Объектив фотоаппарата, виды, параметры и применение

Что такое объектив фотоаппарата?

Функция фотографического объектива заключается в отображении света от более или менее удаленных объектов на некоторую плоскость изображения, где размещена фотопленка или электронный датчик изображения. 

В случаях с низкими требованиями к качеству объектив содержит только одну оптическую линзу. Но в большинстве случаев это многообъективная система, содержащая некоторое количество линз и одну или несколько оптических диафрагм. 

Даже многообъективные объективы часто называют фотографическими объективами. В некоторых случаях они также содержат зеркала.

---

Полезные статьи:

Что такое фотокамера. Виды, принцип работы

Что такое камера?

Все статьи

История изобретения

История изобретения объектива фотоаппарата — это увлекательный путь, полный инноваций и открытий. Вот краткое описание ключевых этапов:

Древние времена: Первые шаги к созданию объектива можно проследить до античности, когда философы, такие как Аристотель, описывали оптические явления. В 11 веке арабский учёный Ибн аль-Хайсам (Альхазен) исследовал свойства линз и света, что стало основой для дальнейших исследований.

16-17 века: С изобретением стеклянных линз в Европе началось создание первых простых оптических приборов, таких как зрительные трубы и телескопы. В 1600-х годах итальянский учёный Галилео Галилей усовершенствовал оптику, что положило начало более сложным оптическим системам.

19 век: В 1826 году француз Луи Дагер создал первый постоянный фотографический процесс — дагеротипию. Однако для этого ему понадобились более совершенные линзы. В это время началось массовое производство объективов, и появились такие пионеры, как Джозеф Нисефор Ньепс и Вильям Генри Фокс Тальбот, которые экспериментировали с различными типами оптики.

1850-е годы: Изобретение объектива с переменной диафрагмой и асферической линзы значительно улучшило качество изображений. В 1861 году был представлен первый цветной фотографический процесс.

20 век: С развитием технологий появились новые материалы и методы производства, что привело к созданию высококачественных объективов с улучшенной светосилой и минимальными искажениями. В 1930-х годах появились знаменитые объективы Leica и Zeiss, которые стали эталоном качества.

Современность: Сегодня объективы фотоаппаратов продолжают развиваться, включая технологии автофокуса, стабилизации изображения и использование цифровых технологий. Объективы стали важной частью не только профессиональной, но и любительской фотографии.

Таким образом, история изобретения объектива фотоаппарата — это история постоянного стремления к совершенству в области оптики и фотографии, которая продолжается и сегодня.

Виды объективов фотоаппарата

Простые камеры имеют встроенный объектив, который нельзя заменить (за исключением, возможно, ремонта). Обычно это стандартный объектив с полем зрения порядка 50 °. Камеры более высокого класса обычно имеют механические средства для использования различных моделей фотографических объективов.

Стандартные объективы

Стандартные объективы сделаны таким образом, что поле зрения составляет порядка 50 ° Аналогично полю зрения человеческого глаза (для просмотра в фиксированном направлении). Это означает, что фокусное расстояние аналогично размеру диагонали датчика изображения или пленки. Например, 40-мм, 50-мм или 55-мм объектив может использоваться в сочетании с полноразмерным датчиком изображения с разрешением 36 мм × 24 мм. 

Для цифровых камер с меньшими датчиками изображения требуются соответственно меньшие фокусные расстояния, например, 15 мм для формата Minox 11 мм × 8 мм. Как уже упоминалось выше, некоторые производители указывают “эффективное” фокусное расстояние, которое будет использоваться, если датчик изображения имеет полный стандартный размер.

Для портретной съемки часто предпочтительнее использовать объектив с несколько большим фокусным расстоянием, потому что это предварительно приводит к более приятной перспективе, а уменьшенная глубина резкости может быть полезна для красивого кадрирования лиц.

Макрообъективы

Макрообъективы оптимизированы для съемки довольно небольших объектов, таких как цветы, насекомые или миниатюрные детали. Они всегда будут иметь очень маленькое фокусное расстояние – прямо противоположное тому, что используется для съемки на большие расстояния. Вместо этого часто используется значительное фокусное расстояние, составляющее по меньшей мере несколько десятков миллиметров.

Отличие от стандартных и длиннофокусных объективов заключается в том, что макрообъективы используются с большим расстоянием между объективами и плоскостью изображения и оптимизированы для обработки относительно расходящегося света, исходящего от небольших объектов. В то время как телеобъектив должен обрабатывать только почти параллельный свет.

Иногда используется простая удлинительная трубка, не содержащая оптики или с одним объективом, который устанавливается между корпусом камеры и стандартным объективом. Это позволяет фокусироваться на более близких расстояниях, разрешая более мелкие объекты с большим увеличением, если приемлемо относительно небольшое рабочее расстояние. 

Однако производительность стандартного объектива может быть не идеальной в таких условиях, поскольку его компенсация не оптимизирована для этого режима работы. Существуют также устройства с крупным планом, которые могут быть установлены спереди стандартного объектива, что также позволяет фокусироваться на более коротких расстояниях.

Другой вариант - использовать стандартный объектив в обратном направлении в сочетании с дополнительным, имеющим большее фокусное расстояние. Переворачивание стандартного объектива имеет смысл, поскольку оно оптимизировано для большего расхождения на той стороне, которая обычно является стороной изображения.

Широкоугольные объективы

Это устройство с угловым полем зрения не менее 55°. Может быть полезно, когда нужно захватить больше сцены, и невозможно просто использовать большее расстояние наблюдения. Например, для съемки в помещениях, как это делают архитекторы.

Должен иметь не только короткое фокусное расстояние, но и должен быть оптимизирован для съемки изображений под широким углом, избегая чрезмерных искажений изображения. Чем больше поле зрения, тем сложнее становится удовлетворить это. В крайних случаях при углах обзора порядка 180 ° так называемые объективы "рыбий глаз" приводят к значительным геометрическим искажениям изображения.

Длиннофокусные и телеобъективы 

Для съемки удаленных объектов, часто предпочитают с уменьшенным полем зрения. Достигается большее увеличение: заданное количество пикселей датчика изображения соответствует меньшей площади объекта, сцена, т.е. должны иметь большое фокусное расстояние. Поэтому такие объективы называются длиннофокусными объективами, при этом поле зрения составляет около 20 ° или меньше.

Например, для стандартного формата сенсора 36 мм × 24 мм поле зрения 10 °, рассчитанное для диагонали изображения, требует объектива с фокусным расстоянием 123 мм. Даже для гораздо меньших значений поля зрения становится крайне желательным, чтобы физическая длина прибора была существенно меньше его фокусного расстояния. 

На основе такого подхода к проектированию могут быть изготовлены даже супертелеобъективы с полем зрения всего в несколько градусов, в крайних случаях даже менее 1 °. Некоторые конструкции основаны на изогнутых зеркалах в дополнение к линзам. Зеркала позволяют сгибать траекторию луча. Несмотря на такие методы, телеобъективы обычно длиннее стандартных объективов.

Дифракция становится важной для приборов с узким полем зрения, где угловое разрешение должно быть довольно высоким. Поэтому для длиннофокусных объективов требуются относительно большие диаметры диафрагмы. К счастью, этого нетрудно достичь для приборов, работающих только с узким угловым диапазоном.

Высокое угловое разрешение также подразумевает, что камера должна быть очень стабильной во время экспозиции. Часто требуется правильно установить камеру, чтобы она оставалась стабильной, например, на штативе.

Масштабирование

Некоторые объективы работают с фиксированным фокусным расстоянием. Также существуют приборы, в которых можно регулировать в определенном диапазоне, обычно путем ручного поворота некоторой части объектива. 

В идеале конструкция выполнена таким образом, чтобы изменение фокусного расстояния не влияло на настройку фокусировки (зум-объектив). Функции масштабирования доступны для различных типов объективов, таких как стандартные, телеобъективы или широкоугольные.

Для масштабирования требуются механические движения оптических деталей с точной механикой. Для изменения фокусного расстояния при сохранении неизменного положения плоскости изображения обычно требуется выполнить два разных движения, которые должны быть точно синхронизированы.

Существуют также конструкции, в которых требуется перемещать только один объектив или фиксированную группу объективов. В этом случае фокусировка может быть не идеальной во всем диапазоне. В частности, если система автофокусировки может исправить эту проблему, на практике это может быть не актуально. Функция масштабирования вводит дополнительные ограничения, затрудняя достижение наивысшего качества изображения.

Помимо сохранения фокуса, задачей проектирования является получение оптимальной компенсации различных видов аберраций для всех настроек масштабирования. Это влечет за собой некоторые неизбежные компромиссы, которые приводят к особенно заметному ухудшению качества луча для недорогих объективов с большим диапазоном увеличения.

Технические параметры

Для правильного выбора и использования фотографического объектива требуется значительный опыт, который в значительной степени включает аспекты оптики. В следующих разделах объясняется важность различных ключевых параметров и типичных компромиссов, связанных с проектированием объективов.

Фокусное расстояние

Принципиально важным параметром является фокусное расстояние объектива. К сожалению, в этой области существует значительная путаница из-за разных определений фокусного расстояния. 

Если бы объектив состоял просто из одного объектива, определение фокусного расстояния было бы очевидным и не двусмысленным. Однако объективы обычно представляют собой многоэлементные системы линз. Как следует определять фокусное расстояние, и различные величины могут иметь значение для приложений.

Общим определением фокусного расстояния расширенной системы является расстояние между фокальной плоскостью и главной плоскостью. Это определение наиболее подходит для расчетов, но положения главных плоскостей часто не известны пользователю. Поэтому заднее фокусное расстояние иногда определяется как расстояние между выходным положением объектива и плоскостью изображения для коллимированного света на входе. Однако эта величина не полностью описывает оптическую функцию. 

Дальнейшая путаница может возникнуть из-за того, что некоторые производители (в частности цифровых камер) решили указать эффективное фокусное расстояние, которое больше фактического фокусного расстояния. Поэтому поле зрения, достигаемое с меньшим датчиком изображения, аналогично таковому у обычной фотокамеры с большим датчиком или пленкой. Имеется в виду фактическое фокусное расстояние или увеличенное эффективное значение.

Поле зрения

Поле зрения в радианах - это приблизительно диаметр сенсора, деленный на фокусное расстояние; для получения значения в градусах нужно умножить на 180 ° / π. Для широкоугольных камер нужно использовать более точную формулу:

где w - ширина сенсора (или диагональ).

Диапазон расстояний и глубина резкости

Идеальная фокусировка изображений возможна только для одного конкретного расстояния до объекта, которое обычно устанавливается с помощью точной регулировки расстояния между оптикой объектива и датчиком изображения. По сути, все фотографические объективы имеют регулировку фокусировки, которая должна выполняться вручную или автоматически (автофокусировка). Функции автофокусировки могут быть интегрированы в объективы, которые затем требуют дополнительного электрического подключения к корпусу камеры. К сожалению, этот аспект может ограничить совместимость устройств.

Для конкретной настройки фокусировки существует диапазон расстояний, на которых фокусировка не идеальна, но все же достаточно хороша. Например, при этом качество изображения все еще ограничено другими аспектами, такими как разрешение сенсора. Или удовлетворительно для некоторых приложений. Ширина этого диапазона называется глубиной резкости. Не следует путать с глубиной фокусировки, которая соответствует качеству стороны изображения, определяющей допуск на позиционирование датчика изображения.

Глубина резкости - это не просто качество объектива, но зависит от различных факторов, таких как фокусное расстояние, расстояние фокусировки и размер диафрагмы. Небольшие значения глубины резкости являются результатом использования объектива с большим фокусным расстоянием и широко открытой диафрагмой (малое f-число).

Существует нижний предел расстояния, на которое может быть сфокусирован объектив. Этот предел, по сути, определяется доступной диоптрийной мощностью. Для более коротких расстояний требуются более высокие диоптрийные мощности (меньшие фокусные расстояния). Однако проблема коррекции изображения для расходящегося света, исходящего от близкого объекта, также может играть роль.

Обычно нет верхнего предела расстояния. Большинство объективов могут быть “сфокусированы до бесконечности”, то есть на очень удаленных объектах. Гиперфокальное расстояние определяется как расстояние, за пределами которого достигается приемлемая фокусировка для всех объектов без дополнительной регулировки фокуса; это приводит к максимально возможной глубине резкости.

Как правильно выбрать объектив фотоаппарата?

Обсуждение множества важных параметров для функционирования фотографического объектива, вероятно, дало понять, что проектирование таких оптических приборов является очень сложной задачей. Существует большое количество целей проектирования, и многие изменения дизайна могут повлиять на все из них. 

Поэтому после изобретения первых фотокамер потребовались десятилетия для разработки улучшенных типов объективов, обеспечивающих существенно улучшенные характеристики. Хотя уже достигнут очень высокий уровень, это развитие все еще продолжается.

Новые разработки выигрывают от еще более усовершенствованных методов проектирования, реализованных с помощью программного обеспечения для проектирования передовой оптики, а также от наличия улучшенного оборудования. 

Например, методы изготовления асферической оптики были улучшены, так что теперь они более широко используются для фотографических объективов. С их помощью часто можно достичь высокой производительности при значительно меньшем количестве оптических компонентов. Другим важным достижением является пластиковая оптика, которая в настоящее время также широко используется – частично в сочетании с обычными стеклянными линзами.

Установка объективов и дополнительной оптики

Используемые механизмы крепления объективов частично позволяют использовать объективы других производителей. Например, существуют C-образные крепления для сенсоров размером до 1,2 дюйма и более крупные крепления типа F или M42. Также есть адаптеры.

Такая совместимость может быть весьма желательна при переходе на новую модель камеры другого производителя, пытаясь по-прежнему использовать дорогие старые объективы. Трудности с совместимостью могут возникнуть, особенно когда также необходимы электрические соединения, например, для функций автофокусировки. 

Обратите внимание, что полная совместимость также включает в себя оптимальную оптическую функциональность, которая может быть недоступна при отклонении одних и тех же оптических параметров. Например, объектив может плохо работать в сочетании с датчиком изображения большего размера.

Как упоминалось выше, для некоторых применений полезно иметь варианты комбинирования объективов с дополнительной оптикой, такой как удлинительные трубки и объективы крупным планом. Аналогичным образом, может потребоваться подключить оптические фильтры или поляризаторы.

Передача данных

Для определенных целей полезно, если объектив может взаимодействовать с микропроцессором в корпусе камеры. Некоторые примеры:

• Для управления временем экспозиции компьютер должен знать, какую диафрагму выбрал пользователь (замер с открытой диафрагмой).
• При использовании разных целей можно узнать, какая цель установлена в данный момент.
• Для управления автофокусировкой потребоваться дополнительная коммуникация.

К сожалению, такие аспекты могут сильно ограничить совместимость объективов с камерами разных производителей.

Применение

Объективы фотоаппаратов играют ключевую роль в фотографии и имеют множество применений. Вот некоторые из основных:

Портретная фотография: Специальные портретные объективы (например, с фокусным расстоянием 50-85 мм) создают красивое размытие фона (боке), выделяя объект и придавая снимкам художественный вид.

Пейзажная фотография: Широкоугольные объективы позволяют захватывать обширные сцены, делая пейзажи более выразительными и впечатляющими. Они идеальны для съемки природы, городских видов и архитектуры.

Макрофотография: Макрообъективы предназначены для съемки мелких объектов, таких как цветы, насекомые или детали предметов. Они позволяют запечатлеть текстуры и детали, которые не видны невооруженным глазом.

Спортивная и дикая природа: Длиннофокусные объективы (телевики) позволяют фотографам делать снимки удаленных объектов, таких как спортсмены на соревнованиях или дикие животные в их естественной среде обитания.

Съемка мероприятий: Универсальные объективы с переменным фокусным расстоянием (зум-объективы) удобны для съемки на мероприятиях, таких как свадьбы или концерты, так как они позволяют быстро менять кадрирование без необходимости менять объектив.

Архитектурная фотография: Специальные объективы с корректировкой перспективы (Tilt-Shift) помогают избежать искажений, которые часто возникают при съемке зданий и других архитектурных объектов.

Видеосъемка: Многие объективы также используются для видеосъемки, где важны плавные переходы фокуса и хорошее качество изображения.

Научные и медицинские исследования: Объективы применяются в микроскопах и других научных инструментах для изучения мелких объектов и процессов.

Таким образом, объективы фотоаппаратов являются незаменимым инструментом в различных областях, от искусства до науки, и позволяют создавать удивительные изображения и визуальные истории.