Объектив

Объектив, обращенная к объекту часть оптической системы или самостоятельная оптическая система, формирующая действительное изображение оптическое объекта. Это изображение либо рассматривают визуально в окуляр, либо получают на плоской (реже искривленной) поверхности (фотографического светочувствительного слоя, фотокатода передающей телевизионной трубки или электронно-оптического преобразователя, матового стекла или экрана). Конструктивно объективы могут быть разделены на три класса: наиболее распространенные линзовые (рефракторы, диоптрические); зеркальные (рефлекторы, катоптрические); зеркально-линзовые (катадиоптрические; подробно о них см. в ст. Зеркально-линзовые системы). По назначению объективы делятся: на объективы зрительных труб и телескопов, которые дают уменьшенное изображение; объективы микроскопов - увеличенное изображение; фотографические и проекционные объективы, дающие в зависимости от конструкции и способа применения уменьшенное или увеличенное изображение.

Важнейшими оптическими характеристиками объективов являются: фокусное расстояние (см. Кардинальные точки оптической системы, Фокус в оптике), которое при заданном удалении объекта от объектива определяет увеличение оптическое объектива; диаметр входного зрачка объектива (см. Диафрагма в оптике); относительное отверстие и выражающаяся через него светосила объектива; поле зрения объектива. Качество формируемого объективом изображения характеризуют: разрешающая способность объектива, коэффициент передачи контраста, коэффициенты интегрального и спектрального пропускания света, коэффициент светорассеяния в объективе, падение освещенности по полю изображения.

Объективы зрительных труб и телескопов. Расстояние до объектов, изображаемых такими объективами, предполагается очень (практически бесконечно) большим. Поэтому объекты характеризуют не линейными, а угловыми размерами. Соответственно, характеристиками объективов данной группы служат угловое увеличение γ, угловая разрешающая способность α и угол поля зрения 2ω = 2ω'/γ, где 2ω' - угол поля зрения следующей за объективом части оптической системы (обычно окуляра). В свою очередь, γ = f₁/f₂, где f₁- фокусное расстояние объектива, f₂ - переднее фокусное расстояние последующей части системы. Разрешающая способность объектива в угловых секундах определяется по формуле α" = 120"/D, где D - выраженный в мм диаметр входного зрачка объектива (чаще всего им является оправа объектива). Освещенность изображения (светосила объектива) пропорциональна квадрату относительного отверстия (D/f₁)².

Объективы измерительных и наблюдательных зрительных труб и геодезических приборов имеют входные зрачки диаметром несколько сантиметров. Малость поля зрения (не более 10-15°, обычно меньше) большинства зрительных труб позволяет использовать объективы сравнительно простых конструкций: линзовые объективы состоят, как правило, из двух склеенных линз и исправлены лишь в отношении сферической аберрации и хроматической аберрации. Менее употребительны объективы из трех и более линз, в которых исправлены также кома и некоторые другие аберрации оптических систем. К 70-м гг. 20 века в геодезических приборах начали использоваться менисковые системы Максутова. Относительные отверстия объективов наблюдательных труб и геодезических приборов варьируют в широких пределах (примерно от 1:20 до 1:5).

Диаметры линзовых и зеркально-линзовых объективов телескопов ~0,5-1 м (максимальный D = 1,4 м). В рефракторах используются двухлинзовые объективы (также с исправлением лишь сферической и хроматической аберраций). В астрографах, предназначенных для фотографирования звездного неба, - трех- и четырехлинзовые объективы; в них, как правило, исправляются все аберрации, за исключением кривизны поля. Угол поля зрения объективов астрографов достигает 6°; у двухлинзовых объективов рефракторов он обычно тем меньше, чем больше их диаметр, составляя у самых больших менее 1°. Относительные отверстия больших рефракторов ~ 1 : 20 - 1:10, у астрографов они больше, доходя до 1:1,4 - 1:1,2. В Шмидта телескопах и менисковых системах Максутова поле зрения достигает 5° при относительном отверстии около 1:3. Наибольший объектив зеркального телескопа имеет D = 5 м (рефлектор с параболическим зеркалом в обсерватории им. Хейла на г. Маунт-Паломар, США); в СССР строится рефлектор с параболическим зеркалом диаметром около 6 м. Поле зрения таких объективов не превышает несколько угловых минут; у объективов телескопов, построенных по схеме Ричи - Кретъена системы рефлектора с гиперболическим главным зеркалом - до 1°. Аберрации подобных объективов (кроме хроматической и сферической) значительны и исправляются введением дополнительных (коррекционных) линз и зеркал, так называемых компенсаторов. Объективы современных крупных рефлекторов позволяют осуществлять смену вспомогательных зеркал, обеспечивая возможность работы при относительных отверстиях около 1:4, 1:10, 1:30.

К астрономическим объективам относятся также объективы, применяемые в системах наблюдения за искусственными спутниками Земли (т. н. спутниковых камерах) и для фотографирования тел, движущихся в верхних слоях атмосферы (например, метеоров). По своим характеристикам они близки, с одной стороны, к объективам астрографов, с другой стороны - к некоторым типам фотографических объективов. В них исправляются все аберрации, за исключением кривизны поля, угол поля зрения может достигать 30°, относит, отверстия обычно велики (до 1:1,2). Типичным примером может служить объектив "Астродар" спутниковой камеры, построенной по системе Максутова, отличающийся тем, что все его преломляющие и отражающие поверхности сферичны и при этом концентричны. Эффективный диаметр этого объектива - 50 см, f ~ 70 см (следовательно, относит, отверстие 1:1,4); поле зрения составляет 5° X 30°.

Фотографические объективы (к ним относятся и объективы, применяемые при киносъемке и репродуцировании) отличаются от объективов предыдущей группы тем, что изображения, даваемые ими, должны быть резкими до края фотопленки (или иного приемника), размеры которой могут быть сравнительно велики. Поэтому угол поля зрения резкого изображения у таких объективов значительно больше, чем у объективов зрительных труб - свыше 50°. Чтобы добиться резкости и высокого контраста неискаженного плоского изображения при больших углах поля зрения, необходимо тщательно исправлять все основные аберрации (сферическую, хроматическую, кому, астигматизм, дисторсию, кривизну поля), а в ряде случаев - и наиболее существенные аберрации высшего порядка. Это приводит к значительному усложнению конструкции, тем большему, чем больше относит, отверстие и угол поля зрения [число линз и зеркал увеличивается и (или) их форма усложняется]. На рис. 1 изображено несколько схем наиболее известных линзовых фотообъективов. Объективы, построенные по одной оптической схеме, могут иметь различные оптические характеристики (фокусное расстояние, относит, отверстие, угол поля зрения) и применяться для различных целей.

По назначению фотографические объективы разделяют на объективы, применяемые в любительской и профессиональной фотографии и кинематографии, репродукционные, телевизионные, аэрофотосъемочные, флюорографические, астрографические и другие, а также объективы для невидимых областей спектра - инфракрасной и ультрафиолетовой. Среди объективов одного и того же назначения различают нормальные, или универсальные, светосильные, широкоугольные и длиннофокусные, или телеобъективы. Наиболее широко используются нормальные (универсальные) объективы. Это, как правило, анастигматы, обеспечивающие резкое плоское изображение при умеренно больших относит, отверстии и поле зрения. Их фокусные расстояния ~40-150 мм, относительные отверстия - 1:1,8 - 1:4, угол поля зрения в среднем около 50°. Светосильные объективы с относительными отверстиями от 1:1,8 до 1:0,9 (в некоторых конструкциях, в частности в зеркально-линзовых - до 1:0,8) используют для фотографирования в условиях пониженной освещенности; их поле зрения обычно меньше, чем у универсальных. Широкоугольные объективы обладают углом поля зрения, превышающим 60° и доходящим у некоторых из них до 180° (например, показанный на рис. 1 объектив Гилля имеет поле зрения 180° при относительном отверстии 1:22). Особенно важную роль такие объективы играют в аэрофотосъемке. Фокусные расстояния широкоугольных объективов обычно в пределах от 100 до 500 мм; их относит, отверстия характеризуются средними и малыми значениями (1:5,6 и ниже). В них трудно исправлять такие аберрации, как дисторсия, кривизна поля и астигматизм. Объективы с исправленной дисторсией называются ортоскопическими. У объективов с углом поля зрения, приближающимся к 180° (от около 120° до 180°), дисторсию не исправляют (она отчасти может быть исправлена при печатании снимков специальных объективов). Для формируемых этими (т. н. дисторсирующими) объективами изображений характерны значит, перспективные искажения. Такие объективы применяются, например, для создания особых композиций при фотосъемке архитектурных ансамблей и ландшафтов. Чем больше поле зрения, тем более резко к его краю падает освещенность изображения (пропорционально косинусу четвертой степени от половины угла поля зрения). В объективах для любительской и профессиональной фотографии неравномерность освещенности корригируется при расчете аберраций объективов; у других типов фотообъективов освещенность выравнивается с помощью специальных фильтров.

Рис. 1. Линзовые фотографические объективы

К длиннофокусным относятся объективы, фокусное расстояние которых превышает трехкратную величину линейного поля зрения (для большей части фотографических объективов это 100-2000 мм). Длиннофокусные объективы применяются для съемки удаленных объектов в крупном масштабе; их поле зрения обычно менее 30°, а относит, отверстие не превышает 1 : 4,5 - 1 : 5,6.

Одинаково хорошее исправление всех аберраций фотографических объективов представляет собой чрезвычайно трудную задачу, особенно у светосильных, широкоугольных и специальных объективов. Поэтому находят компромиссные решения, меняя требования к исправлению аберраций в зависимости от назначения объектива: например, в светосильных фотографических объективах менее тщательно исправляют т. н. полевые аберрации, но при этом уменьшают поле зрения; в случае объективов с большими фокусными расстояниями принимают особые меры для исправления хроматических аберраций и т. д.

Выбор освещенности в плоскости изображения фотообъектива зависит от яркости объекта, чувствительности фотоматериала или иного приемника света и требуемой глубины изображаемого пространства (глубины резкости). Изменение освещенности осуществляется путем изменения относительного отверстия объектива с помощью диафрагмы переменного диаметра, например ирисовой диафрагмы. На оправе объектива имеется шкала, по которой устанавливают нужное относительное отверстие (характеризуя объектив, обычно указывают максимальное значение этого отверстия). Освещенность плоскости изображения пропорциональна квадрату отношения диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию- т. н. геометрической светосиле объектива. Умножение этой величины на коэффициент, определяемый потерями световой энергии при прохождении через объектив (на поглощение в толще стекла и отражение от оптических поверхностей), дает физическую светосилу объектива. Для увеличения физической светосилы (т. е. для уменьшения потерь света) современные фотографические объективы просветляют (см. Просветление оптики). Подбор специальных просветляющих - однослойных и многослойных - покрытий позволяет не только повысить интегральное пропускание объектива, но и сбалансировать спектральное пропускание в соответствии со спектральной чувствительностью трех слоев цветной обратимой пленки. Это обеспечивает правильное воспроизведение цветов объектов, изображаемых на таких пленках.

Широко применяются т. н. панкратические объективы с переменным фокусным расстоянием (таковы многие киносъемочные объективы); изменение этого расстояния осуществляется перемещением отдельных компонентов объектива, при котором его относительное отверстие обычно остается неизменным. Подобные объективы, в частности, позволяют менять масштаб изображения без изменения положения объекта и плоскости изображения (при смещении компонент объектива и изменении его фокусного расстояния меняется положение главных плоскостей объектива; см. Кардинальные точки оптической системы). По своим оптико-коррекционным свойствам объективы с переменным фокусным расстоянием делятся на две группы: 1) вариообъективы, оптическая схема которых корригируется в отношении всех аберраций как единое целое; 2) трансфокаторы - системы, состоящие из собственно объектива и устанавливаемой перед ним афокальной насадки, аберрации которой исправляются отдельно. Получение изображений высокого качества в панкратическом объективе достигается за счет увеличения числа линз и компонент. Такие объективы - сложные системы, состоящие из 11-20 линз.

Проекционные объективы однотипны с фотографическими, отличаясь от них в принципе лишь обратным направлением лучей света. По типу проекции они делятся на объективы для диапроекции в проходящем свете и объективы для эпипроекции в отраженном свете (см. Кинопроекционный объектив, Проекционный аппарат). Особую подгруппу, также относимую к фотообъективам, составляют репродукционные объективы, применяемые для получения изображений плоских предметов, чертежей, карт и т. п.

Проекционные объективы, репродукционные объективы и фотообъективы, используемые на малых удалениях от объекта, характеризуют не угловым, а линейным увеличением (масштабом изображения в собственном смысле), линейными размерами поля зрения и числовой апертурой. В этом отношении они сходны с объективами микроскопов.

Объективы микроскопов отличает расположение в непосредственной близости от объекта. Их фокусные расстояния невелики - от 30 - 40 мм до 2 мм. К основным оптическим характеристикам объективы микроскопов относятся: числовая апертура А, равная n₁sin u₁, где n₁ - преломления показатель среды, в которой находится объект, u₁- половина угла раствора светового пучка, попадающего в объектив из точки объекта, лежащей на оптической оси объектива; линейное увеличение β; линейные размеры 2l поля зрения, резко изображаемого объектива; расстояние от плоскости объекта до плоскости изображения. Величина А определяет как освещенность изображения, прямо пропорциональную А², так и линейный предел разрешения микроскопа, т. е. наименьшее различаемое расстояние на объекте, равное для самосветящихся объектов (в предположении, что аберрации отсутствуют) ε = 0,51λ/А, где λ - длина волны света. Если объект находится в воздухе (n = 1, "сухой" объектив), то А не может превышать 1 (фактически не более 0,9). Помещая объект в сильно преломляющую (n>1) жидкость, т. н. иммерсию, примыкающую к поверхности первой линзы объектива, добиваются того, что А достигает 1,4 - 1,6 (см. Иммерсионная система). (β современных микроскопов доходит до 90-100Х; полное увеличение микроскопа Г = βГ', где Г' - угловое увеличение окуляра. Линейное поле 2l связано с диаметром D диафрагмы поля зрения окуляра соотношением 2l = D/β. По мере увеличения А и β растет сложность конструкции объектива, поскольку требования к качеству изображения очень велики - разрешающая способность объектива практически не должна отличаться от приведенной выше для идеального (безаберрационного) объектива. Этому условию удовлетворяют конструкции наиболее совершенных объективов микроскопов - т. н. планахроматов и планапохроматов. На рис. 2 приведена схема одного из лучших планапохроматов сов. производства. (Более подробно см. статьи Зеркально-линзовые системы; Микроскоп, разделы: Оптическая схема, принцип действия, увеличение и разрешающая способность микроскопа и Основные узлы микроскопа.)

Рис. 2. Типичная оптическая схема объектива микроскопа

Особые группы объективов составляют: объективы спектральных приборов, по свойствам во многом близкие к фотографическим объективам; специальные объективы, предназначенные для использования с лазерами и т. д.