Объектив камеры (также известный как фотографическая линза или фотографический объектив ) — это оптическая линза или совокупность линз, используемая вместе с корпусом камеры и механизмом для создания изображений объектов либо на фотопленке , либо на других носителях, способных хранить изображение химически или в электронном виде .
Принципиальной разницы между объективом, используемым для фотокамеры , видеокамеры , телескопа , микроскопа или другого устройства, нет, но детали конструкции и конструкции различны. Объектив может быть постоянно прикреплен к камере или может быть взаимозаменяемым с объективами с разными фокусными расстояниями , диафрагмами и другими свойствами.
Хотя в принципе простой выпуклой линзы будет достаточно, на практике для коррекции (насколько это возможно) многих возникающих оптических аберраций требуется составная линза, состоящая из ряда оптических линз. Некоторые аберрации будут присутствовать в любой системе линз. Задача разработчика объективов — сбалансировать их и создать дизайн, подходящий для фотографического использования и, возможно, для массового производства.
Типичные прямолинейные линзы можно рассматривать как «улучшенные» « линзы-обскуры» . Как показано, «линза» с точечным отверстием — это просто небольшая апертура, которая блокирует большую часть лучей света, в идеале выделяя один луч на объект для каждой точки датчика изображения. Линзы-обскуры имеют 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?». Первый шаг — поместить в отверстие простую выпуклую линзу с фокусным расстоянием, равным расстоянию до плоскости пленки (при условии, что камера будет фотографировать удаленные объекты [1] ). Это позволяет значительно расширить отверстие (четвертое изображение), поскольку тонкая выпуклая линза изгибает лучи света пропорционально их расстоянию до оси линзы, при этом лучи, попадая в центр линзы, проходят прямо насквозь. 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 .
С передней стороны камеры было видно небольшое отверстие (апертуру). Виртуальное изображение апертуры, видимое из окружающего мира, известно как входной зрачок линзы ; в идеале все лучи света, выходящие из точки объекта и попадающие во входной зрачок, будут фокусироваться в одной и той же точке на датчике изображения/пленке (при условии, что точка объекта находится в поле зрения). Если бы кто-то находился внутри камеры, он бы увидел, что объектив действует как проектор . Виртуальное изображение диафрагмы изнутри камеры — это выходной зрачок объектива . В этом простом случае апертура, входной зрачок и выходной зрачок находятся в одном и том же месте, поскольку единственный оптический элемент находится в плоскости апертуры, но в целом эти три будут находиться в разных местах. Практичные фотообъективы включают в себя больше линз. Дополнительные элементы позволяют разработчикам объектива уменьшить различные аберрации, но принцип работы остается прежним: пучки лучей собираются у входного зрачка и фокусируются от выходного зрачка вниз, на плоскость изображения.
Объектив фотоаппарата может состоять из нескольких элементов: от одного, как в менисковом объективе Box Brownie , до более 20 в более сложных зум-объективах. Эти элементы сами могут содержать группу линз, склеенных вместе.
Передний элемент имеет решающее значение для производительности всей сборки. Поверхность всех современных линз имеет покрытие, уменьшающее истирание, блики и отражательную способность поверхности , а также регулирующее цветовой баланс. Чтобы минимизировать аберрацию, кривизну обычно устанавливают так, чтобы угол падения и угол преломления были равны. С фикс-объективом это легко, но с зумом всегда есть компромисс.
Объектив обычно фокусируется путем регулировки расстояния от узла объектива до плоскости изображения или путем перемещения элементов узла объектива. Для повышения производительности некоторые объективы оснащены кулачковой системой, которая регулирует расстояние между группами по мере фокусировки объектива. Производители называют это по-разному: Nikon называет это CRC (коррекция ближнего расстояния); Canon называет это плавающей системой; а Хассельблад и Мамия называют это FLE (плавающая линза). [2]
Стекло является наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления элементов линз, благодаря его хорошим оптическим свойствам и устойчивости к царапинам. Также используются другие материалы, такие как кварцевое стекло , флюорит , [3] [4] [5] [6] пластмассы, такие как акрил (оргстекло), и даже германий и метеоритное стекло . [ нужна цитация ] Пластмассы позволяют производить сильно асферические элементы линз , которые трудно или невозможно изготовить из стекла, и которые упрощают или улучшают производство и характеристики линз. [ нужна ссылка ] Пластмассы не используются для изготовления внешних элементов всех линз, кроме самых дешевых, поскольку они легко царапаются. Литые пластиковые линзы уже много лет используются в самых дешевых одноразовых фотоаппаратах и приобрели плохую репутацию: производители качественной оптики склонны использовать такие эвфемизмы, как «оптическая смола». Однако многие современные, высокопроизводительные (и дорогие) объективы популярных производителей включают литые или гибридные асферические элементы, поэтому неверно, что все объективы с пластиковыми элементами имеют низкое фотографическое качество. [ нужна цитата ]
Таблица испытаний 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 фотообъективы 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, защищающее от ультрафиолета , который может испортить цвет. Большинство современных оптических клеев для склеивания стеклянных элементов также блокируют ультрафиолетовое излучение, что устраняет необходимость в УФ-фильтре. Однако это оставляет возможность для поражения линз грибком , если за линзами не ухаживают должным образом. Фотографам, работающим в УФ-диапазоне, приходится прикладывать все усилия, чтобы найти линзы без цемента и покрытий.
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 диафрагмы Уотерхауса до сих пор можно встретить на современных специализированных объективах. Затвор для регулирования времени, в течение которого может проходить свет, может быть встроен в блок объектива (для получения изображений более высокого качества), внутри камеры или даже, в редких случаях, перед объективом. В некоторых камерах с створоками в объективе диафрагма отсутствует, и затвор выполняет двойную функцию.
Двумя основными параметрами оптической линзы являются фокусное расстояние и максимальная диафрагма . Фокусное расстояние объектива определяет увеличение изображения, проецируемого на плоскость изображения, а апертура — интенсивность света этого изображения. Для данной фотографической системы фокусное расстояние определяет угол обзора : короткое фокусное расстояние дает более широкое поле зрения, чем объективы с большим фокусным расстоянием. Более широкая диафрагма, определяемая меньшим числом f, позволяет использовать более короткую выдержку для той же экспозиции. Уравнение камеры , или G#, представляет собой отношение излучения, достигающего датчика камеры, к излучению в фокальной плоскости объектива камеры. [8]
Максимальная полезная диафрагма объектива определяется как фокусное расстояние или число f , определяемое как фокусное расстояние объектива, деленное на эффективную диафрагму (или входной зрачок ), безразмерное число. Чем меньше число f, тем выше интенсивность света в фокальной плоскости. Большая диафрагма (меньшее число f) обеспечивает гораздо меньшую глубину резкости , чем меньшая диафрагма, при прочих равных условиях. Практические сборки объективов могут также содержать механизмы для измерения света, вторичные апертуры для уменьшения бликов [9] и механизмы, удерживающие диафрагму открытой до момента экспонирования, чтобы позволить зеркальным камерам фокусироваться на более ярком изображении с меньшей глубиной резкости. теоретически позволяющая повысить точность фокусировки.
Фокусное расстояние обычно указывается в миллиметрах (мм), но более старые объективы могут иметь маркировку в сантиметрах (см) или дюймах. Для данного размера пленки или сенсора, определяемого длиной диагонали, объектив можно классифицировать как:
Побочным эффектом использования объективов с разным фокусным расстоянием является разное расстояние, с которого можно кадрировать объект, что приводит к разной перспективе . Можно сделать фотографии человека, вытянувшего руку, с помощью широкоугольного, обычного объектива и телеобъектива, которые содержат изображение абсолютно одинакового размера за счет изменения расстояния до объекта. Но точка зрения будет другой. При широкоугольном положении руки будут чрезмерно большими по отношению к голове. По мере увеличения фокусного расстояния акцент на вытянутой руке уменьшается. Однако если изображения сделаны с одинакового расстояния, увеличены и обрезаны для получения одинакового изображения, изображения будут иметь одинаковую перспективу. Для портретной съемки часто рекомендуется использовать объектив с умеренным длиннофокусным фокусом (телеобъектив), поскольку считается, что перспектива, соответствующая большему расстоянию съемки, выглядит более лестно.
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 НАСА « Аполлон» по съемке обратной стороны Луны в 1966 году. Три из них линзы были приобретены кинорежиссером Стэнли Кубриком для съемок сцен в его фильме 1975 года «Барри Линдон» , используя свет свечей в качестве единственного источника света. [12] [13] [14]
Сложность объектива — количество элементов и степень их асферичности — зависит, помимо других переменных, от угла зрения, максимальной диафрагмы и предполагаемой цены. Чрезвычайно широкоугольный объектив с большой апертурой должен иметь очень сложную конструкцию, чтобы корректировать оптические аберрации, которые усиливаются на краю поля зрения и когда край большой линзы используется для формирования изображения. Длиннофокусный объектив с малой апертурой может иметь очень простую конструкцию для достижения сопоставимого качества изображения: часто бывает достаточно дублета (двух линз). Некоторые старые камеры были оснащены трансформируемыми объективами (нем. Satzobjektiv ) с нормальным фокусным расстоянием. Передний элемент можно было открутить, оставив линзу с удвоенным фокусным расстоянием, половиной угла обзора и половиной светосилы. Более простая полулинза имела достаточное качество для узкого угла зрения и небольшого относительного отверстия. Очевидно, сильфоны должны были удлиниться в два раза больше обычной длины.
Для объективов хорошего качества с максимальной диафрагмой не более f/2,8 и фиксированным нормальным фокусным расстоянием требуется как минимум три (триплет) или четыре элемента (торговое название « Тессар » происходит от греческого tessera , что означает «четыре»). Зумы с самым широким диапазоном часто имеют пятнадцать и более. Отражение света на каждой из множества границ раздела между различными оптическими средами (воздух, стекло, пластик) серьезно ухудшало контрастность и насыщенность цвета ранних объективов, особенно зум-объективов, особенно когда объектив освещался напрямую источником света. Внедрение много лет назад оптических покрытий и прогресс в технологии нанесения покрытий за прошедшие годы привели к серьезным улучшениям, и современные высококачественные зум-объективы дают изображения вполне приемлемого контраста, хотя зум-объективы со многими элементами будут пропускать меньше света, чем линзы. изготовлен с меньшим количеством элементов (все остальные факторы, такие как диафрагма, фокусное расстояние и покрытие, равны). [15]
Многие однообъективные зеркальные фотоаппараты и некоторые дальномерные фотоаппараты имеют съемные объективы. Некоторые другие типы также подходят, в частности, камеры Mamiya TLR и SLR, камеры среднего формата ( RZ67 , RB67 , 645-1000). Другие компании, производящие оборудование среднего формата, такие как Bronica, Hasselblad и Fuji, имеют аналогичные стили камер, которые допускают взаимозаменяемость в объективы, а также беззеркальные камеры со сменными объективами . Объективы крепятся к камере с помощью крепления объектива , которое содержит механические связи, а часто и электрические контакты между объективом и корпусом камеры.
Конструкция крепления объектива является важным вопросом совместимости камер и объективов. Не существует универсального стандарта для креплений объективов, и каждый крупный производитель фотоаппаратов обычно использует свою собственную запатентованную конструкцию, несовместимую с конструкциями других производителей. [16] Несколько старых конструкций крепления объектива с ручной фокусировкой, такие как крепление объектива Leica M39 для дальномеров, крепление объектива M42 для ранних зеркальных фотокамер и крепление Pentax K , встречаются у многих брендов, но сегодня это не распространено. Некоторые конструкции креплений, такие как крепление системы Olympus/Kodak Four Thirds для зеркальных фотокамер, также были переданы по лицензии другим производителям. [17] Большинство широкоформатных камер также оснащены сменными объективами, которые обычно устанавливаются на линзовой панели или на переднем стандарте.
Сегодня на рынке наиболее распространены сменные крепления для объективов, в том числе крепления для автофокусных объективов Canon EF , EF-S и EF-M . Другие включают крепления Nikon F с ручной и автофокусировкой, крепления Olympus / Kodak Four Thirds и Olympus/Panasonic Micro Four Thirds , предназначенные только для цифровых устройств, крепление Pentax K и варианты с автофокусировкой, крепление Sony Alpha (заимствованное из крепления Minolta ) и Sony Крепление E только для цифровых устройств.
Макрообъектив, используемый в макросъемке или фотографии «крупным планом» (не путать с композиционным термином « крупный план ») — это любой объектив, который создает изображение в фокальной плоскости (т. е. пленка или цифровой датчик), составляющее одну четверть от натурального размера (1:4) до того же размера (1:1), что и изображаемый объект. Не существует официального стандарта для определения макрообъектива, обычно это объектив с фиксированным фокусным расстоянием , но соотношение 1:1 обычно считается «настоящим» макрообъективом. Увеличение от натурального размера к большему называется «микро» фотографией (2:1, 3:1 и т. д.). Эта конфигурация обычно используется для изображения очень маленьких объектов крупным планом . Макрообъектив может иметь любое фокусное расстояние, фактическое фокусное расстояние определяется его практическим применением с учетом увеличения, требуемого коэффициента, доступа к объекту и условий освещенности. Это может быть специальная линза, оптически скорректированная для съемки крупным планом, или это может быть любая линза, модифицированная (с помощью адаптеров или прокладок, которые также известны как «удлинительные трубки»), чтобы переместить фокальную плоскость «вперед» для съемки с очень близкого расстояния. В зависимости от расстояния и диафрагмы камеры до объекта глубина резкости может быть очень узкой, что ограничивает линейную глубину области, которая будет в фокусе. Объективы обычно закрываются, чтобы обеспечить большую глубину резкости.
Некоторые объективы, называемые зум-объективами , имеют фокусное расстояние, которое меняется при перемещении внутренних элементов, обычно при вращении цилиндра или нажатии кнопки, которая активирует электродвигатель . Обычно объектив может изменять масштаб изображения от умеренно широкоугольного до обычного и до умеренного телеобъектива; или от нормального до экстремального телефото. Диапазон масштабирования ограничен производственными ограничениями; идеал объектива с большой максимальной диафрагмой, который позволяет масштабировать изображение от экстремально широкоугольного до экстремально телефото, недостижим. Зум-объективы широко используются в малоформатных фотоаппаратах всех типов: фотоаппаратах и кинокамерах с фиксированным или сменным объективом. Объем и цена ограничивают их использование для пленок большего размера. Моторизованные зум-объективы также могут иметь моторизованную фокусировку, диафрагму и другие функции.
Некоторые известные конструкции фотооптических линз:
