Конструкция фотографических объективов для использования в неподвижных или кинокамерах направлена на создание объектива, который обеспечивает наиболее приемлемое воспроизведение объекта съемки в рамках ряда ограничений, включающих стоимость, вес и материалы. Для многих других оптических устройств, таких как телескопы , микроскопы и теодолиты , где визуальное изображение наблюдается, но часто не записывается, конструкция часто может быть значительно проще, чем в случае с камерой, где каждое изображение фиксируется на пленке или датчике изображения и может быть подвергнуто детальному изучению на более позднем этапе. Фотографические объективы также включают те, которые используются в увеличителях и проекторах.
С точки зрения фотографа важна способность объектива захватывать достаточно света, чтобы камера могла работать в широком диапазоне условий освещения. Разработка объектива, который точно воспроизводит цвет, также важна, как и создание равномерно освещенного и четкого изображения по всей плоскости пленки или сенсора.
Для разработчика объективов достижение этих целей также будет означать обеспечение минимизации внутренних бликов , оптических аберраций и веса, а также обеспечение плавной и предсказуемой работы функций зума , фокусировки и диафрагмы .
Однако, поскольку фотопленки и электронные датчики имеют конечное и измеримое разрешение, фотографические объективы не всегда рассчитаны на максимально возможное разрешение, поскольку носитель записи не сможет записать уровень детализации, который может разрешить объектив. По этой и многим другим причинам объективы камер не подходят для использования в качестве объективов проекторов или увеличителей .
Конструкция объектива с фиксированным фокусным расстоянием (также известного как фикс-объектив ) представляет меньше проблем, чем конструкция зум-объектива. Высококачественный фикс-объектив, фокусное расстояние которого примерно равно диаметру кадра пленки или сенсора, может быть сконструирован всего из четырех отдельных линзовых элементов, часто парами по обе стороны от диафрагмы. Хорошими примерами являются Zeiss Tessar или Leitz Elmar .
Чтобы быть полезным в фотографии, любой объектив должен подходить к камере, для которой он предназначен, а это физически ограничивает размер места расположения байонетного или винтового крепления .
Фотография — это высококонкурентный коммерческий бизнес, а вес и стоимость объективов ограничивают производство объективов.
Рефракционные материалы, такие как стекло, имеют физические ограничения, которые ограничивают производительность линз. В частности, диапазон показателей преломления, доступных в коммерческих очках, охватывает очень узкий диапазон. Поскольку именно показатель преломления определяет, насколько лучи света преломляются на каждом интерфейсе, и поскольку именно различия в показателях преломления в парных плюсовых и минусовых линзах ограничивают возможность минимизировать хроматические аберрации , наличие только узкого спектра показателей является основным ограничением конструкции.
За исключением самых простых и недорогих линз, каждая полная линза состоит из ряда отдельных линзовых элементов, расположенных вдоль общей оси. Использование многих линзовых элементов служит для минимизации аберраций и обеспечения четкого изображения без видимых искажений. Для этого требуются линзовые элементы разного состава и разной формы. Для минимизации хроматических аберраций, например, когда разные длины волн света преломляются в разной степени, требуется, как минимум, дублет линзовых элементов с положительным элементом, имеющим высокое число Аббе , и отрицательным элементом с меньшим числом Аббе. С помощью этой конструкции можно достичь хорошей степени конвергенции разных длин волн в видимом спектре . Большинство конструкций линз не пытаются свести инфракрасные длины волн в один и тот же общий фокус, и поэтому необходимо вручную изменять фокус при фотографировании в инфракрасном свете. Другие виды аберраций, такие как кома или астигматизм, также могут быть минимизированы путем тщательного выбора кривизны поверхностей линз для всех компонентов. Сложные фотографические объективы могут состоять из более чем 15 линзовых элементов.
Большинство элементов линз изготовлены с изогнутыми поверхностями со сферическим профилем. То есть изогнутая форма будет соответствовать поверхности сферы. Это отчасти связано с историей изготовления линз, но также и с тем, что шлифовка и изготовление линз со сферической поверхностью относительно просты и дешевы. Однако сферические поверхности также приводят к аберрациям линз и могут привести к сложным конструкциям линз большого размера. Более качественные линзы с меньшим количеством элементов и меньшим размером могут быть получены с помощью асферических линз, в которых изогнутые поверхности не являются сферическими, что дает больше степеней свободы для исправления аберраций.
Большинство фотографических объективов имеют элементы линз, изготовленные из стекла, хотя использование высококачественного пластика становится все более распространенным в высококачественных объективах и уже некоторое время является обычным для недорогих камер. Конструкция фотографических объективов очень требовательна, поскольку дизайнеры расширяют границы существующих материалов, чтобы сделать более универсальные, качественные и легкие объективы. Как следствие, в современном производстве объективов используется много экзотических стекол. В настоящее время используются линзы из цезиевого [1] и лантанового [2] стекла из-за их высокого показателя преломления и очень низких дисперсионных свойств. Также вероятно, что используется ряд других стекол с переходными элементами, но производители часто предпочитают держать свои спецификации материалов в секрете, чтобы сохранить коммерческое или эксплуатационное преимущество перед конкурентами.
До недавнего времени фокусировка объектива камеры для получения четкого изображения на плоскости пленки достигалась с помощью очень мелкой винтовой резьбы в креплении объектива, через которую объектив можно было вращать, приближая или удаляя его от плоскости пленки. Такая конструкция, хотя и простая в проектировании и изготовлении, имеет некоторые ограничения, не в последнюю очередь вращение большей части узла объектива, включая передний элемент. Это может быть проблематично, если используются такие устройства, как поляризационные фильтры , которые требуют точной ориентации вращения независимо от фокусного расстояния.
В более поздних разработках использовались конструкции, в которых внутренние элементы перемещались для достижения фокусировки, не влияя на внешнюю оправу объектива или ориентацию переднего элемента.
Во многих современных камерах используются механизмы автоматической фокусировки, в которых для перемещения внутренних элементов объектива используются ультразвуковые двигатели, что позволяет добиться оптимальной фокусировки.
Управление диафрагмой, обычно многолепестковая диафрагма, имеет решающее значение для производительности объектива. Роль диафрагмы заключается в контроле количества света, проходящего через объектив к плоскости пленки или сенсора. Диафрагма, расположенная снаружи объектива, как в случае некоторых викторианских камер, рискует вызвать виньетирование изображения, при котором углы изображения будут темнее центра. Диафрагма, расположенная слишком близко к плоскости изображения, рискует, что сама диафрагма будет записана как круглая форма или, по крайней мере, вызовет дифракционные узоры при малых диафрагмах. В большинстве конструкций объективов диафрагма расположена примерно посередине между передней поверхностью объектива и плоскостью изображения. В некоторых зум-объективах она расположена на некотором расстоянии от идеального положения, чтобы обеспечить движение плавающих линз, необходимых для выполнения функции зума.
Большинство современных объективов для формата 35 мм редко обеспечивают стоп меньше f/22 из-за дифракционных эффектов, вызванных прохождением света через очень маленькое отверстие. Поскольку дифракция основана на ширине отверстия в абсолютных величинах, а не на отношении f-ступеней, объективы для очень малых форматов, распространенные в компактных камерах, редко превышают f/11 (1/1.8") или f/8 (1/2.5"), в то время как объективы для среднего и большого формата обеспечивают f/64 или f/128.
Объективы с очень большой апертурой, предназначенные для использования в условиях очень слабого освещения с апертурами от f/1.2 до f/0.9, как правило, ограничены объективами со стандартным фокусным расстоянием из-за проблем с размером и весом, которые могут возникнуть в телеобъективах, а также из-за сложности создания широкоугольного объектива с очень большой апертурой с использованием имеющихся в настоящее время преломляющих материалов. Объективы с очень большой апертурой обычно изготавливаются для других типов оптических приборов, таких как микроскопы , но в таких случаях диаметр объектива очень мал, и вес не является проблемой.
Многие очень ранние камеры имели диафрагмы, расположенные снаружи объектива, часто состоящие из вращающейся круглой пластины с рядом отверстий увеличивающегося размера, просверленных через пластину. [3] Вращение пластины приводило к появлению отверстия соответствующего размера перед объективом. Все современные объективы используют многолепестковую диафрагму, так что в центральном пересечении лепестков образуется более или менее круглая апертура. Либо ручное кольцо, либо электронный двигатель управляют углом лепестков диафрагмы и, таким образом, размером отверстия.
Размещение диафрагмы в структуре объектива ограничено необходимостью достижения равномерного освещения по всей плоскости пленки при всех апертурах и требованием не мешать движению любого подвижного элемента объектива. Обычно диафрагма располагается примерно на уровне оптического центра объектива.
Затвор контролирует продолжительность времени, в течение которого свет проходит через объектив на плоскость пленки. Для любой заданной интенсивности света, чем чувствительнее пленка или детектор или чем шире апертура, тем короче должно быть время экспозиции для поддержания оптимальной экспозиции. В самых ранних камерах экспозиция контролировалась перемещением вращающейся пластины перед объективом и ее последующей заменой. Такой механизм эффективно работает только для экспозиций в несколько секунд или более и несет в себе значительный риск возникновения дрожания камеры . К концу 19-го века использовались пружинные механизмы затвора, управляемые рычагом или спусковым тросиком . Некоторые простые затворы продолжали размещаться перед объективом, но большинство из них были встроены в само крепление объектива. Такие объективы со встроенными механизмами затвора были разработаны в текущем затворе Compur , который используется во многих незеркальных камерах, таких как Linhof . Эти затворы имеют ряд металлических лепестков, которые пружиной открываются, а затем закрываются после заранее определенного интервала. Материальные и конструктивные ограничения ограничивают самую короткую скорость примерно 0,002 секунды. Хотя такие затворы не могут обеспечить такое же короткое время экспозиции, как фокальный затвор, они способны обеспечить синхронизацию вспышки на всех скоростях.
Использование коммерческого затвора типа Compur потребовало от разработчиков объективов учета ширины механизма затвора в креплении объектива и предусмотреть средства срабатывания затвора на оправе объектива или его переноса на корпус камеры с помощью ряда рычагов, как в двухобъективных камерах Minolta .
Необходимость размещения механизма затвора внутри оправы объектива ограничивала конструкцию широкоугольных объективов, и только с широким распространением фокальных затворов были разработаны сверхширокоугольные объективы.
Тип проектируемой линзы имеет важное значение при определении ключевых параметров.
Линзы, используемые в фотоувеличителях, должны фокусировать свет, проходящий через относительно небольшую площадь пленки, на большую площадь фотобумаги или пленки. Требования к таким линзам включают:
Конструкция объектива должна эффективно работать со светом, проходящим от ближнего фокуса к дальнему фокусу — в точности наоборот для объектива камеры. Это требует, чтобы внутреннее рассеивание света в объективе было спроектировано по-другому, а отдельные элементы объектива были спроектированы для максимизации производительности при этом изменении направления падающего света.
Проекционные линзы разделяют многие ограничения конструкции, как и линзы увеличителей, но с некоторыми критическими различиями. Проекционные линзы всегда используются при полной апертуре и должны давать приемлемо освещенное и приемлемо резкое изображение при полной апертуре.
Однако, поскольку проецируемые изображения почти всегда просматриваются на некотором расстоянии, отсутствие очень точной фокусировки и небольшая неравномерность освещения часто приемлемы. Объективы проектора должны быть очень терпимы к длительным высоким температурам от лампы проектора и часто иметь фокусное расстояние, намного большее, чем у снимающего объектива. Это позволяет расположить объектив на большем расстоянии от освещаемой пленки и позволяет получить изображение приемлемого размера, когда проектор находится на некотором расстоянии от экрана. Это также позволяет устанавливать объектив в относительно грубо резьбовом фокусировочном креплении, чтобы киномеханик мог быстро исправить любые ошибки фокусировки.
Объективы самых первых камер представляли собой простые мениски или простые двояковыпуклые линзы. Только в 1840 году Шевалье во Франции представил ахроматическую линзу, образованную путем склеивания двояковыпуклой линзы из корончатого стекла с плосковогнутой линзой из флинтгласа . К 1841 году Фойгтлендер, используя конструкцию Йозефа Петцваля, изготовил первую коммерчески успешную двухэлементную линзу.
Карл Цейсс был предпринимателем , которому нужен был компетентный дизайнер, чтобы вывести свою фирму за рамки просто очередной оптической мастерской. В 1866 году был привлечен доктор Эрнст Аббе. С тех пор новые продукты стали появляться в быстрой последовательности, что вывело компанию Цейсс на передовые позиции в области оптических технологий.
Аббе сыграл важную роль в разработке знаменитого йенского оптического стекла. Когда он пытался устранить астигматизм в микроскопах, он понял, что ассортимент доступных оптических стекол недостаточен. После некоторых расчетов он понял, что производительность оптических приборов значительно улучшится, если будут доступны оптические стекла с подходящими свойствами. На его вызов производителям стекла наконец ответил доктор Отто Шотт, основавший знаменитый стекольный завод в Йене , на котором с 1888 года начали появляться новые типы оптического стекла, и которые использовались Цейссом и другими производителями.
Новое оптическое стекло Jena также открыло возможность улучшения характеристик фотографических объективов. Первое использование стекла Jena в фотографическом объективе было сделано Voigtländer , но поскольку объектив был старой конструкции, его характеристики не были значительно улучшены. Впоследствии новые стекла продемонстрировали свою ценность в коррекции астигматизма и в производстве ахроматических и апохроматических линз. Аббе начал проектирование фотографического объектива симметричной конструкции с пятью элементами, но не пошел дальше.
Инновационный дизайн фотографических объективов Zeiss был создан доктором Паулем Рудольфом . В 1890 году Рудольф спроектировал асимметричный объектив с склеенной группой по обе стороны диафрагмы и назвал его «Анастигмат». Этот объектив выпускался в трех сериях: серии III, IV и V с максимальными диафрагмами f/7.2, f/12.5 и f/18 соответственно. В 1891 году появились серии I, II и IIIa с максимальными диафрагмами f/4.5, f/6.3 и f/9 соответственно, а в 1893 году появилась серия IIa с максимальной диафрагмой f/8. Сейчас эти объективы более известны под торговой маркой «Protar», которая впервые была использована в 1900 году.
В то время одиночные комбинированные линзы, которые занимали только одну сторону диафрагмы, все еще были популярны. Рудольф спроектировал одну с тремя склеенными элементами в 1893 году, с возможностью установки двух из них вместе в оправе объектива в качестве составной линзы, но было обнаружено, что она такая же, как Dagor от CP Goerz , разработанный Эмилем фон Хёгом . Затем Рудольф придумал одну комбинацию с четырьмя склеенными элементами, которую можно рассматривать как имеющую все элементы Protar, склеенные вместе в одну деталь. Выпущенная на рынок в 1894 году, она называлась Protarlinse Series VII, наиболее высоко скорректированная одиночная комбинированная линза с максимальными диафрагмами от f/11 до f/12.5, в зависимости от ее фокусного расстояния.
Но самое важное в этом Protarlinse то, что два таких блока линз можно установить в одном корпусе объектива, чтобы сформировать составной объектив с еще большей производительностью и большей апертурой, между f/6.3 и f/7.7. В этой конфигурации он был назван Double Protar Series VIIa. Таким образом, можно получить огромный диапазон фокусных расстояний с помощью различных комбинаций блоков Protarlinse.
Рудольф также исследовал концепцию Double-Gauss симметричной конструкции с тонкими положительными менисками, охватывающими отрицательные элементы. Результатом стала Planar Series Ia 1896 года с максимальными диафрагмами до f/3.5, одна из самых быстрых линз своего времени. Хотя она была очень резкой, она страдала от комы , что ограничивало ее популярность. Однако дальнейшее развитие этой конфигурации сделало ее конструкцией выбора для высокоскоростных линз стандартного покрытия.
Вероятно, вдохновленный объективами Stigmatic, разработанными Хью Олдисом для Dallmeyer of London, Рудольф разработал новый асимметричный объектив с четырьмя тонкими элементами, Unar Series Ib, с диафрагмой до f/4.5. Благодаря своей высокой светосиле он широко использовался на ручных камерах.
Самым важным объективом Zeiss от Rudolph был Tessar , впервые проданный в 1902 году в форме Series IIb f/6.3. Его можно назвать комбинацией передней половины Unar с задней половиной Protar. Это оказалось очень ценной и гибкой конструкцией с огромным потенциалом развития. Его максимальная диафрагма была увеличена до f/4.7 в 1917 году и достигла f/2.7 в 1930 году. Вероятно, каждый производитель объективов выпускал объективы конфигурации Tessar.
Рудольф покинул Zeiss после Первой мировой войны, но многие другие компетентные конструкторы, такие как Мерте, Вандерслеб и т. д., удерживали фирму на переднем крае инноваций в области фотографических объективов. Одним из самых значительных конструкторов был бывший сотрудник Ernemann доктор Людвиг Бертеле , прославившийся своим высокоскоростным объективом Ernostar.
С появлением Contax от Zeiss-Ikon, первого серьезного вызова Leica в области профессиональных 35-мм камер, и Zeiss-Ikon, и Carl Zeiss решили превзойти Leica всеми возможными способами. Серия объективов Sonnar от Bertele , разработанная для Contax, была соперником Leica по всем параметрам в течение как минимум двух десятилетий. Другие объективы для Contax включали Biotar, Biogon, Orthometar и различные Tessars и Triotars.
Последним важным нововведением Zeiss перед Второй мировой войной была технология нанесения антибликового покрытия на поверхности линз, изобретенная Александром Смакулой в 1935 году. [8] Линза, обработанная таким образом, маркировалась красной буквой «T», сокращением от «Transparent» (прозрачный). Технология нанесения нескольких слоев покрытия также была описана в оригинальных патентных записях 1935 года. [9]
После раздела Германии в Оберкохене была основана новая оптическая компания Carl Zeiss , в то время как первоначальная фирма Zeiss в Йене продолжала работать. Сначала обе фирмы производили очень похожие линейки продукции и активно сотрудничали в совместном использовании продукции, но со временем они отдалились друг от друга. Новое направление Йены заключалось в том, чтобы сосредоточиться на разработке объективов для 35-мм однообъективной зеркальной камеры, и было достигнуто много достижений, особенно в области сверхширокоугольных конструкций. В дополнение к этому, Оберкохен также работал над проектированием объективов для крупноформатных камер, сменных объективов с передней линзой, таких как для 35-мм однообъективной зеркальной камеры Contaflex, и других типов камер.
С самого начала деятельности Zeiss как производителя фотообъективов у него была программа лицензирования, которая позволяла другим производителям производить его объективы. На протяжении многих лет его лицензиатами были Voigtländer , Bausch & Lomb , Ross, Koristka, Krauss, Kodak и т. д. В 1970-х годах западное подразделение Zeiss-Ikon объединилось с Yashica для производства новых камер Contax , и многие объективы Zeiss для этой камеры, среди прочего, были произведены оптическим подразделением Yashica, Tomioka. Владелец Yashica, Kyocera, прекратил производство камер в 2006 году. Затем объективы Yashica производила компания Cosina , которая также производила большинство новых разработок Zeiss для новой сопряженной дальномерной камеры Zeiss Ikon. Другим действующим сегодня лицензиатом является Sony , которая использует название Zeiss на объективах своих видеокамер и цифровых фотокамер.