3 марта 2013 г. Фотографический объектив и образование изображения

Объектив фотоаппарата является самой важной его частью. При помощи объектива на светочувствительном материале образуется изображение снимаемых предметов. Масштаб этого изображения и четкость его зависят от свойств и качеств объектива.

Фотообъектив представляет собой собирательную центрированную оптическую систему, т.е. такую систему, в которой центры всех составляющих ее линз лежат на одной прямой линии и которая преломляет падающие на нее лучи в направлении к центру, т.е. «собирает» их. Воображаемая прямая линия, соединяющая центры линз объектива, называется оптической осью объектива.

В принципе объектив работает, как обыкновенная положительная линза.

Образование изображения при помощи объектива показано схематически на рис. 1.

Рис. 1. Образование изображения объективом.

Каждая точка освещенного предмета АВ отбрасывает во все стороны световые лучи. Часть этих лучей в виде расходящихся конусообразных пучков попадает на переднюю поверхность объектива (или линзы). Каждый такой пучок, преломившись, оказывается внутри фотоаппарата пучком сходящимся. В точке схождения образуется изображение той точки, из которой эти лучи исходят. Изображения всех отдельных точек предмета в совокупности и составляют изображение предмета в целом.

Из рисунка ясно и то, почему изображение получается перевернутым.

Место и размер изображения зависят от преломляющей способности линзы, т.е. от того, насколько сильно отклоняет линза падающие на нее лучи от их первоначального направления. Чем больше будет преломляющая способность линзы, тем ближе к линзе расположатся вершины пучков A1 и В1, тем меньше будет расстояние между ними и, следовательно, изображение предмета будет тем ближе к линзе и мельче.

Преломляющая способность линзы в свою очередь зависит от двух факторов:

1) от кривизны поверхностей линзы;

2) от преломляющей способности стекла, из которого сделана линза.

Место изображения и его размер зависят также и от удаленности предмета.

Если предмет АВ постепенно удалять от объектива, то его изображение А1В1 будет приближаться к объективу и уменьшаться в размере. Плоскость предмета АВ и плоскость изображения А1В1 называются сопряжёнными плоскостями, так как каждому положению АВ соответствует вполне определенное положение А1В1. Вначале изменение места и размера изображения происходит быстро, затем все медленнее и медленнее, в конце концов изображение займет некоторое постоянное положение и больше приближаться к объективу не будет. Плоскость изображения в этом случае называется фокальной плоскостью, а точка пересечения этой плоскости с оптической осью — точкой фокуса объектива.

На рис. 2 показан ход лучей в этом случае. Вместо предмета АВ мы взяли объект CD, который во много раз больше чем АВ. Сам объект CD на рисунке не показан, так как он находится очень далеко (как говорят, в бесконечности), а соответствующими буквами обозначены пучки лучей, исходящие от его крайних точек. Буквой F обозначен пучок лучей, исходящий от точки объекта, лежащей на оптической оси объектива. (Пучки лучей, исходящие из бесконечно удаленных точек, можно считать пучками параллельными.)

Рис. 2. Образование изображения предмета, лежащего в бесконечности, D1C1 — фокальная плоскость, F1 — точка фокуса.

Положение фокальной плоскости и точки фокуса для каждого объектива строго постоянное. Расстояние от центральной точки последней поверхности задней линзы объектива до точки фокуса называется задним отрезком объектива. Величина заднего отрезка зависит от конструкции объектива. Для оптической характеристики объектива, т.е. для характеристики его преломляющей способности, пользуются не величиной заднего отрезка, а величиной фокусного расстояния.

Фокусное расстояние отсчитывается также по оптической оси до точки фокуса, но не от задней линзы, а от некоторой воображаемой точки, положение которой тоже строго постоянное в каждом объективе (хотя она и воображаемая). Эта точка называется задней главной точкой объектива (рис. 3).

Рис. 3. Фокусное расстояние и задний отрезок объектива.

На рисунке 3: F1 — точка фокуса, H1 — задняя главная точка, — задний отрезок объектива, f — фокусное расстояние объектива.

Фокусное расстояние объектива зависит исключительно от его преломляющей способности, т.е. от его оптической силы: чем больше оптическая сила объектива, тем короче его фокусное расстояние, и наоборот. Зависимости же между фокусным расстоянием и задним отрезком объектива нет (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость фокусного расстояния от оптической силы объектива.

На рисунке 4: А — эти объективы имеют одинаковую оптическую силу (т.е. дают изображения, одинаковые по масштабу); фокусные расстояния объективов одинаковы, хотя задние отрезки их различны; Б — эти объективы имеют разную оптическую силу (т.е. дают изображения, разные по масштабу); фокусные расстояния объективов различны, хотя задние отрезки их одинаковы.

Оптическая сила обычно исчисляется в диоптриях, хотя можно ее характеризовать и непосредственно величиной фокусного расстояния.

За единицу принимается оптическая сила линзы, имеющей фокусное расстояние равное 1 м. Например, если объектив имеет фокусное расстояние 50 мм., то оптическая сила его равна 1000 мм. : 50 мм. = 20 диоптриям. (Фокусное расстояние в 20 раз меньше метра, следовательно, оптическая сила в 20 раз больше чем 1 диоптрия.)

Теперь вернемся к рис. 1 и представим себе, что предмет АВ постепенно приближается к объективу. Его изображение А1В1 при этом непрерывно увеличивается в своем размере и удаляется от объектива. Это изменение происходит все быстрее и быстрее. Пучки лучей, посылаемые точками предмета в объектив, становятся все шире (угол MAN и угол MBN непрерывно увеличиваются), и наконец наступит такой момент, когда оптическая сила объектива окажется недостаточной, чтобы свести лучи пучков после преломления в точки, а следовательно, изображение предмета не образуется (рис. 5).

Рис. 5. Предмет находится в фокальной плоскости, изображение не образуется.

Невозможность получить изображение предмета наступает в тот момент, когда предмет достигнет некоторой определенной плоскости, называемой передней фокальной плоскостью. Положение этой плоскости в каждом объективе также постоянно. Точка пересечения передней фокальной плоскости с оптической осью объектива называется точкой переднего фокуса объектива. Если от точки переднего фокуса отложить по оптической оси в направлении к объективу величину фокусного расстояния, то будет найдена передняя главная точка объектива (которая так же, как и задняя главная точка, является воображаемой).

Воображаемые плоскости, проходящие через переднюю и заднюю главные точки перпендикулярно оптической оси, называются главными плоскостями объектива. На рис. 6 показаны постоянные точки и плоскости объектива.

Рис. 6. Постоянные точки и плоскости объектива.

Расположение постоянных точек и плоскостей объектива бывает и иным, чем то, что показано на рис. 6. Так, например, в телеобъективах главные плоскости оказываются вынесенными вперед, в сторону предметов (рис. 7), вследствие чего фокусное расстояние объектива больше его заднего отрезка.

Рис. 7. Главные плоскости объектива вынесены вперед.

В некоторых объективах, наоборот, главные плоскости вынесены назад, в сторону изображения (рис. 8), вследствие чего задний отрезок получается больше фокусного расстояния объектива.

Рис. 8. Главные плоскости объектива вынесены вперед.

Такая конструкция применяется иногда в короткофокусных объективах для зеркальных камер, так как при нормальном расположении главных плоскостей задний отрезок оказался бы настолько коротким, что в пространстве между объективом и светочувствительным слоем уложить механизм было бы трудно.

Наконец, в некоторых сложных объективах главные плоскости перемещены (рис. 9).

Рис. 9. Главные плоскости объектива перемещены.

Такая конструкция объектива позволяет уменьшить размеры аппарата, не уменьшая при этом фокусного расстояния объектива. Так, например, в известном фотообъективе «Юпитер-9», имеющем подобную конструкцию, при фокусном расстоянии 85 мм. и длине объектива 55 мм. задний отрезок равен 40,6 мм. (этот объектив с приблизительным сохранением соотношения размеров изображен на рис. 9). Однако, как и всегда, фокусные расстояния (переднее и заднее) равны между собой и отсчитываются каждое от своей главной плоскости. Расстояния до предмета и до изображения также отсчитываются каждое от своей плоскости. Расстояния от соответствующих главных плоскостей объектива до сопряженных плоскостей (предмета и изображения) и фокусное расстояние данного объектива взаимосвязаны между собой следующей зависимостью, называемой основной формулой линзы (рис. 10).

Рис. 10. К основной формуле линзы

где а — расстояние от передней главной плоскости до плоскости предмета, b — расстояние от задней главной плоскости до сопряженной плоскости изображения, f — фокусное расстояние объектива.