макро

Макрообъектив, используемый в макро- или "крупноплановой" фотографии (не следует путать с композиционным термином "крупный план") – это любой объектив, который формирует изображение на фокальной плоскости (то есть на плёнке или цифровом сенсоре) размером от одной четверти натуральной величины (1:4) до натуральной величины (1:1) объекта съёмки. Официального стандарта для определения макрообъектива не существует, как правило, это объектив с фиксированным фокусным расстоянием, но соотношение 1:1 обычно считается "настоящим" макро. Увеличение больше натуральной величины называется "микрофотографией" (2:1, 3:1 и т.д.). Эта конфигурация обычно используется для съёмки очень маленьких объектов с близкого расстояния. Макрообъектив может иметь любую фокусную длину, а фактическая фокусная длина определяется его практическим применением, с учётом необходимого увеличения, требуемого соотношения, доступа к объекту и условий освещения. Это может быть специализированный объектив, оптически скорректированный для работы с близких расстояний, или любой объектив, модифицированный (с помощью адаптеров или удлинительных колец, также известных как "проставочные кольца") для перемещения фокальной плоскости "вперед" для очень близкой съёмки. В зависимости от расстояния от камеры до объекта и значения диафрагмы, глубина резкости может быть очень малой, ограничивая линейные размеры области, находящейся в фокусе. Обычно диафрагму прикрывают для увеличения глубины резкости.

Приблизиться

Некоторые объективы, называемые зум-объективами, имеют фокусное расстояние, которое изменяется при перемещении внутренних элементов, как правило, путем вращения корпуса или нажатия кнопки, активирующей электродвигатель. Обычно объектив может масштабироваться от умеренного широкоугольного, через нормальный, до умеренного телеобъектива; или от нормального до экстремального телеобъектива. Диапазон масштабирования ограничен производственными возможностями; идеал объектива с большой максимальной апертурой, способного масштабироваться от сверхширокоугольного до экстремального телеобъектива, не достижим. Зум-объективы широко используются для камер малого формата всех типов: фото- и кинокамер с фиксированными или сменными объективами. Габариты и стоимость ограничивают их применение для больших форматов пленки. Моторизованные зум-объективы также могут иметь моторизованную фокусировку, диафрагму и другие функции.