Фотографические объективы

Объективы характеризуются фокусным расстоянием, относительным отверстием, глубиной резкости, углами поля зрения и изображения, разрешающей способностью и аберрациями.

 

Фокусное расстояние определяют на специальном приборе – «оптической скамье».

 

Относительное отверстие характеризует количество света, которое может проходить через объектив, или способность объектива передавать изображение на фотопленку с определенной степенью яркости. Величина относительного отверстия зависит от диаметра d входного зрачка (действующего отверстия) объектива и его фокусного расстояния :

(2)

Например, при и f¢=8 см относительное отверстие равно отношению 1:2.

Способность объектива давать изображение большей или меньшей яркости (создавать большую или меньшую освещенность светочувствительного слоя) называется светосилой. Светосила объектива определяется из выражения:

(3)

При сравнении светосилы объективов необходимо сопоставлять не относительные отверстия, а их квадраты.

Величина относительного отверстия объектива устанавливается с помощью диафрагмы, которая состоит из тонких серповидных металлических лепестков. При вращении специального кольца или рычажка, имеющегося на оправе объектива, лепестки уменьшают или увеличивают входное отверстие объектива. Указатель установки диафрагмы, нанесенный на кольце или рычажке, передвигается вдоль шкалы диафрагмы. Деления шкалы градуируются так, чтобы каждое из них требовало увеличения или уменьшения выдержки вдвое по сравнению с предыдущим, например 4, 5.6, 8, 11 и т.д.

 

Глубина резкости (глубина изображения) – способность объектива передавать одинаково резко изображения предметов, находящихся на различных от него расстояниях. Глубина резкости тем больше, чем меньше фокусное расстояние, больше расстояние от объектива до снимаемого предмета и чем меньше относительное отверстие.

 

Если навести фотокамеру, в которой установлен объектив с малым фокусным расстоянием, например, 8-10 мм на удаленный предмет, то на матовом стекле получится изображение круга с различной резкостью и яркостью – поле зрения объектива. В его центральной части (поле изображения) изображение имеет наибольшую резкость с равномерным распределением освещения. Далее резкость и яркость изображения уменьшается и на некотором расстоянии от центра круга совершенно исчезает.

Угол, образованный лучами, соединяющими противоположные по диаметру точки окружности поля зрения и заднюю узловую точку объектива – это угол поля зрения (угол зрения), зависящий от конструкции объектива. Величина поля изображения определяет формат кадра фотокамеры и, соответственно, формат снимка, который не должен превышать прямоугольника, вписанного в поле изображения. У конструкций современных объективов поле изображения весьма близко к полю зрения.

Угол изображения связан с фокусным расстоянием и диагональю кадра соотношением:

(4)

где l_x и l_y – размеры сторон снимка, вписываемого в поле изображения.

В зависимости от величины угла изображения различают объективы узкоугольные (2b < 45°), нормальноугольные (45 – 75°), широкоугольные (75 – 100°) и сверхширокоугольные (более 100°).

Изменение освещенности в поле зрения при равномерном освещении объекта может быть приближенно охарактеризовано уравнением:

,

(5)

где Е₀ - освещенность в центре поля зрения; b - угол между направлением луча и главной оптической осью.

Снижение освещенности идет от центра к краям. В нормальноугольных объективах снижение освещенности мало заметно, в сверхширокоуголъных – оно значительно. Для получения равномерной освещенности перед объективом устанавливают оттенитель – нейтральный светофильтр с постепенно изменяющейся оптической плотностью, который пропускает меньше света в центре и больше к краям.

 

Разрешающая способность объектива характеризует его возможность воспроизводить раздельно в оптическом изображении мелкие объекты. Она выражается самым большим числом линий на 1 мм, раздельно передаваемых объективом, причём ширина линий и промежутки между ними должна быть одинаковы. В оптике указывается общее число черных и белых штрихов, а в аэрофотографии – число пар штрихов. В паспортах объективов записывают величину разрешающей способности, полученную путем фотографирования специальной миры, содержащей группы черных и белых штрихов, причем в каждой группе ширина тех и других линий постоянна. В этом случае получают разрешающую способность системы (объектив + светочувствительный слой), однако ее можно принять за разрешающую способность объектива, так как она в 3–4 раза меньше разрешающей способности используемого при фотографировании миры светочувствительного материала.

Разрешающая способность оптической системы современных отечественных топографических аэрофотоаппаратов в центре кадра составляют 30 – 40 лин/мм (мм^-1), на краю кадра – 10 – 15 мм^-1. Разрешающая способность является важной характеристикой, однако, она недостаточна для полной оценки качества изображения. Для восприятия фотографического изображения большое значение имеет контраст объектов. Способности фотографической системы передавать контрасты объектов в зависимости от их размеров на снимке оценивается контрастно-частотными характеристиками (КЧХ) – это функция, которая характеризует зависимость между частотой штрихов и контрастом их изображения. Для определения КЧХ обычно используют миры с синусоидальным распределением плотности и специальные оптические скамьи, позволяющие построить графики КЧХ системы для различных участков поля зрения. По графикам определяется разрешающая способность как предельное значение частоты, при которой еще различаются отдельные штрихи.

 

Каждому объективу присущи оптические недостатки: сферическая аберрация, кома, хроматическая аберрация, дисторсия, астигматизм, кривизна поля зрения. В зависимости от того, в какой степени устранены в них различные искажения (аберрация), объективы делятся на перископы, апланаты и анастигматы.

Перископ представляет собой объектив, составленный из двух простых линз с диафрагмой между ними. Он принадлежит к числу объективов с большими остаточными аберрациями. Для получения резкого изображения перископы требуют значительного диафрагмирования. Апланат является более качественным объективом. Основным его недостатком является астигматизм и кривизна поля изображения, вследствие чего снимки при полном отверстии объектива получаются резкими только в центральной части. Анастигмат является самым совершенным типом объективов, практически свободным от всех оптических недостатков. Он состоит из комбинации линз различных по форме и составу стекла и при полном отверстии дает изображение, резкое по всей площади снимка. Они и получили наиболее широкое применение. Объективы, в которых дисторсия сведена к минимуму, называются ортоскопическими. Такие объективы правильно передают геометрические формы изображаемых ими предметов. Эти качества позволили использовать их в аэрофототопографических, наземных и репродукционных камерах.