В простейшем случае объектив представляет собой собирательную линзу, которая строит изображение на поверхности пленки. Поверхность эта обычно плоская, но у некоторых камер, например панорамных, она может быть изогнутой.
Изобретение линз уходит в глубь тысячелетий. Археологи находят их в довольно неожиданных местах, вроде стоянок доисторического человека. Это естественные линзы из грубо обломанных кусочков горного хрусталя, которые, по-видимому, применяли для добывания огня с помощью солнечных лучей.
В первом фотоаппарате - камере-обскуре - линзы не было. Объективом служило небольшое отверстие, через которое свет падал на стенку, образуя на ней изображение. Оно было очень тусклым, оправдывая название камеры: обскура по-латыни означает "темная". Подобный "объектив" - стеноп - применяется и сегодня. Используют его при съемке архитектуры, чтобы получить естественную перспективу, и при портретной съемке для создания "романтических" портретов.
Процесс изготовления линз в больших количествах связан с изобретением очков и развитием астрономических приборов и микроскопов. Уже во времена Галлилея выпускались весьма совершенные и по современным понятиям линзы. Ими стали оснащать камеры-обскуры, которые иногда начали называть люцинами (светлыми).
В 1840 году венский оптик Йозеф Петцваль рассчитал портретный объектив, который не уступает современным. Чтобы произвести расчеты, ему потребовалось привлечь к работе курсантов военного училища. Сегодня подобные расчеты выполняет компьютер.
При конструировании объектива приходится производить весьма трудоемкий расчет прохождения лучей света через линзы объектива. В объективе их может быть больше десятка, причем изготовленных из разных сортов стекла и других материалов. Делать это приходится, чтобы улучшить качество изображения. Расчетным путем подбираются форма поверхности линз, их число, расстояние между ними, сорт стекла.
В дорогих объективах кроме стекла могут применяться линзы из природных минералов, прозрачной пластмассы и стеклянно-пластмассовые, получившие название гибридных.
Линзы объектива монтируются в оправу так, чтобы их центр лежал на одной линии, которая именуется оптической осью. Детали оправы изготавливаются из металла и поликарбонатов. Оправы так называемых профессиональных объективов делают только из металла. Поликарбо наты резко сокращают вес оправы, но уменьшают ее жесткость.
Объектив камеры-люцины имел обычно одну линзу. Петцвалю, чтобы пропустить к светочувствительному слою возможно больше света, пришлось для своего объектива применить линзы максимально большого размера, не допуская при этом значительного ухудшения качества изображения. Он достиг этого, построив четырехлинзовый объектив из двух сортов стекла, имевшихся в то время. В распоряжении современного оптика их имеется несколько сотен.
Петцваль добивался геометрического подобия изображения снимаемому предмету и достаточной резкости изображения. Достичь этого не удается и современным конструкторам: изображение не вполне соответствует предмету из-за всевозможных погрешностей объектива - аберраций. Рассмотрим основные из них.
Прежде всего объектив может искажать геометрические пропорции предмета, в частности, прямые линии получаются с изгибом либо к центру изображения, либо от его центра. Такой дефект называется дисторсией. Изгиб прямых линий особенно неприятен при репродукции, а при съемке пейзажей он менее заметен. В простейшем случае, например при съемке небольшой почтовой марки, может оказаться, что на снимке она получилась в виде маленького бочонка с выпуклыми боками и днищем или, наоборот, маленькой подушки с втянутыми боками. Такие дефекты так и называются бочкообразной или подушкообразной дисторсией. Дисторсией особенно страдают короткофокусные объективы и изображения панорамных камер с поворотными объективами ("Горизонт"), хотя сами объективы этих камер могут быть свободны от нее.
Положим, мы снимаем фасад далеко расположенного здания объективом из одной линзы. Изображение в этом случае из-за большого расстояния будет образовываться параллельными пучками света. Внимательно рассматривая изображение на матовом стекле аппарата, можно заметить, что если оно резко посередине, то его края не резки. Наоборот, если, изменив наводку, сделать резкими края, середина получится не резкой. Причина этого в том, что края линзы преломляют свет иначе, чем центральная часть линзы. Называются такие аберрации сферическими. У линз небольшого диаметра они не очень велики. Поскольку эти аберрации несколько смягчают изображение, у фотохудожников до сегодняшнего дня популярны объективы из одной линзы, так называемые монокли. В нашем примере лучи света падали параллельно оптической оси.
Дело усложняется, если лучи падают на объектив не параллельно, когда, например, снимают тот же фасад под углом к плоскости пленки, и вдобавок он занимает только половину кадра. В этом случае на пленке вместо точек, изображающих на фасаде небольшие электрические фонари с круглыми колпаками, может появиться весьма замысловатое их изображение. Называется такой дефект комой.
Первые линзы имели поверхности в виде части сферы. Линзы со сферической поверхностью не могут собрать в одну точку параллельные лучи света, проходящие по центру и по периферии. Этого можно добиться, если поверхность линзы выполнить в форме части эллипсоида или параболоида. Такие поверхности и сами линзы называют асферическими. Они помогают избавиться и от комы.
Изображение, даваемое линзами, часто имеет цветную кайму. Она носит название хроматической аберрации или вторичного спектра. Чтобы ее уменьшить, применяют линзы, склеенные из материала с разной преломляющей способностью.
Качество изображения, прежде всего его контраст, ухудшается отраженным от поверхности линз и оправы светом. Чтобы уменьшить рассеяние, на поверхности линз наносят до десяти слоев всевозможных прозрачных покрытий. Наружные покрытия предохраняют линзы от мелких царапин, которые не позволяют создать достаточно резкого и контрастного изображения. Меньший вред наносят небольшие сколы поверхности линз и большие царапины, если их, конечно, немного - одна-две. Мелкие пузырьки в линзах совершенно не влияют на качество изображения.
Не весь свет, падающий на объектив, участвует в построении изображения: боковые лучи не используются. Но они тоже вызывают засветку аппарата и пленки. Чтобы уменьшить вред от этих лучей, на объектив надевают непрозрачный конус с тонкими, хорошо зачерненными стенками - бленду. Иногда ее встраивают в объектив. Чтобы задержать лучи, не участвующие в образовании изображения, применяется также заслонка с отверстием между линзами или за ними - диафрагма. В высококачественных объективах она может даже передвигаться вдоль объектива при изменении его фокусного расстояния. Кроме этого у всех объективов есть диафрагма, регулирующая количество света, падающего на пленку. Регулирование производится изменением площади отверстия. В большинстве случаев отверстие имеет круглую форму. Чтобы изменять его диаметр, диафрагму часто изготавливают из отдельных серповидных лепестков. При повороте подвижного кольца изменяется диаметр отверстия. Называется такая диафрагма ирисовой.
При закрывании диафрагмы резкость изображения вначале увеличивается, а затем уменьшается. Это связано с тем, что свет на краях маленького отверстия испытывает дифракцию, и каждая точка превращается в систему темных и светлых колец. У отдельных объективов резкость меняется довольно значительно, позволяя при художественной съемке получить смягченное изображение.
Изображение, образуемое объективом, имеет наибольшую резкость в центре изображения, причем у предмета, по которому был наведен фокус. Предметы, расположенные дальше и ближе, имеют меньшую резкость. Однако при уменьшении диаметра отверстия диафрагмы они становятся более резкими. Расстояние, в пределах которого предметы выглядят достаточно четко, получило название "глубина резкости". Она увеличивается при закрывании диафрагмы - угол, под которым попадают лучи света на пленку, уменьшается. Определить глубину резкости можно по таблицам или по шкале наименьшей и наибольшей дистанции резкости, нанесенной на оправу объектива.
Отношение диаметра входного отверстия объектива к длине фокусного расстояния называется значением диафрагмы. Эти значения подобраны таким образом, что, если изменить значение диафрагмы на одно деление, количество света, пропускаемого объективом, изменится в два раза. Для упрощения на практике значение диафрагмы дают не в виде дроби, а приводят только значение ее знаменателя.
Вернемся к оценке резкости изображения. Оценивается, собственно, не сама резкость, а степень размытости изображения на отпечатке или пленке. Положим, она оценивается по отпечатку. Его рассматривают обычно с расстояния 25 см. Если при этом точки получаются в виде кружков диаметром 0,1 мм, глаз воспринимает изображение резким. С пересчетом на среднее увеличение малоформатных негативов при печати величина кружка на пленке принимается равной 0,05-0,03 мм. Исходя из этих значений и определяется глубина резкости объектива. У большинства объективов с переменным фокусным расстоянием значение глубины резкости на оправу не наносится.
У двояковыпуклой линзы длина фокусного расстояния определяется по расстоянию от ее плоскости симметрии до плоскости, на которую она проецирует достаточно удаленные предметы. Фокусное расстояние сложного многолинзового объектива отсчитывают от воображаемой точки, которая может лежать и за пределами оправы. Плоскость, в которой образуется изображение, называется фокальной, а точка пересечения оптической оси с ней - точкой фокуса. Расстояние от фокальной плоскости до поверхности задней линзы объектива называется задним отрезком. У телеобъектива задний отрезок меньше фокусного расстояния, а у короткофокусных объективов он может быть больше.
При достаточно больших расстояниях, условно называемых бесконечностью, точка фокуса объектива совпадает с фокальной плоскостью. Глубина резкости тем больше, чем короче фокусное расстояние и меньше диаметр отверстия диафрагмы, то есть больше значение относительного отверстия. Следует запомнить, что с ростом этого значения увеличивается глубина резкости.
Изменяя положение точки наводки на резкость, можно подобрать такое ее положение, что при данном значении диафрагмы резким будет все изображение от переднего плана до бесконечности. Называется такая точка гиперфокальной.
При съемке с небольших расстояний нужно считаться с тем, что объектив при этом отодвинут от пленки довольно сильно. Отношение диаметра отверстия к фактическому значению фокусного расстояния падает, и при прочих равных условиях приходится увеличивать экспозицию.
Объективы можно разделить на группы как по минимальному значению диафрагмы (на практике говорят - по светосиле), так и по длине фокусного расстояния. Объективы, у которых длина фокусного расстояния равна длине диагонали кадра, называются нормальными. Они образуют изображение под углом, примерно равным углу зрения человеческого глаза, придавая снимкам естественность. Измеряют этот угол от "вершины" фокусного расстояния по диагонали кадра. Таким образом, чем короче фокусное расстояние, тем угол больше, и наоборот, чем длиннее, тем угол зрения меньше. Для малоформатного кадра длина фокусного расстояния, близкая к 50 мм, считается нормальной, его угол зрения равен примерно 46о.
Объективы для малоформатных камер с фокусным расстоянием меньшим нормального (от 13 до 40 мм) получили название широкоугольных. Объективы с длиной фокуса более 58 мм считаются телевиками.
Объективы с длиной фокусного расстояния меньше 16 мм, у которых не исправлена дисторсия, получили название "рыбий глаз". Предполагается, что они передают окружающее пространство примерно так же, как его видят рыбы (см. "Наука и жизнь" № 9, 1996 г.).
Изменить угол зрения и, соответственно, длину фокусного расстояния объектива можно с помощью насадок. Они могут размещаться как между камерой и объективом, так и перед ним. Более удобны объективы с переменным значением фокусного расстояния - так называемые вариообъекти вы. В последние годы они стали основными в компактных камерах и постепенно занимают такое же место среди объективов для зеркалок. Сегодня они дают не менее качественное изображение, чем объективы с постоянным фокусным расстоянием. Основное их преимущество - возможность изменять соотношение размеров переднего и заднего планов основной части сюжета.
Выпускаются и объективы, состоящие из нескольких отдельных блоков. Комбинируя их между собой, можно получить требуемое фокусное расстояние. Основное преимущество таких объективов в том, что их общий вес гораздо меньше, чем у набора объективов с постоянным фокусным расстоянием, которые они заменяют. А поскольку они выпускаются для сравнительно больших фокусных расстояний и вдобавок с большой светосилой, выигрыш может достигать нескольких десятков килограммов.
Среди специализированных объективов интересны объективы с контролируемой глубиной резкости. Они позволяют изменять ее без изменения значения диафрагмы. Для съемки портретов применяют так называемые мягкорисующие объективы, дающие изображение в дымке. Степень смягчения обычно регулируется. Подобные объективы были популярны в прошлом веке. Особенно ценился портретный объектив фирмы "Николо Першайд". Он позволял регулировать глубину резкости в очень больших пределах и давал весьма своеобразное смягченное изображение.
К малораспространенным специальным объективам относятся объективы для съемки в ультрафиолетовых лучах. Съемку ведут через светофильтры, не пропускающие видимую часть света. Обычные сюжеты снимают через обычный ультрафиолетовый светофильтр. Для съемки в инфракрасных лучах специальных объективов не выпускают, ее ведут через инфракрасные светофильтры, при необходимости подсвечивая сюжет инфракрасными излучателями. Снимают на специальную пленку, чувствительную к инфракрасным лучам. Для коррекции перспективы выпускаются объективы с наклоном и смещением оптической оси относительно центра оправы. Изменение положения оси позволяет довольно сильно менять положение вертикальных и горизонтальных линий на снимке. Поэтому такие объективы применяют для съемки интерьеров и высоких зданий с небольших расстояний. Наклон используется и для увеличения глубины резкости, когда приходится снимать при полностью открытой диафрагме. Фокусное расстояние таких объективов постоянное.
Довольно распространены специализированные объективы для макросъемки. Они выпускаются и с постоянным, и с переменным фокусным расстоянием. Основное их преимущество в том, что они позволяют получать весьма качественное изображение мелких предметов в масштабе, близком к их действительным размерам. Большинство макрообъективов дают качественное изображение и при съемке на бесконечность.
Интересную группу объективов представляют устройства для съемки при свете звезд или почти в полной темноте. Эти довольно сложные электронные устройства, как правило, оформлены в виде приборов наблюдения, например зрительных труб. Они позволяют делать довольно качественные снимки животных, ведущих ночной образ жизни, но только в черно-белом изображении.
КАК ВЫБРАТЬ ОБЪЕКТИВ К ЗЕРКАЛЬНОЙ КАМЕРЕ
Современные объективы к зеркалкам производят сотни различных фирм - как выпускающих сами камеры, так и специализированных предприятий. Рассмотрим объективы на примере продукции немецкой фирмы "Сигма". Она делает практически все типы объективов: для любителей, специализи рованные объективы для профессиональной работы и научных исследований. Выпускает она и зеркальные камеры. Выбирая объектив, следует убедиться, что хвостовик объектива (адаптер) подходит к вашей камере, а рабочий отрезок (расстояние от опорной поверхности объектива до фокальной плоскости) позволяет правильно его установить.
Объективы различаются по длине фокусного расстояния, его изменению (у вариообъективов) и значению относительного отверстия (светосиле). Большая светосила для фотолюбителей редко играет значительную роль. Ею интересуются в основном те, кто занимается фотоохотой, портретной съемкой и съемкой в условиях недостаточного освещения, например журналисты. Кроме того, для профессиона лов желательно, чтобы у вариообъектива при увеличении фокусного расстояния не падала светосила, чтобы не пришлось переходить на съемку со штатива в самый неподходящий момент репортажа.
Объективы со светосилой больше 1,4 называются сверхсветосильными, со светосилой примерно от 1,8 до 2 - светосильными, 2,8 - нормальными, с еще меньшей - обычными.
По длине фокусного расстояния и применению объективы можно разделить на несколько групп.
Объективы с фокусным расстоянием от 13 до 28 мм применяют для съемки пейзажей (ландшафтов), архитектуры, интерьера и людей в нем, реже - групп. Эти объективы могут давать оригинальную перспективу, порой весьма значительно изгибая линии изображения, не проходящие через центр кадра. Все они имеют большую глубину резкости.
Объективы с фокусным расстоянием 35-58 мм считаются универсальными; с фокусным расстоянием 58-110 мм используют для съемки портрета, домашних животных, пейзажа и для макросъемки. Объективы с длиной фокуса 105-200 мм применяют при съемке портрета, спортивных сюжетов, удаленного ландшафта, крупных животных, для макросъемки. Для подобных съемок часто требуются объективы большой светосилы. Объективы с фокусным расстоянием порядка 300 мм и больше предназначаются в основном для съемки больших соревнований или фотоохоты.
Вариообъективы чаще всего делят на три группы. К первой относят широкоугольные, с изменением фокусного расстояния примерно от 17 до 40 мм; универсальные, с его изменением от 24 до 120 мм; специализированные телеобъективы, с переменой фокусного расстояния в пределах 75-400 мм. Интересны универсальные вариообъективы, фокусное расстояние которых меняется от 28 до 3200 мм.
На сегодняшний день сложились довольно устойчивые группы объективов с постоянным фокусным расстоянием. Сверхширокоугольные и просто широкоугольные объективы выпускаются с фокусным расстоянием 10, 14, 15 и 20, 24, 28, 35 мм соответственно. Значение их светосилы колеблется от 1,4 до 3,5. Объективы с фокусным расстоянием до 85 мм имеют светосилу 1,4-2, изредка - до 1,0. Светосила телеобъективов с длиной фокусного расстояния до 300 мм редко приближается к 2, а с еще большей - к 3. Сменная фотооптика понемногу уступает место вариообъективам.
При выборе объектива для съемки учитывают размер сюжета и расстояние до него и принимают во внимание, что телеобъективы как бы сдвигают предметы, приближая задний план к переднему, а широкоугольники, наоборот, отдаляют. Кроме того, при одном и том же значении диафрагмы глубина резкости у телевика гораздо меньше, чем у широкоугольника.
Иллюзию объемности снимка, третьего измерения, плоской фотографии придает перспектива.
Кроме линейной перспективы (простейший случай - сходящиеся к горизонту железнодорожные рельсы) существует перспектива тональная. По мере удаления от зрителя предметы утрачивают четкость, становятся размытыми, их окраска принимает голубоватые тона. Величина фокусного расстояния объектива не сказывается на тональности снимаемых предметов (ее можно изменить с помощью светофильтров). Но она меняет соотношение размеров переднего и заднего планов и таким образом косвенно влияет на впечатление от снимка.
Увеличить фокусное расстояние можно с помощью насадки между камерой и объективом, называемой телеэкстендором, конвертором или теленасадкой. Насадка позволяет увеличить фокусное расстояние в несколько раз, обычно до трех. При увеличении фокусного расстояния в 1,4 значение светосилы падает в два раза, при увеличении в два раза - в четыре раза, в три раза - в девять раз.
На объектив крепят и простые линзы (обычно для макросъемки) и весьма сложные насадки с переменным увеличением (до шести раз).
Изготовители объективов в рекламе перечисляют особенности оптики объектива, упоминают материал линз, их число и даже форму поверхности. Часто подчеркивается, что все линзы стеклянные.
Предубеждение против пластмассовых линз частично связано с рекламой, а частично - с тем, что их поверхности легко царапаются. Кроме того, на сильном морозе у отдельных моделей камер с пластмассовой оптикой получаются не совсем резкие снимки - линзы деформируются. Правда, это бывает связано и с качеством пластмассового корпуса аппарата. На пластмассовой ее поверхности оседает больше пыли, чем на стеклянной. Однако конструкция объективов с пластмассовыми линзами проще, сами они гораздо легче и дают более контрастное и резкое изображение. В широкоугольных объективах удается с помощью таких линз уменьшить дисторсию. Тогда указывается, что объектив имеет линзы АД (антидисторсия). Объективы с минимальной хроматичес кой аберрацией называются апохроматами, на них часто ставят обозначение "АПО".
Традиционный способ фокусировки - передвижение всех линз объектива сразу; но в последние годы получила распространение фокусировка изменением положения линз внутри объектива или в его задней части. Внутренняя фокусировка позволила уменьшить минимальное расстояние наводки на резкость и получить хорошую коррекцию изображения как при съемке на бесконечность, так и при макросъемке.
При выборе объектива приходится обращать внимание на органы управления на его оправе. Управление фокусировкой объективов без изменения фокусного расстояния, как правило, производится поворотом кольца на средней части оправы. У вариообъектива оно может быть совмещено с изменением фокусного расстояния. Для фокусировки кольцо поворачивают, для изменения фокусного расстояния сдвигают вдоль оправы. Этот способ достаточно удобен, но не отличается точностью. Поэтому у части вариообъективов, особенно с небольшим перемещением линз при изменении фокусного расстояния, его изменение производится одним вращающимся кольцом, а фокусировки - другим. На объективы с постоянным фокусным расстоянием всегда наносится шкала глубины резкости, у вариообъективов она обычно отсутствует.
У камер с автоматической наводкой на резкость объектив настраивается от электромоторчика, встроенного либо в объектив, либо в корпус камеры в зависимости от модели.
Объектив может иметь устройство для стабилизации изображения, позволяющее вести съемку с рук при довольно длинных выдержках. Оно представляет собой кювету с наклонными прозрачными стенками, заполненную жидкостью с большим коэффициентом преломления. Для компенсации колебаний объектива стенки кюветы изменяют свое положение относительно друг друга, возвращая на место сдвинувшееся изображение. Компенсация происходит только в плоскости, перпендикулярной длинной стороне кадра. Это можно заметить на серии снимков, сделанных с автомобиля, двигавшегося по плохой дороге. Изображение окажется резким, только если в момент срабатывания затвора толчок совпадет с плоскостью стабилизации.
Кроме упомянутых устройств у вариообъективов высшего класса может быть встроенная передвижная диафрагма для предотвращения падения лучей света на внутреннюю часть оправы. При изменении фокусного расстояния она передвигается вдоль оптической оси объектива и может менять при этом свой диаметр.
При выборе объектива следует обратить внимание на крепление насадок. Они могут присоединяться на резьбе, байонете, фрикционном замке и другими способами. Если насадки требуют точной центровки относительно оси объектива, следует предпочесть резьбовое крепление. Светофильтры удобнее крепить не на резьбе: упрощается их замена. Но часть светофильтров требуется фиксировать относительно оправы. К ним относятся поляризационные, позволяющие притенить ярко-голубое небо, не изменяя его окраски, и убрать блики. Оттененные светофильтры также требуют определенного положения относительно длинной стороны кадра будущего снимка. Подобные светофильтры лучше крепить на резьбе. У части светофильтров предусмотрено крепление к задней части объектива. Обычно такие светофильтры применяются у широкоугольников и зеркально-линзовых телевиков.
