Объектив

Объектив (далее О), 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 свето-чувствительного слоя, фотокатода передающей телевизионной трубки или электроннооптического преобразователя, матового стекла или экрана). Конструктивно О 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 О делятся: на О зрительных труб и телескопов, которые дают уменьшенное изображение; О микроскопов —увеличенное изображение; фотографические и проекционные О, дающие в зависимости от конструкции и способа применения уменьшенное или увеличенное изображение.

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

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

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

Диаметры линзовых и зеркально-линзовых О телескопов ~ 0,5—1 м (максимальное D = 1,4 м). В рефракторах используются двухлинзовые О (также с исправлением лишь сферических и аберраций). В астрографах, предназначенных для фотографирования звездного неба,— трех- и четырехлинзовые О; в них, как правило, исправляются все аберрации, за исключением кривизны поля. Угол поля зрения О астрографов достигает 6°; у двухлинзовых О 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 О 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 О не превышает нескольких угловых минут; у О телескопов, построенных по схеме Ричи — Кретьена системы рефлектора с гиперболическим главным зеркалом, — до 1°. Аберрации подобных О (кроме и сферических) значительны и исправляются введением дополнительных (коррекционных) линз и зеркал, т. н. компенсаторов. О современных крупных рефлекторов позволяют осуществлять смену вспомогательных зеркал, обеспечивая возможность работы при относительных отверстиях около 1:4, 1:10, 1: 30.

К астрономическим О относятся также О, 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 О астрографов, с др. стороны — к некоторым типам фотографических О В них исправляются все аберрации, за исключением кривизны поля, угол поля зрения может достигать 30°, относительного отверстия обычно велики (до 1 : 1,2). Типичным примером может служить О "Астродар" спутниковой камеры, построенной по системе Максутова, отличающийся тем, что все его преломляющие и отражающие поверхности сферичны и при этом концентричны. Эффективный диаметр этого О — 50 см, f "70 см (следовательно, относительное отверстие 1: 1,4); поле зрения составляет 5° ´ 30°.

Фотографические объективы (к ним относятся и О, применяемые при киносъемке и репродуцировании) отличаются от О 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 О значительно больше, чем у О 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, 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 относительное 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. О, построенные по одной оптической схеме, могут иметь различные оптические характеристики (фокусное расстояние, относительное отверстие, угол поля зрения) и применяться для различных целей.

По назначению фотографические О разделяют на О, применяемые в любительской и профессиональной фотографии и кинематографии, репродукционные, телевизионные, аэрофотосъемочные, флюорографические, астрографические и др., а также О для невидимых областей спектра — инфракрасной и ультрафиолетовой. Среди О одного и того же назначения различают нормальные, или универсальные, светосильные, широкоугольные и длиннофокусные, или телеобъективы. Наиболее широко используются нормальные (универсальные) О Это, как правило, анастигматы, обеспечивающие резкое плоское изображение при умеренно большом относительном 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 О 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 О 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 О играют в аэрофотосъемке. Фокусные расстояния широкоугольных О обычно в пределах от 100 до 500 мм; их относительного отверстия характеризуются средними и малыми значениями (1 : 5,6 и ниже). В них трудно исправлять такие аберрации, как дисторсия, кривизна поля и астигматизм. О с исправленной дисторсией называется ортоскопическими. У О с углом поля зрения, приближающимся к 180° (от около 120° до 180°), дисторсию не исправляют (она отчасти может быть исправлена при печатании снимков спец. О). Для формируемых этими (т. н. дисторсирующими) О изображений характерны значительные перспективные искажения. Такие О 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 О для любительской и профессиональной фотографии неравномерность освещенности корригируется при расчете аберраций О; у др. типов фотообъективов освещенность выравнивается с помощью специальных фильтров.

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

Одинаково хорошее исправление всех аберраций фотографических О представляет собой чрезвычайно трудную задачу, особенно у светосильных, широкоугольных и специальных О Поэтому находят компромиссные решения, меняя требования к исправлению аберраций в зависимости от назначения О: например, в светосильных фотографических О менее тщательно исправляют т. н. полевые аберрации, но при этом уменьшают поле зрения; в случае О с большими фокусными расстояниями принимают особые меры для исправления 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 О с помощью диафрагмы переменного диаметра, например ирисовой диафрагмы. На оправе О имеется шкала, по которой устанавливают нужное относительное отверстие (характеризуя О, обычно указывают максимальное значение этого отверстия). Освещенность плоскости изображения пропорциональна квадрату отношения диаметра входного зрачка О к его фокусному расстоянию — т. н. геометрической светосиле О Умножение этой величины на коэффициент, определяемый потерями световой энергии при прохождении через О (на поглощение в толще стекла и отражение от оптических поверхностей), дает физическую светосилу О Для увеличения физической светосилы (т. е. для уменьшения потерь света) современные фотографические О просветляют (см. Просветление оптики). Подбор специальных просветляющих — однослойных и многослойных — покрытий позволяет не только повысить интегральное пропускание О, 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 О с переменным фокусным расстоянием (таковы многие киносъемочные объективы); изменение этого расстояния осуществляется перемещением отдельных компонентов О, при котором его относительное отверстие обычно остается неизменным. Подобные О, в частности, позволяют менять масштаб изображения без изменения положения объекта и плоскости изображения (при смещении компонент О и изменении его фокусного расстояния меняется положение главных плоскостей О; см. Кардинальные точки оптической системы). По своим оптико-коррекционным свойствам О 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 О и устанавливаемой перед ним афокальной насадки, аберрации которой исправляются отдельно. Получение изображений высокого качества в панкратическом О достигается за счет увеличения числа линз и компонент. Такие О — сложные системы, состоящие из 11—20 линз.

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

Проекционные О, репродукционные О 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 О микроскопов.

Оы микроскопов отличает расположение в непосредственной близости от объекта. Их фокусные расстояния невелики — от 30—40 мм до 2 мм. К основным оптическим характеристикам О 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 О из точки объекта, лежащей на оптической оси О; линейное увеличение b; линейные размеры 2l поля зрения, резко изображаемого О; 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) e = 0,51 g/A, где g — длина волны света. Если объект находится в воздухе (n = 1, "сухой" О), 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 О, добиваются того, что А достигает 1,4—1,6 (см. Иммерсионная система). b современных микроскопов доходит до 90—100 ´; полное увеличение микроскопа Г = bГ¢, где Г¢ — угловое увеличение окуляра. Линейное поле 2l связано с диаметром D диафрагмы поля зрения окуляра соотношением 2l = D/b. По мере увеличения А и b растет сложность конструкции О, поскольку требования к качеству изображения очень велики — разрешающая способность О практически не должна отличаться от приведенной выше для идеального (безаберрационного) О Этому условию удовлетворяют конструкции наиболее совершенных О микроскопов —т. н. планахроматов и планапохроматов. На рис. 2 приведена схема одного из лучших планапохроматов советского производства. (Более подробно см. статьи Зеркально-линзовые системы; Микроскоп, разделы: Оптическая схема, принцип действия, увеличение и разрешающая способность микроскопа и Основные узлы микроскопа.)

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

Лит.: Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 1—2, М. — Л., 1948—52; Слюсарев Г. Г., Методы расчета оптических систем, 2 изд., Л., 1969; Flügge J., Das photographische Objektiv, ., 1955; Русинов М. М., Фотограмметрическая оптика, М., 1962; Микроскопы, под ред. Н. И. Полякова, М., 1969; Михель К., Основы теории микроскопа, пер. с нем., М., 1955.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.