Объектив камеры (также известный как фотографический объектив или фотографический объектив ) — оптическая линза или набор линз, используемый совместно с корпусом и механизмом камеры для создания изображений объектов либо на фотопленке , либо на других носителях, способных сохранять изображение химическим или электронным способом .
Нет принципиальной разницы между объективом, используемым для фотоаппарата , видеокамеры , телескопа , микроскопа или другого аппарата, но детали конструкции и дизайна различаются. Объектив может быть постоянно закреплен на камере или может быть взаимозаменяемым с объективами с другими фокусными расстояниями , апертурами и другими свойствами.
Хотя в принципе простая выпуклая линза будет достаточна, на практике для исправления (насколько это возможно) множества возникающих оптических аберраций требуется составная линза, состоящая из нескольких оптических линзовых элементов . Некоторые аберрации будут присутствовать в любой системе линз. Задача конструктора линз — сбалансировать их и создать конструкцию, подходящую для фотографического использования и, возможно, массового производства.
Типичные прямолинейные линзы можно рассматривать как «улучшенные» точечные «линзы» . Как показано, точечная «линза» — это просто маленькая апертура, которая блокирует большинство лучей света, в идеале выбирая один луч к объекту для каждой точки на датчике изображения. У точечных линз есть несколько серьезных ограничений:
Практические линзы можно рассматривать как ответ на вопрос: «как можно модифицировать линзу-обскуру, чтобы она пропускала больше света и давала меньший размер пятна?». Первым шагом является установка простой выпуклой линзы в отверстие-обскуру с фокусным расстоянием, равным расстоянию до плоскости пленки (предполагая, что камера будет делать снимки удаленных объектов [1] ). Это позволяет значительно расширить отверстие-обскуру (четвертое изображение), поскольку тонкая выпуклая линза преломляет световые лучи пропорционально их расстоянию до оси линзы, при этом лучи, попадающие в центр линзы, проходят прямо через нее. Геометрия почти такая же, как и у простой линзы-обскуры, но вместо того, чтобы освещаться отдельными лучами света, каждая точка изображения освещается сфокусированным «карандашом» световых лучей .
Спереди камеры будет видно маленькое отверстие (апертура). Виртуальное изображение апертуры, как оно видно из окружающего мира, называется входным зрачком объектива ; в идеале все лучи света, покидающие точку на объекте, которые попадают во входной зрачок, будут фокусироваться в одну и ту же точку на датчике изображения/пленке (при условии, что точка объекта находится в поле зрения). Если бы вы находились внутри камеры, вы бы видели, как объектив действует как проектор . Виртуальное изображение апертуры изнутри камеры — это выходной зрачок объектива . В этом простом случае апертура, входной зрачок и выходной зрачок находятся в одном месте, поскольку единственный оптический элемент находится в плоскости апертуры, но в целом эти три элемента будут находиться в разных местах. Практические фотографические объективы включают больше линзовых элементов. Дополнительные элементы позволяют разработчикам объективов уменьшать различные аберрации, но принцип работы остается прежним: пучки лучей собираются во входном зрачке и фокусируются вниз от выходного зрачка на плоскость изображения.
Объектив камеры может быть сделан из нескольких элементов: от одного, как в менисковой линзе Box Brownie , до более 20 в более сложных зумах. Эти элементы могут сами по себе включать группу линз, склеенных вместе.
Передний элемент имеет решающее значение для производительности всей сборки. Во всех современных объективах поверхность покрыта для уменьшения абразивного износа, бликов и поверхностного отражения , а также для регулировки цветового баланса. Чтобы минимизировать аберрацию, кривизна обычно устанавливается так, чтобы угол падения и угол преломления были равны. В фикс-объективе это легко, но в зуме всегда есть компромисс.
Обычно объектив фокусируется путем регулировки расстояния от узла линзы до плоскости изображения или путем перемещения элементов узла линзы. Для улучшения производительности некоторые объективы имеют кулачковую систему, которая регулирует расстояние между группами по мере фокусировки объектива. Производители называют это по-разному: Nikon называет это CRC (коррекция близкого расстояния); Canon называет это плавающей системой; а Hasselblad и Mamiya называют это FLE (плавающий элемент линзы). [2]
Стекло является наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления элементов объектива, благодаря его хорошим оптическим свойствам и устойчивости к царапинам. Также используются другие материалы, такие как кварцевое стекло , флюорит , [3] [4] [5] [6] пластики, такие как акрил (плексиглас), и даже германий и метеоритное стекло . [ требуется цитата ] Пластики позволяют изготавливать сильно асферические элементы линз , которые трудно или невозможно изготовить из стекла, и которые упрощают или улучшают производство и производительность линз. [ требуется цитата ] Пластики не используются для самых внешних элементов всех, кроме самых дешевых линз, поскольку они легко царапаются. Литые пластиковые линзы использовались для самых дешевых одноразовых камер в течение многих лет и приобрели плохую репутацию: производители качественной оптики, как правило, используют эвфемизмы, такие как «оптическая смола». Однако многие современные высокопроизводительные (и дорогие) линзы от популярных производителей включают в себя литые или гибридные асферические элементы, поэтому неверно, что все линзы с пластиковыми элементами имеют низкое фотографическое качество. [ требуется цитата ]
Тестовая таблица разрешения ВВС США 1951 года — 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 фотографические объективы приближаются к этому разрешению. Те, которые это делают, называются «ограниченными дифракцией» и обычно чрезвычайно дороги. [7]
Сегодня большинство линз имеют многослойное покрытие , чтобы минимизировать блики и другие нежелательные эффекты. Некоторые линзы имеют УФ-покрытие, чтобы не пропускать ультрафиолетовый свет, который может испортить цвет. Большинство современных оптических клеев для склеивания стеклянных элементов также блокируют УФ-свет, устраняя необходимость в УФ-фильтре. Однако это оставляет возможность для грибка линз, если за линзами не ухаживать должным образом. Фотографы, снимающие УФ-излучение, должны приложить немало усилий, чтобы найти линзы без клея или покрытия.
Объектив чаще всего имеет механизм регулировки диафрагмы, обычно ирисовую диафрагму , для регулирования количества проходящего света. В ранних моделях камер использовалась вращающаяся пластина или слайдер с отверстиями разного размера. Эти остановки Waterhouse все еще можно найти на современных специализированных объективах. Затвор , для регулирования времени, в течение которого может проходить свет, может быть встроен в узел объектива (для получения более качественных изображений), внутри камеры или даже, редко, перед объективом. Некоторые камеры с лепестковыми затворами в объективе опускают диафрагму, и затвор выполняет двойную функцию.
Два основных параметра оптического объектива — фокусное расстояние и максимальная апертура . Фокусное расстояние объектива определяет увеличение изображения, проецируемого на плоскость изображения, а апертура — интенсивность света этого изображения. Для данной фотографической системы фокусное расстояние определяет угол зрения , короткие фокусные расстояния дают более широкое поле зрения, чем объективы с большим фокусным расстоянием. Более широкая апертура, определяемая меньшим числом f, позволяет использовать более короткую выдержку для той же экспозиции. Уравнение камеры , или G#, представляет собой отношение яркости, достигающей датчика камеры, к освещенности в фокальной плоскости объектива камеры. [8]
Максимально используемая апертура объектива указывается как фокусное отношение или число f , определяемое как фокусное расстояние объектива, деленное на эффективную апертуру (или входной зрачок ), безразмерное число. Чем меньше число f, тем выше интенсивность света в фокальной плоскости. Большие апертуры (меньшие числа f) обеспечивают гораздо меньшую глубину резкости, чем меньшие апертуры, при прочих равных условиях. Практические сборки объективов могут также содержать механизмы для измерения света, вторичные апертуры для уменьшения бликов [9] и механизмы для удержания апертуры открытой до момента экспозиции, чтобы позволить зеркальным камерам фокусироваться с более ярким изображением с меньшей глубиной резкости, теоретически обеспечивая лучшую точность фокусировки.
Фокусное расстояние обычно указывается в миллиметрах (мм), но старые объективы могут быть маркированы в сантиметрах (см) или дюймах. Для заданного размера пленки или сенсора, указанного длиной диагонали, объектив может быть классифицирован как:
Побочным эффектом использования объективов с разным фокусным расстоянием является разное расстояние, с которого можно снимать объект, что приводит к разной перспективе . Можно сделать фотографии человека, протягивающего руку, с помощью широкоугольного, обычного объектива и телеобъектива, которые содержат абсолютно одинаковый размер изображения путем изменения расстояния от объекта. Но перспектива будет разной. С широкоугольным объективом руки будут преувеличенно большими по отношению к голове. По мере увеличения фокусного расстояния акцент на вытянутой руке уменьшается. Однако, если снимки сделаны с одного и того же расстояния, увеличены и обрезаны, чтобы содержать тот же вид, снимки будут иметь одинаковую перспективу. Умеренный длиннофокусный (телеобъектив) объектив часто рекомендуется для портретной съемки, поскольку перспектива, соответствующая большему расстоянию съемки, считается более лестной.
Считается, что самым широкоапертурным объективом в истории фотографии является Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7 , [11] который был разработан и изготовлен специально для лунной программы NASA Apollo , чтобы запечатлеть обратную сторону Луны в 1966 году. Три из этих объективов были куплены кинорежиссером Стэнли Кубриком для того, чтобы снимать сцены в его фильме 1975 года «Барри Линдон» , используя свечи в качестве единственного источника света. [12] [13] [14]
Сложность объектива — количество элементов и степень их асферичности — зависит от угла зрения, максимальной диафрагмы и предполагаемой цены, среди прочих переменных. Сверхширокоугольный объектив с большой диафрагмой должен иметь очень сложную конструкцию для коррекции оптических аберраций, которые ухудшаются на краю поля и когда край большого объектива используется для формирования изображения. Длиннофокусный объектив с малой диафрагмой может иметь очень простую конструкцию для достижения сопоставимого качества изображения: дублета (двух элементов) часто будет достаточно. Некоторые старые камеры были оснащены конвертируемыми объективами (нем. Satzobjektiv ) с нормальным фокусным расстоянием. Передний элемент можно было отвинтить, оставив объектив с удвоенным фокусным расстоянием, половинным углом зрения и половинной диафрагмой. Более простая полулинза имела адекватное качество для узкого угла зрения и малого относительного отверстия. Для этого потребовалось бы удлинить мехи до удвоенной нормальной длины.
Объективы хорошего качества с максимальной диафрагмой не более f/2.8 и фиксированным, нормальным фокусным расстоянием требуют по крайней мере три (триплет) или четыре элемента (торговое название « Tessar » происходит от греческого tessera , что означает «четыре»). Зум-объективы с самым широким диапазоном часто имеют пятнадцать или более элементов. Отражение света на каждом из многочисленных интерфейсов между различными оптическими средами (воздух, стекло, пластик) серьезно ухудшало контрастность и насыщенность цвета ранних объективов, особенно зум-объективов, особенно когда объектив был непосредственно освещен источником света. Введение много лет назад оптических покрытий и достижения в технологии покрытий за эти годы привели к значительным улучшениям, и современные высококачественные зум-объективы дают изображения вполне приемлемого контраста, хотя зум-объективы со многими элементами будут пропускать меньше света, чем объективы, сделанные с меньшим количеством элементов (все остальные факторы, такие как диафрагма, фокусное расстояние и покрытия, равны). [15]
Многие однообъективные зеркальные камеры и некоторые дальномерные камеры имеют съемные объективы. Некоторые другие типы также имеют съемные объективы, в частности, камеры Mamiya TLR и SLR, камеры среднего формата ( RZ67 , RB67 , 645-1000s), другие компании, которые производят оборудование среднего формата, такие как Bronica, Hasselblad и Fuji, имеют похожие стили камер, которые также допускают взаимозаменяемость объективов, и беззеркальные камеры со сменными объективами . Объективы крепятся к камере с помощью крепления объектива , которое содержит механические связи и часто также электрические контакты между объективом и корпусом камеры.
Конструкция крепления объектива является важным вопросом для совместимости между камерами и объективами. Не существует универсального стандарта для креплений объектива, и каждый крупный производитель камер обычно использует свою собственную запатентованную конструкцию, несовместимую с другими производителями. [16] Несколько старых конструкций крепления объектива с ручной фокусировкой, такие как крепление объектива Leica M39 для дальномеров, крепление объектива M42 для ранних зеркальных камер и крепление Pentax K , встречаются у разных брендов, но сегодня это не распространено. Несколько конструкций крепления, такие как крепление Olympus/Kodak Four Thirds System для зеркальных камер, также были лицензированы другими производителями. [17] Большинство крупноформатных камер также принимают сменные объективы, которые обычно устанавливаются на плате объектива или на переднем стандарте.
Наиболее распространенные на рынке сменные крепления объективов включают автофокусные крепления Canon EF , EF-S и EF-M . Другие включают ручные и автофокусные крепления Nikon F , цифровые крепления Olympus / Kodak Four Thirds и Olympus/Panasonic Micro Four Thirds , варианты крепления Pentax K и автофокусные, крепление Sony Alpha (производное от крепления Minolta ) и цифровое крепление Sony E.
Макрообъектив, используемый в макросъемке или «крупном плане» (не путать с композиционным термином « крупный план ») — это любой объектив, который создает изображение в фокальной плоскости (например, пленка или цифровой датчик), которое составляет одну четверть натуральной величины (1:4) к тому же размеру (1:1), что и снимаемый объект. Официального стандарта для определения макрообъектива не существует, обычно это фиксированный объектив , но соотношение 1:1, как правило, считается «истинным» макро. Увеличение от натуральной величины до большего называется «микро» фотографией (2:1, 3:1 и т. д.). Такая конфигурация обычно используется для съемки крупным планом очень маленьких объектов. Макрообъектив может иметь любое фокусное расстояние, фактическое фокусное расстояние определяется его практическим использованием, учитывая увеличение, требуемое соотношение, доступ к объекту и соображения освещенности. Это может быть специальный объектив, оптически скорректированный для работы крупным планом, или это может быть любой модифицированный объектив (с адаптерами или проставками, которые также известны как «удлинительные кольца»), чтобы вывести фокальную плоскость «вперед» для очень близкой съемки. В зависимости от расстояния от камеры до объекта и диафрагмы глубина резкости может быть очень узкой, ограничивая линейную глубину области, которая будет в фокусе. Объективы обычно закрывают, чтобы обеспечить большую глубину резкости.
Некоторые объективы, называемые зум-объективами , имеют фокусное расстояние, которое изменяется при перемещении внутренних элементов, как правило, путем вращения корпуса или нажатия кнопки, которая активирует электродвигатель . Обычно объектив может зумировать от умеренного широкоугольного до умеренного телефото; или от нормального до экстремального телефото. Диапазон зума ограничен производственными ограничениями; идеал объектива с большой максимальной диафрагмой, который будет зумировать от экстремально широкого угла до экстремально телефото, недостижим. Зум-объективы широко используются для малоформатных камер всех типов: фото- и кинокамер с фиксированными или сменными объективами. Масса и цена ограничивают их использование для более крупных размеров пленки. Моторизованные зум-объективы также могут иметь моторизованные фокус, диафрагму и другие функции.
Вот некоторые известные конструкции фотографических оптических объективов:
