ТЕМА 7. СМЕННЫЕ ОБЪЕКТИВЫ

Для изготовления оптических деталей применяется специальное оптическое стекло. Стекло изготавливается из оксида кремния (SiO2) при добавлении различных примесей (различные металлы и др.). В зависимости от примесей стекло может приобретать разные оптические свойства.

Показатели качества стекла.

1. Оптическая однородность. Определяет однородность стекла по всей своей массе, то есть стекло по всей своей массе должно иметь одинаковые характеристики.

2. Бесцветность. Определяет отсутствие в оптическом стекле свилей и других нитевидных включений.

3. Пузырность. Определяет отсутствие в массе стекла пузырьков воздуха.

4. Светопоглащение. Определяет, какое количество светового потока пропало при прохождении через стекло. Эта характеристика определяется коэффициентом светопоглащения.

Из оптического стекла изготавливаются плоскопараллельная пластина, оптический клин, призма, зеркала, линзы.

Плоскопараллельная пластина представляет собой поверхность, ограниченную двумя параллельными поверхностями (листовое оптическое стекло). Применяется при изготовлении светофильтров, контактных и прижимных стекол.

Клин представляет собой оптическую деталь в сечении напоминающую остроугольный треугольник. Применяется в дальномерах, системах отражения и т. д.

Призма – это оптическая деталь, напоминающая в сечении трапецию. Призмы бывают отражательные, спектральные, разлагающие.

Зеркала бываю плоские и сферические. Применяются в качестве отражающих деталей.

Линзы представляют собой деталь, у которой хотя бы одна поверхность является поверхностью тела вращения. Обычно это диск из прозрачного однородного материала, ограниченный двумя полированными поверхностями — сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и так называемые «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы.

В зависимости от форм различают собирательные (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы (рис. 7.1.). К группе собирательных линз относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно, только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например, пузырёк воздуха в воде —

Собирающие линзы:

1 — двояковыпуклая;

2 — плоско-выпуклая;

3 — вогнуто-выпуклая (положительный мениск).

Рассеивающие линзы:

4 — двояковогнутая;

5 — плоско-вогнутая;

6 — выпукло-вогнутая (отрицательный мениск).

Рис. 7.1. Виды линз

Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием. Оптическая сила – это величина обратная фокусному расстоянию. 1 диоптрия = 1/100см.

Отличительным свойством собирательной линзы является способность собирать падающие на её поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону линзы.

Главная оптическая ось линзы - прямая линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу (NN на рис. 7.2.);

Оптический центр линзы - точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых (с одинаковыми радиусами поверхностей) линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре) (О на рис. 7.2.).

Ход лучей на рис. 7.2. показан, как в идеализированной (плоской) линзе, без указания на преломление на реальной границе раздела фаз. Дополнительно показан несколько утрированный образ двояковыпуклой линзы.

Если на некотором расстоянии перед собирательной линзой поместить светящуюся точку S, то луч света, направленный по оси, пройдёт через линзу, не преломившись, а лучи, проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся на ней в некоторой точке F, которая и будет изображением точки S. Эта точка носит название сопряжённого фокуса, или просто фокуса.

Если на линзу будет падать свет от очень удалённого источника, лучи которого можно представить идущими параллельным пучком, то по выходе из неё лучи преломятся под бо́льшим углом и точка F переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется главным фокусом F’, а расстояние от центра линзы до главного фокуса — главным фокусным расстоянием.

Рис. 7.3. Мнимый фокус рассеивающей линзы

Сказанное о фокусе на главной оптической оси в равной степени относится и к тем случаям, когда изображение точки находится на побочной или наклонной оптической оси, т. е. линии, проходящей через центр линзы под углом к главной оптической оси.

Плоскость, перпендикулярная главной оптической оси, расположенная в главном фокусе линзы, называется главной фокальной плоскостью, а в сопряжённом фокусе — просто фокальной плоскостью.

Собирательные линзы могут быть направлены к предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении через линзу могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким образом, линза имеет два фокуса — передний и задний. Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от центра линзы.

Свойства тонкой линзы. 1. Луч, прошедший через оптический центр линзы, не меняет своего направления. 2. Параллельные лучи, проходящие через линзу, сходятся в фокальной плоскости.

Рис. 7.4. Построение изображения тонкой собирающей линзой

Три луча, исходящие из точки A, пройдут через линзу и пересекутся в соответствующих точках схода на A1B1, образуя изображение. Полученное изображение является действительным и перевёрнутым. В данном случае изображение получено в сопряжённом фокусе в некоторой фокальной плоскости FF, несколько удалённой от главной фокальной плоскости F’F’, проходящей параллельно ей через главный фокус.

Если предмет находится на бесконечно далёком от линзы расстоянии, то его изображение получается в заднем фокусе линзы F’ действительным, перевёрнутым и уменьшенным до подобия точки (рис. 7.5.).

Рис. 7.6. Расстояние превышает двойное фокусное

Рис. 7.7. Расстояние равно двойному фокусному

Рис. 7.8. Расстояние между передним фокусом и двойным фокусным

Рис. 7.9. Предмет находится в плоскости переднего главного фокуса линзы

Рис. 7.10. Расстояние меньше главного фокусного

Объектив – это сложное оптико-механическое устройство, предназначенное для построения оптического изображения.

Объектив состоит из оправы, оптических деталей, узла диафрагмирования и узла фокусировки.

Оправа предназначена для обеспечения точного взаимного расположения оптических деталей, а также для сбора остальных устройств в единое изделие. Оправа изготавливается из лёгких металлов и пластмасс. На оправу нанасятся название объектива, его фокусное расстояние и светосила. Например, «Гелиос 44-6 58/2» (Гелиос 44 – конструкция объектива; 6 – модификация объектива; 58 – фокусное расстояние, ½ - светосила). Также на оправе имеется шкала расстояний, шкала относительных отверстий, шкала глубины резкости. В некоторых объективах может быть шкала фокусных расстояний.

В качестве оптических деталей в основном используются линзы. Лишь в некоторых объективах внутри имеются зеркала. Такие объективы называются зеркально-линзовыми.

Диафрагменное устройство рассмотрено в теме 5.

Механизм фокусировки – представляет собой кольцо фокусировки, вращая которое объектив раздвигается либо сжимается, двигаясь по установленной внутри многозаходной резьбе. При раздвижении объектива меняются его оптические параметры, что позволяет в фокальной плоскости строить резкое изображение предметов, находящихся на определённом расстоянии и от фотоаппарата (см. тему 2).

Конструктивные характеристики объективов. Объектив является собирающей системой, поэтому многие характеристики аналогичны характеристикам собирающей линзы.

1. Переднее и заднее фокусное расстояние, f.

2. Угол поля изображения объектива 2ω. Определяет какая часть пространства будет охвачена объективом для проекции на фокальную плоскость.

3. Переднее и заднее вершинное фокусное расстояние.

4. Рабочий отрезок – расстояние от опорной поверхности объектива до заднего фокуса. У объективов, принадлежащих к одному фотоаппарату рабочий отрезок должен быть одинаковым.

5. Диаметр входного зрачка – апертура (диаметр отверстия диафрагменного устройства).

6. Диаметр выходного зрачка – диаметр заднего корпуса объектива.

7. Геометрическое относительное отверстие – отношение диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию (формула 7.1.).

Двход / f = 1/ n, (7.1.)

Где n – диафрагменное число (значение, которое обозначается на шкале диафрагм).

Пример. Относительное отверстие ½ соответствует установке кольца диафрагмы на значение 2 и означает, что диаметр входного отверстия в 2 раза меньше фокусного расстояния.

Фотометрические характеристики объективов.

1. Светосила – эта характеристика определяет способность объектива создавать определённую освещённость в зависимости от яркости снимаемого объекта. Максимальной светосилой объектива является максимальное значение относительного отверстия. Светосила прямо пропорционально зависит от диаметра входного отверстия и обратно пропорционально - от фокусного расстояния объектива.

2. Равномерность освещения поля кадра – эта характеристика зависит от угла поля зрения объектива. Чем больше угол поля изображения, тем равномерность хуже. Соответственно, узкоугольные объективы создают хорошую равномерность освещения, а широкоугольные – худшую равномерность освещения.

Характеристики качества изображения объективов.

1. Частотно-контрастная характеристика. Выражает зависимость контраста изображения от величины снимаемого объекта. Мелкие детали на изображении, как правило, меньшего контраста. Это связано со светорассеиванием в объективе и появлением ореолов вокруг светлых деталей. Соответственно, чем меньше деталь, тем сильнее указанные недостатки оказывают на неё воздействие. Эта характеристика определяется с помощью штриховых мир. Ми́ра — испытательная пластинка с нанесённым на неё стандартным рисунком в виде полос или секторов. На штриховой мире рисунок образован чередующимися тёмными и светлыми прямоугольными полосками с закономерно изменяющейся частотой.

2. Разрешающая способность объектива. Показывает сколько объектив может передать раздельно мелких деталей изображения на определённой площади. За единицу площади принимается 1мм и, соответственно, высчитывают количество штрихов (черных и белых), которые объектив может передать без смаза изображения. Определяется также с помощью штриховых мир. Количественно эта характеристика определяет количество линий раздельно читаемых на одном изображении (линии на мм).

Классификация объективов по техническим характеристикам.

1. По величине фокусного расстояния (f):

а) короткофокусные f < длины диагонали кадра;

б) среднефокусные f ≈ длине диагонали кадра;

в) длиннофокусные f > длины диагонали кадра;

г) с переменным фокусным расстоянием (вариообъектив, трансфокатор, зум).

2. По величине угла поля изображения (2ω):

а) широкоугольные 2ω > 60°;

б) среднеугольные 2ω ≈ 30° - 60°;

в) узкоугольные 2ω < 30°;

г) с переменным углом поля изображения.

3. По величине относительного отверстия:

а) сверхсветосильные 1/0,7 ÷ 1/2;

б) светосильные ½ ÷ ¼;

в) малосветосильные 1/5,6 и далее.

4. По разрешающей силе объектива:

а) с высокой разрешающей силой, более 50 линий на мм;

б) со средней разрешающей силой, от 25 до 50 линий на мм;

в) с малой разрешающей силой менее 25 линий на мм.

Классификация объективов по типу оптической системы.

1. Монокль - простейший объектив, состоящий из одной собирающей линзы.

2. Перископ - симметричный объектив, состоящий из двух собирательных линз.

3. Триплет - простейший вариант анастигмата, состоящий из трёх несклеенных линз, двух собирающих и одной рассеивающей между ними.

4. Ахромат - объектив с минимальной хроматической аберрацией.

5. Апланат - симметричный объектив, состоящий из двух ахроматических линз.

6. Анастигмат - объектив, у которого устранён астигматизм и все остальные аберрации. Практически все современные массово производящиеся объективы - анастигматы.

7. Апохромат - анастигмат, у которого лучше устранена хроматическая аберрация.

Классификация объективов по конструктивным элементам.

1. Линзовые.

2. Зеркальные. Зеркала не обладают дисперсией, поэтому такие оптические схемы встречаются в технических сферах.

3. Зеркально-линзовые. Содержат как зеркала, так и линзы. Как правило, по такой схеме делают телеобъективы для уменьшения их габаритных размеров.

Классификация объективов по целевому назначению.

1. Универсальные.

2. Специальные.

а) Портретные. Используются для съёмки портретов. Должны давать мягкое изображение без геометрических искажений. В качестве портретных часто используются телеобъективы или объективы с фиксированным фокусным расстоянием в диапазоне 50—200 мм (для 35 мм плёнки). Классическими являются 85 мм и 130 мм. Специализированный портретный объектив спроектирован так, что минимальные аберрации показывает при фокусировке с нескольких метров, то есть именно при съёмке портрета, в ущерб качеству изображения «на бесконечности». Практически обязательным для портретного объектива является большое (больше, чем 2,8) относительное отверстие, и очень важен характер бокэ. Боке́ - термин, описывающий субъективные художественные достоинства части изображения, оказавшегося не в фокусе на фотографии.

б) Репродукционные. Используются при пересъёмке чертежей, технической документации и т. д. Должны обладать минимальными геометрическими искажениями, виньетированием и кривизной поля изображения.

в) Шифт-объективы (объективы со сдвигом, от англ. shift) - используются для архитектурной и иной технической съемки и позволяют предотвратить искажение перспективы.

г) Тилт-объектив (объектив с наклоном, от англ. tilt) — используется для получения резкого изображения неперпендикулярных оптической оси объектива протяжённых объектов при макросъёмке, а также для получения художественных эффектов.

д) Кино-видеосъёмочные.

е) Проекционные.

ж) Для микро и макро съёмки. Макрообъектив - объектив для съёмки небольших объектов крупным планом, вплоть до масштаба 1:1. Позволяет производить съёмку с повышенным контрастом и резкостью. Обладают высокой светосилой, например 2,8. Типичное фокусное расстояние от 50 до 100 мм. Обычно имеет специальную оправу.

з) Для фотоувеличителей.

В современной фотоаппаратуре к качеству изображения предъявляются высокие требования. Изображение, даваемое простой линзой, в силу целого ряда недостатков не удовлетворяет этим требованиям. Устранение большинства недостатков достигается соответствующим подбором ряда линз в центрированную оптическую систему — объектив. Изображения, полученные при помощи простых линз, имеют различные недостатки. Недостатки оптических систем называются аберрациями, которые делятся на виды.

1.Геометрические аберрации:

а) сферическая аберрация. Заключается в том, что лучи, идущие параллельно главной оптической оси собираются не в фокусе, а частично перед фокусом, частично в фокусе и частично за фокусом;

б) кома. Разновидность сферической аберрации для наклонных лучей;

в) астигматизм – аберрация, при которой изображение точки, находящейся вне оси, и образуемое узким пучком лучей, представляет собой два отрезка прямой, расположенных перпендикулярно друг другу на разных расстояниях от плоскости безаберрационного фокуса;

г) дисторсия – эта аберрация заключается в искривлении прямых линий по краю кадра. Дисторсия бывает бочкообразная и подушкаобразная. Встречается у короткофокусных объективов: чем больше угол поля зрения, тем больше аберрация;

д) кривизна поля изображения - аберрация, в результате которой изображение плоского объекта, перпендикулярного к оптической оси объектива, лежит на поверхности, вогнутой либо выпуклой к объективу. Эта аберрация вызывает неравномерную резкость по полю изображения. Поэтому, когда центральная часть изображения фокусирована резко, то его края будут лежать не в фокусе, и изобразятся нерезко. Если установку на резкость производить по краям изображения, то его центральная часть будет нерезкой.

2. Хроматическая аберрация заключаются в паразитной дисперсии света, проходящего через оптическую систему. При этом белый свет разлагается на составляющие его цветные лучи, в результате чего изображения предмета в разных цветах не совпадают в пространстве изображений. То есть для каждого цвета получается свой «фокус».

Кроме этого, к хроматическим аберрациям можно отнести хроматические разновидности геометрических аберраций. Хроматические аберрации ведут к снижению чёткости изображения, а иногда также и к появлению на нём цветных контуров, полос, пятен, которые у предмета отсутствуют.

3. Дифракционные аберрации (эти аберрации вызываются другими элементами оптической системы, и к самой линзе отношения не имеют) - ошибки, или погрешности изображения в оптической системе, вызываемые отклонением луча от того направления, по которому он должен был бы идти в идеальной оптической системе. Аберрации характеризуют различного вида нарушения гомоцентричности в структуре пучков лучей, выходящих из оптической системы.

Правила обращения с оптикой.

1. Эксплуатация. Оптику необходимо предохранять от механических повреждений, попадания грязи, пыли, а также длительного воздействия солнечных лучей. При внесении с холода в тёплое помещение оптику необходимо выдержать в закрытом состоянии несколько часов.

2. Хранение. Оптику необходимо хранить вдали от отопительных приборов при нормальной комнатной температуре и нормальной влажности.

3. Профилактика. Пыль с оптики удаляется струёй воздуха специальной фотогрушей, с помощью беличьей кисточки или специальных фотокарандашей. НЕЛЬЗЯ ДУТЬ НА ОПТИКУ– слюна «убьет» просветление! НЕ ТЕРЕТЬ ТКАНЯМИ, РУКАВАМИ ОДЕЖДЫ, И НЕ ТРОГАТЬ РУКАМИ! Жировые пятна удаляются с объектива с помощью беличьей кисточки, смоченной в эфире, специальных фотокарандешей, фотосалфеток и специальной жидкости. Во всех случаях движения должны быть аккуратными без сильного нажима, чтобы не испортить просветление. В противном случае можете выкидывать свой объектив и покупать новый – восстановлению он не подлежит.