Об'єктиви прості й складні
Зображення на плівці (в "традиційному" фотоапараті) або на матриці (у цифровому) народжується об'єктивом. Від його властивостей багато в чому залежить результат. З об'єктивів і почнемо...
Найпростіший об'єктив (монокль) складається з однієї лінзи. Відома зі школи формула геометричної оптики зв'язує відстані від лінзи до об'єкта з відстанню від лінзи до його зображення так: 1/L+1/d=1/F, де F називається (по визначенню) фокусною відстанню. Зокрема, нескінченно далекі об'єкти будуть "фокусироваться" саме на цій відстані (d=F). У теорії все виглядає чудово - будь-яка крапка переходить у крапку, площину - у площину. На практиці всі набагато складніше, і по краях зображення в будь-якій лупі ми бачимо кольорове розмазане місиво замість чіткої картинки.
Це пов'язане з тим, що відома формула виведена (і справедлива) лише для тонких приосевих пучків монохроматичного світла. Подібно тому, як складну криву поблизу кожної крапки можна "наблизити" дотичній (математики це називають поруч Тейлора), складну формулу реальної лінзи "наближають" простою формулою геометричної оптики тим точніше, ніж
1. менше діаметр "працюючої" частини лінзи,
2. монохроматичнее висвітлення (переломлення скла залежить від цвіту променя, а разом з ним і фокусна відстань, тому промені різних квітів від того самого об'єкта сфокусуються, загалом кажучи, у різних місцях)
3. ближче об'єкт до оптичної осі.
Назвемо це умовами застосовності згаданої формули.
Відхилення від "ідеальної" формули прийнято називати абераціями. Їх кілька видів, але докладно розглядати ми їх не будемо. Розділимо тільки на "хроматичні" і "геометричні". Якщо згадати аналогію з поруч Тейлора, то геометричні аберації (дуже грубо) викликані "нелінійними" членами більше високих порядків. При цьому "малими" змінними є товщина пучка (умова застосовності 1) і кут об'єкта від осі (умова застосовності 3), а від геометрії лінзи залежать коефіцієнти при цих змінних. Якщо закрити краї лінзи непрозорою пластинкою з отвором по центрі, товщина пучка зменшиться, умова застосовності 1 почне краще виконуватися й при будь-якій геометрії лінзи, тобто при будь-яких коефіцієнтах, частина перекручувань зменшиться. Згадана пластинка з отвором називається діафрагмою. Зменшення отвору називають "закриттям", а збільшення - "відкриттям" діафрагми. Вимірюють ступінь диафрагмирования безрозмірним числом діафрагми, рівним відношенню фокусної відстані до діаметра отвору. Типові значення - від 2 до 16 (стандартні значення випливають із кроком у корінь із двох: 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11,16), хоча буває й 1,4 і 32. Запам'ятаємо поки важливий висновок: із закриттям діафрагми аберації будь-якого об'єктива зменшуються.
Але закриття діафрагми не завжди припустимо, тому що впливає на експозицію й глибину різкості (далі - ГРИП, або Глибина Резкоизображаемого Простору), ми про цей вплив поговоримо небагато пізніше. Та й кут зору не завжди малий (наприклад, в "широкоугольниках"). Т.е. наші "малі" змінні не завжди безболісно можна зменшити. Залишається працювати з коефіцієнтами при них. Виявляється, що для різних форм лінз і різних сортів стекол коефіцієнти мають не тільки різні значення, але й різні знаки, тому якщо зробити об'єктив з декількох лінз, коефіцієнти деяким чином підсумуються й можна підібрати конфігурацію так, що сумарні аберації системи лінз на порядок менше ніж кожної окремо. Приблизно в такий же спосіб можна боротися й із хроматичними абераціями - застосуванням лінз із різним знаком т.зв. "дисперсії"(різного відхилення променів різного цвіту). Саме тому реальні об'єктиви звичайно складаються із трьох і більше елементів. Теоретично, збільшуючи кількість елементів, можна послідовно зменшувати всі аберації. Однак у гру вступають інші фактори: розсіювання в склі, перевідбиття від поверхонь і нагромадження помилок у виготовленні/складанню. Чим більше елементів, тим краще повинне бути якість скла, якість просвітління (напиляний шар для зменшення перевідбиттів), якість і точність складання, що помітно збільшує масу об'єктива й ще більш помітно - його вартість. Звичайно складні об'єктиви мають не більше 10-15 елементів. Якщо ж потрібно розрахувати об'єктив зі змінною фокусною відстанню (у просторіччі - "зум"), завдання сильно ускладнюється. Якщо раніше потрібно було "підбирати" коефіцієнти під кілька відстаней від об'єкта, під кілька кутів (або відстаней до осі) і при декількох (звичайно - трьох) довжинах хвиль, то тепер всі те ж саме, але ще й при різних фокусних відстанях! Як правило, неможливо "рівномірно" усунути кожний вид аберації при всіх положеннях зума - якась більше на "широкоугольном" кінці, якась - на "довгому". І чим більше відрізняються фокусні відстані (тобто чим більше "кратність зума") - тим менш здійсненна завдання.
Згадаємо про діафрагму. Оскільки коефіцієнти нижніх порядків у великому ступені скомпенсовані, ріст перекручувань із відкриттям діафрагми може бути набагато крутіше лінійного. Іншими словами, якщо об'єктив задовільно скомпенсований при діафрагмі 5,6, при отворі 4 перекручування можуть стати помітні, а при 2,8 - нестерпні. Звідси треба два висновки:
- один з найбільше часто застосовуваних способів здешевлення об'єктивів при збереженні задовільних перекручувань - обмеження діафрагми середнім (близько 5,6) або навіть високим(8-11) значенням.
- як правило, аматорські об'єктиви проектують так, щоб при максимально відкритій діафрагмі (вона ще називається світлосилою) аберації були рівні гранично припустимими по стандарті,( тобто цілком помітні, хоча не вопиющи). Більше - честь фірми не дозволяє, а менше - дуже дорого. Але коштує "відступити" пари розподілів - і перекручуваннями цілком можна зневажити. Тому якщо потрібно одержати чітко пророблені кадри, як правило, краще прикрити діафрагму на парі розподілів від повністю відкритої. Зрозуміло, якщо немає інших протипоказань (якщо мало світла, або потрібно розмити тло, або потрібна коротка витримка - діафрагму, звичайно, відкривають повністю).
Неважко з останнього висновку зробити й ще один: якщо залишатися усередині одного "класу" оптики (наприклад, "аматорського"), те із двох об'єктивів з однаковими фокусними відстанями(або однаковим діапазоном фокусних відстаней) на одній і тій же діафрагмі якісніше буде більше светосильний. Підведемо підсумки. Проектування об'єктивів - складний пошук компромісу між ціною, вагою, перекручуваннями, світлосилою й кратністю зума. Параметри можуть варіюватися в широких межах і поліпшення кожного з них негайно погіршує інші. Наприклад:
- При однаковій ціні й світлосилі чим більше кратність зума, тим нижче якість. Максимальна якість - в "фіксів"(об'єктивів з постійною фокусною відстанню)
- При однаковій якості чим більше кратність зума, тим менше світлосила
- При однаковому зуме (або фокусній відстані) чим більше світлосила, тим вище ціна. Кожний розподіл діафрагми може подвоїти-потроїти ціну!
- И так далі. Не може бути об'єктива з високою кратністю зума, светосильного, якісного, легкого й дешевого ОДНОЧАСНО!
