Нужна ли эта информация? Есть ли разница, как там внутри «гнуться» световые лучи? Главное, чтобы объектив создавал картинку. Однако многим это любопытно. А знания не бывают лишними. Первый вопрос: зачем нужна сменная оптика? Новые цифровые камеры с миниатюрными матрицами снабжаются несменными объективами, фокусные расстояния которых меняются, перекрывая параметры многих сменных. Для тех, кто ориентируется в количественных показателях, скажу, что такой встроенный переменник обеспечивает диапазон эквивалентных фокусных расстояний в пределах 24-500 мм, при начальных относительных отверстиях 1:2,8 (вот и пригодились знания из предыдущей лекции). Прогресс техники дает основания думать, что дальнейший развитие приведет к тому, что интерес к зеркалкам неизбежно будет угасать, а рекламная пропаганда в пользу относительно большего кадра ‑ только перемешивает воздух.
В силу сказанного использование понятия «эквивалентное фокусное расстояние» уже и сейчас неудобно и не вполне корректно, поскольку и этот «кропнутый» кадр – в два раза меньше классического.
Мы столько раз уже применяли словосочетание «фокусное расстояние», что нельзя больше оттягивать объяснение его смысла. Итак, фокусное расстояние – это отдаленность кадрового окна, при котором изображение предметов, расположенных в «бесконечности», становится резким. Величина фокусного расстояния измеряется в миллиметрах, а бесконечность обозначают положенной на бок восьмеркой – «∞».
Но что такое «бесконечность»? И от чего мерить отдаленность плоскости кадрового окна?
Бесконечность ‑ такое расстояние в пространстве предметов, которое настолько больше фокусного расстояния, что световые лучи оттуда идут к объективу параллельно друг другу.
Плоскость кадрового окна – понятие четкое. А с другого конца? Объектив состоит из многих линз, следовательно, имеет продольную толщину. Для простоты будем считать, что он представляет собой одну бесконечно тонкую линзу (это понятие используют оптики-расчетчики). Световые лучи, входя в линзу, преломляются на угол, который тем больше, чем дальше от центра линзы точка вхождения этого луча.
С большой долей вульгаризации (принося извинения оптикам) ход луча можно представить как механический рычаг, поворачивающийся вокруг оси, совпадающей с главной плоскостью. Значит, чем объект ‑ ближе, тем сфокусирован он будет дальше. Поэтому при фокусировке на близкие предметы объектив выдвигается, как бы вывинчиваясь вовне камеры.
Чтобы изображение сохраняло резкость, по мере уменьшения расстояния до предмета, то расстояние, на которое необходимо отодвинуть кадровое окно, растет. А когда в пространстве предметов расстояние до объекта сокращается до величины двух фокусных расстояний, то и в пространстве изображения (в камере) расстояние до кадрового окна тоже должно вырасти на такую же величину. Применительно к специальным профессиональным фотокамерам говорят, что они обладают двойным растяжением меха.
Тут не могу умолчать о невероятной красоте формулы Ньютона:
р р'= f2 , где
p ‑расстояние от объекта фокусировки до передней главной плоскости, причем р=a ‑f ,
p' ‑ расстояние от задней главной плоскости до резкого изображения, p'= b ‑ f ' ,
f ‑ фокусноерасстояние.
Строго говоря, в этой формуле вместо f2 следовало бы поставить f·f', где f' – фокусное расстояние в пространстве предметов. Это различие существенно, если среда перед объективом отличается от среды за ним: например, если мы фотографируем под водой, или, наоборот, камера заполнена не воздухом, а каким-то другим прозрачным веществом. Но когда и в пространстве предметов, и в пространстве изображений – воздух, f·= f'.
Заметим, что в случае, если расстояние от переднего фокуса (F) до объекта, резкости которого мы хотим достичь,s = ∞ , то расстояние от заднего фокуса (F') до резкого его изображения ‑ s'= 0. (И наоборот, если объект попадает в плоскость F, лучи за объективом уходят параллельным пучком в космическую бесконечность и не могут там сойтись никогда.
Без преувеличений можно утверждать, что формула Ньютона божественно лаконична, всеобъемлюща и красива. Невозможно представить более изящно выраженную взаимосвязь противоположных величин: запредельно малого и космически грандиозного «в одном флаконе»! Кажется несправедливым, что столь блистательная формула не включена в число наиболее выдающихся достижений Исаака Ньютона. Ведь тут нам явлено настоящее единства содержания и формы. Не создай Ньютон ничего другого, он остался бы славен одним этим выражением. Перед нами в кратчайшей форме развернута Истина. Эта формула безупречно прекрасна в каждой своей детали. «И пятна нет на тебе...»
Мы уже употребляли выражение «главная плоскость». Но расчетчики оперируют понятиями «передняя главная плоскость» и «задняя главная плоскость». Фокусное расстояние меряют от задней главной плоскости, а ее фактическое расположение относительно линз определяется в зависимости от структуры оптической системы объектива. Когда мы имеем дело с объективами переменного фокусного расстояния, следует иметь в виду, что главные плоскости в них смещаются.
Лично у меня вызывает восхищение, что некоторые современные переменники, варьируя фокусные расстояния, своих габаритов при этом не меняют.
Объективы переменного фокуса частот называют еще вариообъективами, трансфокаторами и зумобоъективами, или просто зумами (от zoom –растягивающийся, «резиновый»).
Тут как раз удобно разобраться в зависимости светосилы объектива от его фокусного расстояния. Как уже говорилось на предыдущей лекции, это свойство объектива выражается через величину относительного отверстия. (Напоминаю, это – частное от деления диаметра «окна/зрачка» на фокусное расстояние.) Значит, чем короче фокусное расстояние, тем большей светосилы можно достичь при том же диаметре входного зрачка. Здесь на рисунке показаны два объектива (они представленные для простоты единственной линзой), обладающие одинаковыми углами «зрения».
Значит объектив с фокусным расстоянием 50 мм (их называют «полтинниками») для малоформатных камер с кадром 24х36 мм был «нормальным» штатником, применительно же к современным цифровым аппаратам с маленьким кадром он превратиться в «телеобъектив». При меньших геометрических размерах проще добиться большей светосилы и вариабельности, что и позволило создать зум-объекивы с фантастическими диапазонами. А почему не применить их в качестве широкоугольников для камер с бόльшим кадром? Потому что к периферии изображение ухудшается.
Стоит пояснить, что лучи приходят в объектив не только вдоль оптической оси, но с разных сторон. Угол «зрения» может быть и широким и узким. У широкоугольника он велик, и параллельные пучки лучей попадают в зрачок с разных сторон. Тогда как в аппарате ход лучей определяется диаметром выходного зрачка. То есть, в кромешной тьме фотокамеры совокупность пучков лучей представляет собой конус, усеченный со стороны объектива поверхностью задней линзы, а с другой – площадью кадрового окна. (В зависимости от реальной диафрагмы пятачок, из которого выходят там лучи, ‑ меньше или больше.)
Вопрос: а правда ли, что углы при входе равны углам на выходе? Нет, неправда. У сверхширокоугольника угол восприятия может достигать 180º (а есть объектив с еще большим углом «зрения»), но, если бы эти же 180º имели место и на выходе, как можно было бы вписать изображение в плоское кадровое окно? Это стало бы возможным только, при условии, что матрица имела бы сферическую форму, подобно глазному дну.
А сверх-телеобъективы с углом обозрения реального пространства что-то около одного-двух градусов? Что если и на выходе соблюсти этот же угол расхождения пучка световых лучей? Нет, лучи на выходе заполняют кадр, расходясь.
Тут никуда не деться от технических вопросов, связанных с устройством объективов. Это бездонная тема. Не случайно среди оптиков-расчетчиков принято называть продукт их творчества «оптическими композициями». Мы здесь попытаемся чуть-чуть приоткрыть завесу неведения.
Вопрос: зачем в объективе столько линз? Дело в том, что для стекол характерны аберрации. Мы тут рассмотрим лишь некоторые из них, причем весьма поверхностно, чтобы получить общее представление о проблемах, которые решают специалисты при разработке оптических приборов.
Обычная линза преломляет лучи не одинаково: на периферии больше, а на крохотном участке в центре она – плоская, то есть имеет ноль диоптрий. Поэтому лучи сходятся в протяженной вдоль оптической оси «каустике».
Это явление и называется сферической аберрацией.
Употребляемый термин «оптическая сила» означает способность преломлять лучи в большей или меньшей мере. Заметьте, что фокусное расстояние обратно-пропорционально оптической силе: чем линза сильнее, тем короче ее фокус. Мы говорим «сильные очки», имея в виду, что их характеризует большее количество диоптрий.
Дабы исключить сферическую аберрацию линзе придают сложный профиль.
Достигается это непросто (на одном из заводов асферическую форму получали за счет бомбардировки обычной линзы тяжелыми нейтронами). Поэтому объективы, содержащие асферические линзы, стоят дорого.
Помимо этого, стеклянные линзы обладают хроматической аберрацией. Поскольку участки линзы можно представить как призмы, свет, проходя сквозь них, разлагается на все цвета радуги. Чтобы побороть хроматичекую аберрацию, линзы дополняются другими линзами из стекол с обратными хроматическими свойствами.
Понятно, что оптическая сила такой склеенной линзы меньше, чем неисправленной, а значит, приходится использовать их в большем количестве.
Немного о специфических особенностях. Понятно, чем больше фокусное расстояние объектива, тем он длиннее. Значит, телеобъектив с фокусным расстоянием 500 мм должен иметь полуметровую оправу. Это неудобно. Как сократить длину?
Придумали использовать такую композицию, где на входе установлена гораздо более широкоугольная структура, а на выходе сходящиеся лучи, проходя через отрицательный элемент, меняют направление, как если бы они следовали по более протяженной «трубе» обыкновенного длиннофокусного объектива. С помощью такого приема удалось делать телеобъективы гораздо более компактными.
Иногда приходится решать противоположную задачу. Для того, чтобы в зеркальных камерах удалось втиснуть между кадровым окном и объективом подвижное зеркало, нужно оставить свободным пространство, меньшее фокусного расстояния объектива. Значит тут необходимо, напротив, удлинить расстояние между оправой объектива и кадровым окном. Такие объективы называются – с удлиненным рабочим отрезком. Рабочий отрезок это расстояние между посадочным кольцом байонета и окном, в котором размещен светочувствительный приемник, будь то пленка или ПЗС-матрица.
Два слова о том, за счет чего этого удается достигнуть. Дело в том, что если главные плоскости (Н-Н) двояковыпуклых линз располагаются частично в «теле» стекла, то в вогнуто-выпуклых «менисках» главные плоскости оказываются за их пределами.
Еще о таком виде аберраций, которая называется дисторсия.
Суть дисторсии – в том, что на выходе объектива лучи расходятся под углом, непропорционально растущим, то есть по мере удаления к периферии под углом увеличивающимся. Тогда мы имеем дело с положительной дисторсией. В этом случае прямоугольник изобразится на пленке или матрице в виде «подушки».
положительная дисторсия отрицательная дисторсия
Но возможен и противоположный вариант, когда лучи на выходе расходятся под углами, которые по мере удаления от центра уменьшаются. Тогда прямоугольник будет «раздуваться» вовне. Это – отрицательная дисторсия.
Такого рода дисторсия характерна для объективов «фиш-ай» («рыбий глаз»). Так недостаток (а аберрации считаются дефектами) используется как изобразительный прием, который может стать выразительным средством.
Например, здесь передо мной стояла задача отобразить характерный для Питера двор-колодец.
При сильной отрицательной дисторсии изображение квадрата стремится вспухнуть до круга. Если в тех объективах фиш-ай, которые заполняют весь прямоугольник кадра, угол 180º вписывется в его диагональ, то в еще более широкоугольных круглым оказывается все изображение целиком (иными словами тот же угол 180º охватывает все координаты). Вникаете?
Обратите внимание: искривляются только прямые линии, расположенные на периферии кадра. Прямые, идущие через центр, никак не изгибаются. Самые заметные из них – проходящая через центр горизонталь и такая же вертикаль. Заметьте, что горизонталь не обязательно совпадает с линей горизонта. Если разместить горизонт выше геометрического центра, он вспучится кверху; если же горизонт окажется ниже середины, то, наоборот, прогнется книзу.
Заметьте, что в фиш-ай изображении деформации ведут к тому, что на периферии кадра кружок растягивается подобно кривому огурцу вдоль окружности, опоясывающей кадр по радиусу. Так лицо красавицы изгибается искривленным овалом. Если сравнить, что происходит с круглым объектом в кадре, запечатленном широкоугольником «ортоскопом», то есть объективом, не искривляющим никаких линий, легко убедиться, что он (этот округлый предмет) тоже растягивается, но не поперек, а меридианально, вдоль радиуса, направленного от центра к периферии. То есть правильное (ортогональное) изображение тоже подвержено деформации, но совсем другого рода.
Особенно сильно растягиваются в меридиональном направлении объекты, приближенны к углам кадра. Это происходит потому, что на периферии, чем дальше от центра, тем более косыми лучами рисуется изображение на плоскости кадрового окна. Это не является аберрацией. Таковы законы проективной геометрии. Вспомните, как выглядит ваша тень, когда солнце приближается к горизонту: она растягивается тем больше, чем меньше угол между лучами и поверхностью земли. Аналогичным образом растягивается тень на стене, если солнце светит туда не прямо, а косо, но деформация здесь будет иметь место в другом направлении. (В этом смысле глазное дно, которое не является плоскостью, а имеет сферическую форму, не создает таких проблем, хотя, конечно, в исправлении наблюдаемой нами картины участвует мозг.)
Какой практический вывод надлежит сделать? Вот какой: если вы удосужились фотографировать группу людей широкоугольным объективом, не ставьте «пышечек» с краю: они заметно прибавят в объеме (и вам этого не простят). Еще лучше избегать такой съемки. Я имею в виду не совсем отказаться от этой задачи, но решать ее с помиощью более длиннофокусной оптики.
Совсем другую картину создают телеобъективы. Они не деформируют лиц, но «сжимаю» пространство, буквально сплющивая его глубину.
На приведенной ниже картинке столбы уличного освещения выглядят частоколом, хотя на самом деле между ними десятки метров.
Как-то одна моя сотрудница попросила запечатлеть ее свадьбу. Что у нас является главным украшением такого мероприятия? Богатый напитками стол.
Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, я применил телеобъектив.
А напоследок ‑ о различии структур различных объективов? (Зря что ли мы обсуждали оптические свойства линз?) Если, бросив взгляд на схемное изображение, сможете распознать тип объектива, это добавит вам самоуважения.
(Принято изображать объективы так, что слева – вход, а справа – выход.)
Canon 1,4/24 Canon 2/135
Перед нами два замечательных объектива знаменитьй фирмы «Canon», левый – широкоугольник, исключительной светосилы, правее ‑ телеобъектив. Характерные признаки: у широкоугольника на входе – мениски, у телеобъектива – мениск на выходе (поэтому удалось сделать его таким коротким.
А это – сверхширокоугольник нашего замечательного оптика-расчетчика М.Руссанова. Конечно, он не предназначался для любительских камер.
Чтобы закрыть парад схем объективов постоянного фокуса, ниже покажу еще один светосильный телеобъектив Canon ‑ 2,8/300, предназначенный для съемки театральных, спортивных и т.п. сюжетов. Впереди у него – вместо стекла линза из флюорита, благодаря чему хроматические аберрации удалось снизить, но этот объектив требует исключительно бережного отношения: при вносе с холода в тепло есть опасность того, что треснет флюоритовая линза. Работать им для меня было счастьем, хотя и весил он 3 кг.
Ну и под конец несколько слов о зумобъективах. Если совсем коротко, то изменение фокусного расстояния достигается за счет того, что суммарная оптическая сила линз меняется в зависимости от расстояния между ними: чем ближе они сдвинуты, тем сильнее их взаимодействие. Устройство объективов-переменников, понятное дело, отличается сложностью. Ведь при изменении фокусного расстояния они должны сохранять фокусировку, а кроме того «правила хорошего тона» требуют, чтобы передняя часть оправы при этом не поворачивалась. Так что тут возникают проблемы не только у оптиков, но и у инженеров, конструирующих оправы.
Здесь одновременно сдвигается несколько компонентов. Это один из первых вполне успешных объективов, предназначенных для камер с полным кадром 24х36 мм.
Современные расчетчики достигли в этом деле замечательных успехов, о чем можно догадаться, бросив взгляд на последнюю в этой лекции схему.
Здесь удалось достигнуть того, что при изменении фокусного расстояния внешние габариты объектива остаются неизменными, а все происходит за счет внутренней подвижки компонентов.
