Большая советсткая энциклопедия Объектив

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 свето-чувствительного слоя, фотокатода передающей телевизионной трубки или электроннооптического преобразователя, матового стекла или экрана). Конструктивно О. могут быть разделены на три класса: наиболее распространённые 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 освещённости по полю изображения.

Объективы 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.). Освещённость 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 трёх 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 хроматических аберраций). В астрографах, предназначенных для фотографирования звёздного неба,— трёх- и четырёхлинзовые 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 хроматических 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 киносъёмке и репродуцировании) отличаются от О. предыдущей группы тем, что изображения, даваемые ими, должны быть резкими до края фотоплёнки (или иного приёмника), 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 неискажённого 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 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, аэрофотосъёмочные, 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 освещённости; 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 аэрофотосъёмке. 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 фотосъёмке архитектурных ансамблей и ландшафтов. Чем больше поле зрения, тем более резко к его краю падает освещённость изображения (пропорционально косинусу четвёртой степени от половины угла поля зрения). В О. для любительской и профессиональной фотографии неравномерность освещённости корригируется при расчёте аберраций О.; у др. типов фотообъективов освещённость выравнивается с помощью специальных фильтров.

К длиннофокусным относятся О., фокусное расстояние которых превышает трёхкратную величину линейного поля зрения (для большей части фотографических О. это 100—2000 мм). Длиннофокусные О. применяются для съёмки удалённых 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 хроматических аберраций и т.д.

Выбор освещённости в плоскости изображения фотообъектива зависит от яркости объекта, чувствительности фотоматериала или иного приёмника света и требуемой глубины изображаемого пространства (глубины резкости). Изменение освещённости осуществляется путём 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). Освещённость 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), даёт 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 трёх слоев цветной обратимой плёнки. Это обеспечивает правильное воспроизведение цветов объектов, изображаемых на таких плёнках.

Широко применяются т. н. панкратические О. с переменным фокусным расстоянием (таковы многие киносъёмочные объективы); изменение этого расстояния осуществляется перемещением отдельных компонентов О., при котором его относительное отверстие обычно остаётся 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 счёт 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 отражённом 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.

Объективы 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 освещённость 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 приведённой 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, W., 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.