Как устроен объектив фотоаппарата
Перейти к содержимому

Как устроен объектив фотоаппарата

  • автор:

Объектив

Объектив – оптическое устройство, формирующее изображение на поверхности светочувствительного элемента.

Наверное, у каждого из нас найдется хоть одна выпуклая стеклянная линза. Можно попробовать сделать простейший опыт. Днем, когда освещение на улице явно лучше, чем в помещении, возьмите выпуклую линзу и лист бумаги. Держа лист бумаги вертикально, расположите линзу в нескольких сантиметрах от листа бумаги в сторону окна. На бумаге получится светлое пятно. Теперь медленно перемещайте линзу, приближая или удаляя ее от листа бумаги. В некотором положении линзы светлое пятно на бумаге примет форму окна и сфокусируется. Все предметы, находящиеся за окном отобразятся на бумаге весьма четко. Правда, изображение будет перевернутым, а по краям менее четким, чем в середине. Мы получили простейший объектив. Расстояние от листа бумаги до линзы, когда изображение сфокусировано – его фокусное расстояние. Уменьшение четкости изображения от центра к его краям – геометрическими искажениями, или аберрациями. Кстати, если присмотреться, то можно заметить, что по краям изображения оно не только теряет четкость, но и окрашивается цветными контурами. Это – хроматические аберрации, возникающие из-за того, свет разных цветов преломляется линзой по-разному.

Иногда можно услышать следующее – «Не покупайте аппарат марки ххх, у него очень плохой объектив, все дома падают». Подобные искажения действительно имеют место, однако с геометрическими искажениями в объективе они не имеют ничего общего. Представим себе, что мы с некоторого не очень большого расстояния смотрим на дом прямоугольной формы. Ширина крыши дома равна ширине его основания, однако крыша находится существенно дальше от нас. Следовательно, угловой размер крыши окажется меньше, и соответственно, меньше окажется ее изображение в нашем глазу или в фотоаппарате. То есть прямоугольный дом будет выглядеть на снимке как трапеция. Таким же образом, два совершенно вертикальных столба на снимке окажутся наклонены друг к другу. Заметим, что если мы отойдем подальше от объекта съемки, искажения уменьшаться – разница в угловом размере останется, но будет менее существенной. Подобные искажения называются перспективными искажениями и присутствуют даже в весьма качественных фотоаппаратах. Однако, если правильно пользоваться аппаратом, их можно уменьшить, а при помощи графического редактора их можно полностью устранить.

Фокусное расстояние обратно пропорционально углу зрения объектива и прямо пропорционально степени приближения объективом объекта съемки. Фокусное расстояние принято указывать в миллиметрах.

Большинство объективов современных цифровых аппаратов – объективы с переменным фокусным расстоянием. Исключение составляют объективы самых примитивных фотокамер, действительно состоящие из единственной линзы и высококачественные профессиональные объективы, в которых все виды искажений минимальны.

Кратность изменения фокусного расстояния называют кратностью зума. Объектив, изменяющий фокусное расстояние в диапазоне 37-111 мм имеет трехкратный зум, а объектив с диапазоном фокусных расстояний 38-380 мм – десятикратный.

С появлением цифровых фотоаппаратов, в обозначениях фокусных расстояний возникла некоторая путаница. При разных размерах матрицы объективы с разными фокусными расстояниями могут иметь одинаковый угол зрения и давать в результате одинаковые снимки. И наоборот, один и тот же объектив на разных матрицах может давать разные снимки, как будто у него изменилось фокусное расстояние. Поскольку все уже давно привыкли к тому, что объектив с фокусным расстоянием 50 мм имеет угол зрения 46 градусов, а угол зрения объектива с диапазоном фокусных расстояний 28-135 мм меняется в диапазоне от 75 до 18 градусов, фокусные расстояния объективов компактных цифровых камер стали приводить к «35-миллиметровому эквиваленту». Объектив с фокусными расстояниями 7,2-50,8 мм может быть эквивалентен стандартному пленочному объективу 28-200 мм при использовании светочувствительной матрицы 2/3”, т.е. он будет иметь тот же диапазон изменения угла зрения как и объектив 28-200 при использовании матрицы размерами 24х36 мм.

Объективы с фиксированным фокусным расстоянием, применяемые в самых дешевых фотоаппаратах, объективы фотокамер, встроенных в мобильные телефоны, не только не позволяют приближать или удалять объект съемки, но и не имеют механизма фокусировки. Как же тогда в них получается резкое изображение ? Ну во-первых, оно не такое уж и резкое. Сравните снимок, сделанный мобильным телефоном, и снимок, сделанный любым фотоаппаратом имеющим настоящий автофокус. И как говорится, почувствуйте разницу. Ну а для того, чтобы изображение в таких объективах было бы не совсем размытым, их делают с минимальным фокусным расстоянием, и соответственно, с максимальным углом зрения. И наводят резкость на бесконечность. А бесконечность у объектива с маленькой матрицей и широким углом зрения может начинаться с расстояния меньше метра. Вот только беда в том, что объективы с широким углом зрения усиливают перспективу, т.е. близкие предметы кажутся ближе, далекие – дальше. Что же мы увидим на снимке? Попробуйте ради эксперимента снять мобильным телефоном лицо человека. А потом, то же лицо снять в том же масштабе, но аппаратом с зумом, установив зум на максимальное приближение. Во втором случае, на снимке получится вполне нормальное лицо, тогда как в первом на лице будет виден один огромный нос, и только где-то вдали уши. Получается, что ни мобильным телефоном, ни аппаратом с фиксированным фокусом, лицо человека нормально снять нельзя.

Объективы с переменным фокусным расстоянием, также называемые вариообъективами или зум-объективами состоят из нескольких подвижных групп линз. Изменение взаимного расположения этих групп изменяет фокусное расстояние объектива. Фокусировка изображения в объективах компактных цифровых камер осуществляется перемещением задней линзы объектива. В сменных объективах зеркальных цифровых фотоаппаратов фокусировка может осуществляться перемещением передней линзы.

Типичный объектив компактного цифрового фотоаппарата имеет трехкратный диапазон изменения фокусного расстояния и состоит из передней группы линз, средней группы линз, с установленными на ней затвором и диафрагмой, и задней фокусирующей линзы. Перемещением передней и средней группы определяется фокусное расстояние, задняя линза фокусирует изображение. Объектив управляется при помощи двух шаговых электродвигателей – один из них выдвигает объектив в рабочее положение и перемещает переднюю и среднюю группу линз, т.е. управляет зумом, другой – перемещает фокусирующую линзу. В сложенном положении элементы объектива занимают строго определенное положение, фиксируемое двумя концевыми датчиками. Во время работы положение элементов объектива отслеживается по числу шагов двигателей, сделанных от момента срабатывания концевых датчиков.

Объектив, позволяющий изменять фокусное расстояние в 6, 10 или 12 раз, имеет большие размеры, и гораздо более сложную конструкцию. Помимо передней группы линз, он может состоять из еще двух подвижных групп линз, либо одной группы, внутри которой линзы тоже подвижны. Для перемещения линз может использоваться не 2 а 3 шаговых электродвигателя.

Принято считать, что чем больше диапазон изменения фокусного расстояние объектива, тем больше у него оптических искажений и тем хуже качество снимков. Теоретически это верно, хотя на практике это может быть и не так, и более того, может быть и наоборот. Если сравнивать снимки, сделанные реальными фотоаппаратами с 3 и 10 кратным зумом на краях диапазона фокусных расстояний, снимки трехкратного объектива скорее всего окажутся лучше, чем снимки десятикратного. Но разница эта будет весьма невелика. А если не использовать крайние положения, то снимки десятикратного объектива в диапазоне 6-8 кратного зума окажутся лучше.

Со времен широкого распространения максимально дешевых пленочных мыльниц существует легенда, что у дешевых аппаратов линзы плохие и пластиковые, а у дорогих – хорошие и стеклянные. Во-первых, пластиковая линза это не всегда плохо. А во- вторых, пластиковые линзы встречаются в объективах вне зависимости от цены и качества объектива, только внутри него, и только если это необходимо.

Еще одна легенда касается объективов с кратностью зума 10 или более. Якобы для съемки с таким большим приближением всегда нужно использовать штатив, иначе все снимки будут смазанными. Вообще-то, есть старое правило, что для избежания смазанности снимков нужно использовать выдержку, численно совпадающую или превосходящую значение фокусного расстояния. Т.е. к примеру объективом с фокусным расстоянием 50 мм можно снимать с рук, если использовать выдержку короче, чем 1/50 секунды. Во-первых, это правило с хорошим запасом – объективом 50 мм можно получать нормальные снимки и с выдержкой 1/30 секунды (если конечно не дрожишь от холода, или чего-то еще). А во-вторых, максимальное приближение цифровых аппаратов с кратностью зума 10 и более, соответствует фокусному расстоянию примерно 300-400 мм. Разве выдержка в 1/400 секунды – недостижимая величина? Днем на улице выдержка запросто может быть и короче. И в помещении со вспышкой такую выдержку тоже несложно обеспечить.

Некоторые объективы с 10-12 кратным зумом оснащаются оптическим стабилизатором изображения. Это устройство позволяет управлять положением одной из центральных линз объектива или светочувствительной матрицы, чтобы компенсировать дрожание аппарата. За счет этого становится возможным при съемке с рук устанавливать более длинную выдержку.

Устройство объектива

vasili-photo.com

Объектив следует считать ключевым узлом оптического прибора под названием фотоаппарат. Всё верно: не матрицу, а именно объектив. Фотография – это изображение, и не что иное, как фотографический объектив формирует это изображение на светочувствительном материале. Матрица лишь преобразует созданное объективом изображение в цифровую форму.

Фотограф не обязан быть экспертом в области прикладной оптики, но наличие некоторого представления о том, как работает объектив вашей фотокамеры, не только не помешает вашему творческому росту, но и поможет сделать фотосъёмку более осознанной и управляемой.

Конструкция объектива

С основной задачей фотографического объектива – собрать свет, идущий от снимаемой сцены, и сфокусировать его на матрице или плёнке фотоаппарата – может справиться обычная двояковыпуклая линза. Однако качество изображения при этом будет весьма посредственным из-за обилия оптических аберраций. Чтобы обеспечить оптимальное качество картинки, в оптическую схему объектива вводятся дополнительные линзы, корректирующие световой поток, исправляющие аберрации и придающие объективу требуемые свойства. Число оптических элементов в современных объективах может в отдельных случаях достигать двух десятков и более. Элементы могут быть объединены в группы и все вместе они должны действовать как единая собирающая оптическая система.

Помимо оптического блока, т.е. системы линз, расположенных в определённой последовательности, конструкция объектива включает в себя также ряд вспомогательных механизмов, обеспечивающих наводку на резкость, управление диафрагмой, изменение фокусного расстояния (в зум-объективах), оптическую стабилизацию и пр.

Оправа, т.е. корпус объектива, соединяет все его компоненты воедино, а также служит для крепления объектива к фотоаппарату.

Фотографический объектив в разрезе

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние является основной характеристикой не только фотографического объектива, но и вообще любой оптической системы.

Фокусным расстоянием называют расстояние от оптического центра объектива до плоскости матрицы или плёнки. Это определение не вполне корректно, но зато оно доступно пониманию даже неискушенного в оптике читателя. Для тех же, кто ценит строгость формулировок, я приведу более наукообразное определение:

Заднее фокусное расстояние объектива – это расстояние от задней главной плоскости до заднего фокуса.

Фокусное расстояние

F – фокус; ƒ – фокусное расстояние.

Почему фокусное расстояние названо задним? Потому что существует ещё и не представляющее для нас никакого интереса переднее фокусное расстояние, указывающее на особенности хода лучей света в обратном направлении, т.е. из камеры. В связи с тем, что в фотографии для нас важен ход лучей, направленных от объекта в камеру, а не наоборот, мы будем говорить преимущественно о заднем фокусном расстоянии объектива. Во всех тех случаях, когда я употребляю словосочетание «фокусное расстояние» без каких либо уточняющих слов, я подразумеваю именно заднее фокусное расстояние.

Быть может, у читателя вызывают затруднение термины «задняя главная плоскость» и «задний фокус»? Попробую объяснить.

Истинный ход лучей в объективе, состоящем из множества линз, достаточно сложен и замысловат. Однако для упрощения расчётов допустимо мысленно заменить все линзы объектива, единственной собирающей линзой, преломляющая сила которой соответствует преломляющей силе объектива в целом. При этом действие всех преломляющих поверхностей объектива сводится к действию главных плоскостей воображаемой линзы. Главной плоскостью называется условная плоскость, пересекая которую лучи света меняют своё направление. Таких плоскостей обычно две, поскольку лучи света, идущие в камеру, и лучи, идущие из камеры, будут преломляться по-разному. Главная плоскость, характеризующая ход лучей в прямом направлении (от объекта в камеру), называется задней главной плоскостью. Её-то и следует считать условным оптическим центром объектива.

Задний фокус – это точка, в которой пересекаются первоначально параллельные лучи после прохождения через объектив. Очевидно, что для получения резкого изображения бесконечно удалённого объекта, плоскость матрицы или плёнки должна совпадать с фокальной плоскостью, т.е. пересекать оптическую ось объектива именно в точке заднего фокуса.

Расстояние же между главной плоскостью и фокусом называется фокусным расстоянием.

Как известно, фокусное расстояние измеряется в миллиметрах. На основании соотношения между фокусным расстоянием объектива и диагональю кадра, объективы принято разделять на три условные группы:

  • нормальные объективы, фокусное расстояние которых приблизительно равно диагонали кадра;
  • длиннофокусные объективы, фокусное расстояние которых превышает диагональ кадра;
  • короткофокусные объективы, фокусное расстояние которых меньше диагонали кадра.

От фокусного расстояния зависит угол изображения, а также масштаб и перспектива снимка. Художественная сторона вопроса подробно освещена в статье «Фокусное расстояние и перспектива».

Хочется подчеркнуть, что фокусное расстояние не является в буквальном смысле «длиной» объектива и лишь косвенно указывает на его линейные размеры. Физически объектив может быть как длиннее, так и короче своего фокусного расстояния. Следует понимать, что из-за особенностей конструкции многих современных объективов их задняя главная плоскость может располагаться как в пределах системы линз, так и за её пределами.

В случае если задняя главная плоскость вынесена вперёд, фокусное расстояние объектива будет превышать его физические размеры. Такой объектив называется телеобъективом. Практически все современные длиннофокусные объективы являются телеобъективами, что позволяет уменьшить их габариты.

Если задняя главная плоскость расположена в середине объектива, то фокусное расстояние оказывается меньше расстояния от переднего элемента объектива до заднего фокуса. Таковы нормальные и умеренно короткофокусные объективы.

И, наконец, задняя главная плоскость может лежать позади объектива. В этом случае фокусное расстояние будет короче заднего фокального отрезка, т.е. расстояния от заднего оптического элемента до заднего фокуса. Такие объективы называются ретрофокусными объективами или объективами с удлинённым задним отрезком. Зачем нужна столь сложная схема? Ведь габариты она явно не экономит. Дело в том, что наличие поворотного зеркала в зеркальных фотоаппаратах налагает жёсткие ограничения на минимальную допустимую величину заднего фокального отрезка. Иными словами, зеркало не позволяет приблизить объектив вплотную к матрице или плёнке, а это значит, что короткофокусные объективы для зеркальных фотокамер должны проектироваться по ретрофокусной схеме.

Что касается беззеркальных систем, то там подобное конструкционное ограничение отсутствует, и короткофокусные объективы могут быть весьма компактными по сравнению с аналогами для зеркальных аппаратов.

Диафрагма

Диафрагма служит для управления интенсивностью светового потока, проходящего через объектив. Диафрагма представляет собой непрозрачную перегородку, составленную из подвижных лепестков-ламелей (чаще всего числом 5-9). В центре перегородки лепестки формируют более-менее круглое отверстие, диаметр которого может изменяться в широких пределах, дозируя поступающий в камеру свет. Перемещение лепестков диафрагмы осуществляется посредством пружины или электромагнитного привода.

Первая и важнейшая функция диафрагмы – управление экспозицией, вторая – контроль над глубиной резкости.

Ирисовая диафрагма

Мерой светопропускающей способности объектива является диафрагменное число или число диафрагмы, представляющее собой отношение между фокусным расстоянием объектива и диаметром отверстия диафрагмы. Например, при фокусном расстоянии объектива 200 мм и диаметре отверстия диафрагмы 50 мм их отношение будет равно: 200 ÷ 50 = 4. Последнее обычно записывается как f/4 и означает, что диаметр отверстия диафрагмы в четыре раза меньше фокусного расстояния объектива.

Что будет, если мы уменьшим диаметр отверстия, скажем, до 25 мм? Число диафрагмы окажется равным: 200 ÷ 25 = 8. Таким образом, чем меньше относительное отверстие, тем больше диафрагменное число.

Почему говорят именно об относительном отверстии, а не просто о диаметре отверстия диафрагмы? Потому, что нас в данном случае не интересуют конкретные значения фокусного расстояния и диаметра отверстия, а лишь отношение между ними. Число диафрагмы – величина безразмерная. Независимо от своего фокусного расстояния все объективы, диафрагма которых установлена на f/8, будут пропускать одинаковое количество света. При этом очевидно, что фактический диаметр отверстия будет тем больше, чем больше фокусное расстояние объектива – главное, чтобы их отношение оставалось неизменным.

Для того чтобы уменьшить количество света, проходящего через объектив, в два раза, т.е. на одну ступень экспозиции (EV), необходимо в два раза уменьшить площадь отверстия диафрагмы. Его диаметр при этом уменьшится в √2 раза. В связи с этим диафрагменные числа, отстоящие друг от друга на одну ступень, различаются в √2, т.е. примерно в 1,414 раза, и образуют следующий стандартный ряд: f/1; f/1,4; f/2; f/2,8; f/4, f/5,6; f/8; f/11; f/16; f/22; f/32; f/45; f/64.

Минимальное доступное значение диафрагмы, т.е. максимальный размер относительного отверстия конкретного объектива, принято называть его светосилой.

В большинстве современных объективов используется механизм т.н. «прыгающей» или «моргающей» диафрагмы. Суть его в том, что вне зависимости от того, какое число диафрагмы выбрано для съёмки, диафрагма остаётся полностью открытой до самого момента спуска затвора и только тогда закрывается до заранее выбранного значения. После каждого снимка диафрагма автоматически возвращается в открытое состояние. Это позволяет осуществлять кадрирование, экспозамер и наводку на резкость при максимальной величине относительного отверстия (минимальном числе диафрагмы) и соответствующей ему максимально яркой картинке в видоискателе. В случае же если у фотографа возникает желание визуально оценить глубину резкости будущего кадра, диафрагму можно принудительно закрыть до рабочего значения, используя кнопку репетира диафрагмы.

Байонет

Объектив крепится к фотоаппарату посредством байонетного соединения. На хвостовике оправы объектива имеются лепестки (обычно их три), которым соответствуют пазы во фланце камеры. При установке объектива хвостовик вставляется во фланец и запирается поворотом на небольшой угол. Несимметричность лепестков исключает затрудняет неправильную ориентацию байонета. Чтобы отсоединить объектив необходимо нажать на кнопку и повернуть его в обратную сторону. См. «Смена объектива».

Байонет Nikon F. Хвостовик объектива.

По сравнению с резьбовым соединением байонет обладает двумя основными преимуществами: во-первых, смена объективов происходит быстрее, а во-вторых, обеспечивается более точная ориентация объектива относительно камеры, что необходимо для оптимального совмещения электрических контактов и механических приводов.

Байонет Nikon F. Фланец камеры.

Помимо своей основной функции – крепления объектива к камере, – байонет должен также обеспечивать и функциональную связь между ними, согласовывая работу диафрагмы, автофокуса, стабилизатора и прочих устройств. Байонеты большинства современных фотографических систем (Canon EF, Sony E, Fujifilm X) не предполагают какой-либо механической связи между камерой и объективом – обмен информацией осуществляется исключительно через электронный интерфейс. В более традиционных байонетах (например, Nikon F) управление диафрагмой (а для старых моделей объективов ещё и автофокусом) реализовано посредством механических приводов.

Важнейшей характеристикой байонетного крепления является его рабочий отрезок. Рабочий отрезок – это расстояние от опорной поверхности объектива (или опорной поверхности фланца камеры) до фокальной плоскости, т.е. до плоскости матрицы или плёнки. Длина рабочего отрезка зависит от особенностей конструкции фотоаппарата. Так, у зеркальных камер рабочий отрезок значительно больше, чем у беззеркальных, поскольку поворотное зеркало не позволяет сделать корпус камеры слишком плоским.

Не следует путать рабочий отрезок с задним фокальным отрезком. Рабочий отрезок – это фиксированный параметр байонета, и его величина неизменна для всех камер и объективов в рамках данной фотографической системы. Задний фокальный отрезок – параметр конкретного объектива, и его величина может отличаться от величины рабочего отрезка, как в большую, так и в меньшую сторону, в зависимости от модели.

Фокусировка

В исходном положении объектив сфокусирован на бесконечность, т.е. в фокальной плоскости оказывается изображение бесконечно удалённого объекта. Чтобы сфокусировать объектив на более близких объектах, необходимо увеличить дистанцию между задней главной плоскостью объектива и плоскостью матрицы или плёнки. Иными словами, объектив должен быть как бы выдвинут навстречу объекту съёмки.

В простейших объективах с небольшим количеством элементов наводка на резкость осуществляется перемещением всего оптического блока внутри оправы объектива. Иногда движется только передняя линза. Хуже всего, когда она ещё и вращается при фокусировке, поскольку это весьма затрудняет использование поляризационных и градиентных фильтров.

В более сложных объективах применяется внутренняя фокусировка. Внешние размеры объектива в таком случае остаются неизменными, а смещение оптического центра достигается перемещением независимой группы линз внутри объектива. Частным случаем внутренней фокусировки является задняя фокусировка, при которой за наводку на резкость отвечает задняя группа элементов.

Большинство современных объективов предполагают использование автоматической фокусировки. Обычно в оправу автофокусных объективов встроен кольцевой электродвигатель (ультразвуковой или шаговый), который и приводит в движение фокусировочную группу линз. Исключение составляют лишь некоторые классические автофокусные объективы Nikon и Pentax, не имеющие собственного фокусировочного мотора. Мотор в данном случае встроен в камеру, а передача крутящего момента происходит посредством механической муфты.

Зум-объективы

Зум-объективами принято называть объективы с переменным фокусным расстоянием. Конструкция зум-объективов значительно сложнее конструкции дискретных объективов и включает ряд дополнительных оптических элементов, взаимное перемещение которых не только изменяет фокусное расстояние объектива, но и компенсирует возникающие при этом дополнительные оптические аберрации.

Отношение между максимальным и минимальным фокусным расстоянием зум-объектива называется его кратностью. Например, кратность зум-объектива с диапазоном фокусных расстояний 24-70 мм приблизительно равна: 70 ÷ 24 ≈ 3, что позволяет говорить о нём как о 3-х кратном зуме.

Оптический стабилизатор

В объективах, снабжённых оптическим стабилизатором изображения, одна из линз может при помощи электромагнитного привода перемещаться в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива, компенсируя тем самым вибрацию фотоаппарата и предотвращая смазывание изображения.

Об особенностях устройства и практическом применении стабилизированной оптики можно прочесть в статье: «Оптический стабилизатор. Нюансы использования IS и VR».

Светофильтры

Практически все объективы могут использоваться вместе со светофильтрами. Чаще всего фильтры накручиваются на объектив спереди, для чего в оправе объектива предусмотрена специальная резьба. Однако в тех случаях, когда передняя линза объектива отличается необычайно большим диаметром или излишне выпуклой формой, традиционное использование фильтров физически затруднено, в связи с чем и резьба для фильтров может попросту отсутствовать. Существуют два основных подхода к решению этой проблемы. Супертелеобъективы обычно снабжаются выдвижной обоймой, в которую можно вложить стандартный светофильтр небольшого диаметра, после чего обойма вставляется внутрь объектива через специальную прорезь. Многие же сверхширокоугольные объективы в принципе не совместимы со стеклянными фильтрами и вместо этого имеют на хвостовике зажимы для тонких фильтров из пластиковой плёнки. Очевидно, что как внутреннее, так и заднее расположение светофильтров исключает возможность использования прозрачных фильтров для защиты передней линзы от грязи и царапин, предъявляя к вашей аккуратности повышенные требования.

Спасибо за внимание!

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Дата публикации: 03.06.2015

Как устроен объектив фотоаппарата

Объектив

Объектив — это один из наиболее важных элементов фотоаппарата, от которого зависит качество получаемого снимка. Объектив формирует изображение и проецирует его на плоскость фотопленки или матрицы. В литературе Вы сможете встретить термин «рисует».

Характер «рисунка» у каждого объектива индивидуальный. Именно этим объясняется то, что фотографы предпочитают иметь не один универсальный объектив, а несколько узкоспециализированных.

Для создания качественных фотоснимков Вам совершенно не обязательно быть квалифицированным экспертом в области прикладной оптики. Но необходимо иметь хотя бы базовые представления о том, как работает объектив.

Широкий выбор объективов доступный для цифровой фототехники определяет разнообразие возможностей для реализации ваших творческих планов. С момента создания первых объективов для пленочных фотокамер принцип работы объектива практически остался без изменения.

Конструкция объектива

Любой объектив является сложным оптическим прибором, который конструктивно состоит из: системы линз, сферических зеркал, металлической оправы, диафрагмы и управляющих элементов.

Объектив в разрезе

Передняя линза объектива служит для сбора световых лучей, идущих от объекта съемки. Т.к. эта линза в объективе ничем не защищена от внешних факторов, то ее желательно защитить с помощью UV-фильтра. Это позволит предотвратить попадание на нее пыли, грязи и брызг, защитит от механических повреждений.

Внутри объектива располагаются блоки линз, которые отвечают за формирование изображения. Этот блок может состоять из нескольких линз или иметь сложную структуру.

Помимо блока линз объектив содержит ряд вспомогательных узлов, которые обеспечивают наводку на резкость, оптическую стабилизацию, управление диафрагмой. В зум-объективах (объективы с переменным фокусным расстоянием) дополнительно есть элемент, отвечающий за изменение фокусного расстояния.

Задняя линза в объективе проецирует изображение на светочувствительный элемент — матрицу.

Фотографы, при приобретении объектива, в первую очередь оценивают состояние задней линзы, т.к. от ее качества сильно зависит то, какую картинку будет выдавать нам объектив.

Корпус объектива служит для размещения всех элементов и их надежного крепления. Для качественной работы объектива очень важно чтобы была соблюдена высокая точность взаимного расположения линз. Корпус так же выполняет защитную роль, оберегая оптику от механических воздействий, пыли и влаги.

Большая часть объективов состоит из нескольких частей. В основном металлическом стакане располагаются все оптические элементы и механизм диафрагмы и переходного стакана, служащего для крепления к камере объектива и осевого перемещения основного стакана (внутренний стакан). Конструкция объектива предполагает возможность ручного или автоматического изменения диафрагмы.

В конструкцию объектива также входит фокусировочное кольцо, которое используется для ручной наводки на резкость. Вращая это кольцо, Вы сможете изменить резкость (сфокусироваться на объекте переднего плана или заднего). Если в фотокамере включен режим автофокусировки, то при нажатии на кнопку спуска затвора, Вы отдаете команду и камера с объективом произведут фокусировку по центральному участку кадра. Фиксирование фокуса производится с помощью нажатия на кнопку спуска затвора на половину ее хода. В современных объективах, которые позиционируются для профессионального использования, применяется ультразвуковой привод фокусировки. Двигатель размещается непосредственно в самом объективе. Такие объективы отличаются более быстрой и менее шумной фокусировкой по сравнению с «отверточными» объективами.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние — основная характеристика любой оптической системы.

Фокусное расстояние — расстояние от оптического центра объектива до плоскости матрицы. Это упрощенное определение наиболее понятно для начинающих фотолюбителей.

Фокусное расстояние объектива

Где: F — фокус; f — фокусное расстояние

Фокусное расстояние измеряется в миллиметрах.

На основании соотношения между фокусным расстоянием и диагональю кадра, все объективы можно разделить на три основные группы:

— нормальные — объективы у которых фокусное расстояние равно диагонали кадра;

— длиннофокусные (телевики) — объективы у которых фокусное расстояние превышает диагональ кадра;

— короткофокусные (широкоугольники) — объективы у которых фокусное расстояние меньше диагонали кадра.

От выбранного фокусного расстояния зависит угол изображения, а так же масштаб и перспектива снимка. Ниже в таблице приведены наиболее часто используемые значения расстояний и соответствующие им углы изображения (значения взяты для полнокадровых фотокамер с размером сенсора 36 х 24 мм).

Фокусное расстояние, мм Угол изображения, о
20 95
24 84
28 75
35 63
50 47
85 29
105 23
135 18
200 12
300 8

Диафрагма

Диафрагма служит для изменения интенсивности светового потока, который проходит через объектив. В объективе диафрагма представляет собой набор зачерненных непрозрачных подвижных лепестков. Лепестки диафрагмы по-центру формируют многоугольное отверстие, через которое проходят световые лучи. Диаметр отверстия может регулироваться в широком диапазоне.

С помощью изменения диафрагмы фотограф может управлять экспозицией кадра и глубиной его резкости.

Диафрагма в объективе

Мерой светопропускающей способности объектива является число диафрагмы — отношение между фокусным расстоянием объектива и диаметром отверстия диафрагмы.

Например. Возьмем объектив с фокусным расстоянием 200 мм и диаметром отверстия диафрагмы в 50 мм. Их отношение будет равно 200/50 = 4. Диафрагменное число принято записывать как f/4.

Стоит заметить, что если вы возьмете широкоугольный объектив и поставите значение диафрагмы 8, а потом возьмете зум-объектив с фокусными расстояниями 24-70 и на нем тоже поставите значение диафрагмы 8, то оба объектива на матрицу вашей фотокамеры передадут одинаковое количество света.

Диафрагменные числа составляют одноименный ряд и являются стандартными значениями для любых объективов.

f/1 f/1.4 f/2 f/2.8 f/4 f/5.6 f/8 f/11 f/16 f/22 f/32 f/45 f/64.

В современных фотокамерах используется усеченный диафрагменный ряд в который введены промежуточные значения диафрагм.

Пример диафрагменного ряда для фотокамеры Sony A99 с объективом Minolta AF 24 f/2.8

f/2.8 f/3.2 f/3.5 f/4 f/4.5 f/5 f/5.6 f/6.3 f/7.1 f/8 f/9 f/10 f/11 f/13 f/14 f/16 f/18 f/20 f/22

Аналогичную картину с диафрагменным рядом можно наблюдать и у других производителей фототехники.

Следуем помнить, что чем меньшее значение Вы берете из представленного диафрагменного ряда, тем сильнее Вы открываете отверстие через которое свет попадает на матрицу фотокамеры. Минимальное значение, которое доступно для вашего объектива, принято считать его светосилой. У профессиональных объективов на всем диапазоне фокусных расстояний светосила постоянная. Как правило, на такие объективы наносится значение их светосилы.

Пример. Sony Distagon FE 35mm F1.4 ZA. В этом объективе 1.4 — это его светосила.

Для осуществления кадрирования и экспозамера в современных объективах применяется «прыгающая» диафрагма. Принцип ее работы заключается в том, что вне зависимости от того какое значение в настройках фотокамеры Вы поставили, диафрагма всегда остается полностью открытой. Только в момент спуска затвора ее значение скачком меняется то того, которое было в настройках выставлено. После того как снимок сделан, диафрагма так же скачком меняет свое значение до полностью открытого.

Что бы оценить глубину резкости будущего снимка, фотограф на фотокамере может нажать кнопку «Репетир диафрагмы». Пока будет зажата эта кнопка диафрагма будет закрыта до выбранного в настройках значения.

Байонет

Объектив крепится к фотоаппарату с помощью байонетного соединения. Такой способ крепления объектива по сравнению с резьбовым упрощает саму операцию, экономит время и относительно фотокамеры объектив располагается более четко, что необходимо для бесперебойной работы механического привода фокусировки и надежной передачи сигналов на контактной площадке. Каждый производитель фотокамер в своей продукции использует свой уникальный тип байонета. С появлением беззеркальных фотокамер на рынке фототехники массово появились переходники, которые позволяют устанавливать оптику других фирм.

В качестве примера можно привести линейку беззеркальных фотокамер Sony A7, A7R, A7S к которой сейчас выпущено большое количество переходников, позволяющих устанавливать практически любые объективы.

Байонетное соединение

Фокусировка

Все современные объективы позволяют проводить фокусировку в ручном или автоматическом режимах. Если в настройке фотоаппарата выбран автоматический режим фокусировки, то при полунажатии кнопки спуска затвора, камера начнет фокусироваться на выбранном объекте.

Для ручной фокусировки в камере необходимо включить соответствующий режим, после чего с помощью фокусировочного кольца, которое расположено на корпусе объектива, Вы наводите резкость на выбранном объекте.

Стоит отметить, что не во всех случаях возможно провести фокусировку в автоматическом режиме. Особенно это актуально, когда используются бюджетные варианты объективов в сложных съемочных условиях. В качестве примера сложных условий для фокусировки можно привести фотосъемку фотомодели в контровом свете (заходящее солнце).

Оптический стабилизатор

На рынке фототехники есть объективы, которые снабжены оптическим стабилизатором. Оптический стабилизатор позволяет вам при фотосъемке уменьшать влияние тремора рук на качество снимка. Польза от этого устройства очевидна — вы сможете фотографировать без эффекта «шевеленка» при большем недостатке света.

Специалисты советуют отключать стабилизатор при съемке со штатива (монопода), а так же при съемке на выдержках короче 1/500 секунды.

Использование оптического стабилизатора увеличивает скорость разряда аккумулятора вашей фотокамеры.

Устройство объектива цифрового фотоаппарата

Объектив фотоаппарата и его устройство

Оптическая система из нескольких линз или объектив, является самой важной частью фотоаппарата. Без матрицы и процессора можно обойтись, поскольку в старых фотоаппаратах применялись плёнка или фотопластинки. Вместо затвора, у старых павильонных моделей, использовалась съёмная крышечка на переднюю фотолинзу. А вот без объектива ни один оптический прибор работать не сможет. Так давай те же разберемся что такое объектив фотоаппарата, каково его устройство и основные характеристики.

Конструкция фотообъектива

Типы линз объектива

В какой-то степени устройство объектива фотоаппарата копирует человеческий глаз. Основная задача оптики — это фокусирование светового потока, идущего от различных объектов и формирование точки фокуса на светочувствительном материале. В устройстве оптики главную роль играют линзы. Это стеклянные пластины круглой формы, которым полировкой и шлифовкой придаётся определённая кривизна. Все фотолинзы делятся на следующие группы:

  • Выпуклые;
  • Двояковыпуклые;
  • Вогнутые;
  • Двояковогнутые.

В зависимости от направления кривизны, линзы могут быть собирающими и рассеивающими. Первые две группы являются собирающими. Они фокусируют световой поток в одну точку. Таким образом, роль оптики фотоаппарата может выполнять одна выпуклая фотолинза. Фотобъектив, имеющий устройство, состоящее из одной линзы, называется мениск. Такая простейшая оптическая система позволяет получить изображение предмета на светочувствительном материале, но оно будет невысокого качества. Дело в том, что кривизна оптического стекла меняется от периферии к центру, поэтому изображение объекта будет сильно искажено по краям кадра. Искажения картинки называются аберрации и могут быть хроматическими (цветовыми) и геометрическими.

Хроматические аберрации оптики

В первом случае вокруг предметов возникает цветная окантовка, нарушающая нормальное восприятие фотографии.

Типы дисторсии оптики объектива

Геометрические искажения связаны с тем, что лучи, проходящие через центральную и периферическую часть фотолинзы, преломляются под разными углами. Это влечёт за собой искривление прямых линий или дисторсию, которая бывает в форме бочки или подушки. Для того чтобы избавиться от всех видов аберраций, в оптический набор фотоаппарата устанавливают дополнительные линзы.

Виды оптических систем

В процессе развития практической оптики менялась оптическая схема объективов, и их устройство становилось всё более сложным. После мениска, состоящего из одной фотолинзы, были разработаны следующие вариации:

  • Ахромат;
  • Апланат;
  • Анастигмат.

Фотообъектив по принципу Ахромат

«Ахромат» представляет собой склеенную пару из двух фотолинз. Одна из них выпуклая, другая вогнутая. В фотообъективе такого устройства отсутствуют хроматические искажения и частично исправлены геометрические. Применяются на мобильных телефонах и смартфонах.

Фотообъектив по принципу Апланат

Более сложный вариант — «апланат», состоит из двух ахроматов. В нём решено большинство проблем, связанных с хроматическими искажениями, дисторсией и частично исправлен астигматизм.

Фотообъектив по принципу Анастигмат

Оптика, в которой практически полностью устранены все аберрации, называется «анастигмат».

Устройство современного объектива

Устройство современного фотообъектива

Оптика современных фотоаппаратов относится к анастигматам и имеет сложное устройство. Она состоит из нескольких линз различной кривизны и некоторых технических приспособлений, расположенных внутри оптической системы. Число фотолинз может доходить до 15-20. Обычно они группируются в несколько блоков. Для того чтобы увеличить контраст снимка за счёт гашения бликов, на линзы наносится сверхтонкое покрытие из окислов редких металлов. Обычно для этой цели используется лантан и его соединения. Этот процесс называется просветлением. В целом оптическая система состоит из следующих узлов:

  • Блоки линз;
  • Механизм диафрагмы;
  • Система стабилизации;
  • Устройство крепления;
  • Корпус.

Линзы для самых дорогих представителей шлифуются из прозрачной разновидности плавикового шпата и имеют самый низкий коэффициент преломления, что позволяет использовать их в телеобъективах класса «Супер». Расстояние между линзами и блоками линз рассчитывается с высокой точностью. Эти величины определяют характеристики оптики фотоаппарата. Поэтому профессиональные объективы имеют жёсткий корпус, изготовленный из прочных и лёгких сплавов. Пластмассовые конструкции стоят дешевле, но менее надёжны и со временем у них может возникнуть люфт.

Механические устройства в конструкции

Рассмотрим основные механические узлы в оптической системе.

Фокусирующая линза

Система линз фотообъектива

Важную роль в устройстве объектива играет фокусирующая линза. В отличие от других оптических элементов, которые жёстко установлены на посадочных местах, фокусирующая линза может перемещаться внутри системы. Она предназначена для наводки на резкость.

У старых фотоаппаратов этот процесс осуществлялся вручную. Для этого на фотообъективе имелось рифлёное кольцо, на котором были нанесены метки расстояния до снимаемого объекта. На простых моделях без дальномеров расстояние устанавливалось «на глаз» по шкале, где имелись метки от 0,8 м до бесконечности (∞). Оптический дальномер снижал вероятность ошибки, так как фотограф, по отсутствию «расплывчатости» изображения в видоискателе, точно выбирал нужное расстояние.

Устройство современных систем включает в себя как систему автоматической фокусировки, с помощью миниатюрного электродвигателя, так и возможность ручной установки точки фокуса. Алгоритм работы устройства автоматической фокусировки может несколько отличаться, в зависимости от компании производителя фотоаппарата, но результаты, как правило, одинаковые.

Диафрагма

Диафрагма фотообъектива

Диафрагма представляет собой механическое устройство расположенное внутри объектива между группами линз. Это несколько тонких металлических пластин, обычно 5-9, определённой формы, которые установлены на поворотном кольце. Основная задача диафрагмы это ограничение количества света, проходящего через оптику. При максимальной диафрагме фотообъектив открыт полностью. Если нужно уменьшить количество света, то вращением диафрагменного кольца выбирается более высокое числовое значение, представленное дробью, например: f/1.4, f/2.8, f/8 и так далее. В этом случае пластины устройства образуют между фотолинзами отверстие маленького размера, сравнимое с точкой. Вторая функция диафрагмы это изменение глубины резкости (ГРИП).

При сильном диафрагмировании резко будут изображаться все предметы, находящиеся в пределах значений, нанесённых на регулировочное кольцо. В зеркальных фотоаппаратах TTL, где объект съёмки наблюдается через оптику, сопряженную с видоискателем через призму и систему зеркал, используется «прыгающая» диафрагма. Наводка на резкость осуществляется при полностью открытом объективе и только в момент съёмки устройство мгновенно устанавливает заранее выбранное значение диафрагмы.

Стабилизация изображения

Оптическая стабилизация объектива

Для оптимизации съёмочного процесса, когда на длительных выдержках нет возможности использовать штатив, применяется устройство оптической стабилизации изображения. Основу устройства составляют гироскопические датчики и линза, которая может свободно перемещаться во всех плоскостях. Данные от гироскопических датчиков поступают на микропроцессор и он, подавая импульсы на электромагниты, компенсирует перемещение фотоаппарата, сдвигая линзу в противоположную сторону.

Система крепления

Крепление типа байонет

Сменные объективы могут фиксироваться на корпусе фотоаппарата двумя способами:

  • Резьбовое крепление. Объективы с резьбой устанавливались на плёночные фотоаппараты старого образца и в настоящее время почти не применяются.
  • Устройство «байонет». Крепление «байонет» быстро и надёжно фиксирует оптику на фотоаппарате специальной защёлкой. Такое устройство позволяет использовать объективы с электронными системами управления. Для этого на корпусе оптики и корпусе фотоаппарата предусмотрены электрические контакты, которые надёжно замыкаются после установки и фиксации оптики.

Уровень качества

По мнению опытных фотографов именно хороший объектив, а не фотоаппарат, является залогом качественных фотографий. Используя оптику высокого класса и посредственный фотоаппарат, можно получить прекрасные снимки, а вот объектив низкого качества даже на профессиональном фотоаппарате может испортить самый выигрышный сюжет. Часто оптика, по стоимости, может быть в несколько раз дороже хорошего фотоаппарата. В основном это определяется конструктивными материалами.

  • Самые качественные и дорогие представители класса в своём устройстве содержат линзы из флюорита. Корпус оптики выполнен из сверхлёгких сплавов, которые применяются в космической технике. Такие объективы отличаются высокой надёжностью и длительным сроком службы;
  • Далее идут объективы с линзами из кварцевого стекла. Они обеспечивают хорошее качество фотографий и вполне надёжны;
  • На последнем месте по качеству находятся объективы с акриловыми линзами и пластиковым корпусом. Особенно плохо, если из пластмассы выполнено байонетное крепление. Люфт будет обеспечен при частой замене оптики даже через непродолжительное время, а пластиковые линзы быстро помутнеют от следов пыли и песка.

Объектив — неотъемлемая составляющая фотоаппарата. Может быть выполнена как в виде достаточно простой системы «апланат» и без различных дополнительных улучшающих механизмов. Так и в виде сложной громоздкой оптической системы, включающей в себя около 20 линз разделенных на блоки, систем автоматической фокусировки, изменения фокусного расстояния, стабилизации изображения и различных технологических ухищрений, повышающих качество захватываемой картинки. Стоимость объектива может варьироваться от легко подъемной практически любому фотолюбителю, до непомерно высокой — дороже профессионального фотоаппарата.

Понравилось? Поделитесь с друзьями и оцените запись:

(1 оценок, среднее: 5,00 из 5)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *