87. Основные типы фотографических объективов

Фотографические объективы можно классифицировать по различным признакам, присущим тем или иным типам. Оптики-конструкторы, разрабатывающие оптические системы фотообъективов, определяют их тип числом включаемых линз, формой и знаком фокусного расстояния линз, последовательностью их взаимного расположения, т. е. на основе оптической схемы. Типы фотообъективов различают также по оптическим характеристикам: фокусному расстоянию относительному отверстию и угловому полю или формату кадра (см. п. 83). Фотообъективы можно различать по назначению: для наземной фотографии, аэрофотографические, киносъемочные, телевизионные, инфракрасные и т. п. Наконец, можно в основу разделения фотообъективов положить принцип их геометрического устройства: например, нормальными иногда называют объективы, фокусные расстояния которых больше фокального отрезка и меньше расстояния от первой поверхности до плоскости изображения. Если фокусное

расстояние объектива равно расстоянию от первой поверхности до плоскости изображения или больше его, то такой объектив называют телеобъективом, если фокусное расстояние равно заднему фокальному отрезку или меньше его, — реверсивным и т. д.

По степени коррекции аберраций различают объективы ахроматы, апохроматы, апланаты и анастигматы. Фотографические объективы в основном относятся к анастигматам с ахроматической или даже апохроматической степенью исправления хроматических аберраций, и поэтому их оптическая схема содержит три линзы и более.

Рассмотрим основные типы объективов в основном по оптичет ским характеристикам. На рис. 206 приведены оптические схемы рассматриваемых объективов, а в табл. 9 — характеристики как группы объективов, так и отдельных объективов, принадлежащих к этой группе.

Наиболее обширную группу фотообъективов составляют так называемые универсальные — это объективы, оптические

Рис. 206. (см. скан) Оптические схемы фотографических объективов: а — «Триплет Т-43»; б - «Иидустар-61»; в — «Вега-1»; г - «Юпитер-8»; д - «Гелиос-44»; с - «Мир-1»; ж - МР-2; » - «Орион-15»; и — МТО-500; к - «Таир-3»; л - «Телемар-22»

(см. скан)

характеристики которых имеют средние значения, т. е. относительные отверстия не превышают а угловые поля

К этой группе относятся объективы марок «Триплет», «Вега» и «Индустар». Объективы марки «Триплет» являются трехлинзовыми объективами (рис. 206, а), и их широко используют в простых любительских фотоаппаратах. Относительное отверстие у большинства объективов этой группы составляет С появлением лаитаиовых стекол были созданы объективы с относительным отверстием до Существуют несколько теорий расчета «Триплета», например, . Слюсарева, Волосова и др.

Самым распространенным объективом-анастигматом является «Индустар», более совершенный по исправлению аберраций, чем «Триплет», и поэтому обеспечивающий лучшее качество изображения. В объективе «Иидустар-61» (см. табл. 9 и рис. 206, б) применены лаитановые стекла, что позволило получить достаточно хорошее разрешение.

Объективы «Вега» находятся на границе универсальных и светосильных объектийов, их относительное отверстие угловые поля до 50°, они обеспечивают достаточно хорошее качество изображения. Объективы этой группы «Вега-1» (рис. 206, в) и «Вега-3» являются пятилиизовыми объективами.

Большую группу составляют светосильные фотографические объективы, относительные отверстия которых имеют значение порядка угловые поля не более Наиболее типичными представителями этой группы являются объективы «Юпитер» и «Гелиос», в частности «Юпитер-8» (рис. 206, г) и «Гелиос-44» (рис. 206, 5). Оба объектива шестилиизовые, но в «Юпитере-8» использовано пять различных сортов стекла, а в «Гелиосе-44» только три, при этом в нем точно совпадают визуальная и фотографическая плоскости изображения. К этой же группе светосильных относятся объективы с несколько увеличенным фокусным расстоянием, равным («Юпитер-9» и «Гелиос-40»).

К группе широкоугольных относятся объективы марок «Мир», «Орион», «Юпитер-12».

Объективы «Мир-1» (рис. 206, е), «Мир-10», «Юпитер-12» можно причислять к светосильным широкоугольным объективам, причем объективы «Мир» имеют несколько выше разрешение на краю поля. Схема объектива «Мир-10» отличается сравнительно небольшим количеством использованных сортов стекол. У объектива (рис. 206, ж), разработанного лауреатом Ленинской и Государственных премий проф. . Русииовым, наибольшее из перечисленных объективов угловое поле. Объектив «Орион-15» (рис. 206, з) отличается простой конструкцией (четыре линзы и всего два сорта стекла).

В последние годы отечественная оптическая промышленность серийно выпускает фотографические объективы новых моделей, значительная часть которых имеет многослойное ахроматическое просветление (условное обозначение — благодаря которому

в многолинзовых оптических системах достигаются существенное повышение коэффициента пропускания и практически полное уничтожение вредного рассеянного света.

К их числу относятся объективы, которые можно разделить на следующие группы.

1. Ряд сменных объективов для малоформатных зеркальных фотоаппаратов (далее в скобках последовательно указаны: фокусное расстояние угловое поле, диафрагменное число фотографическая разрешающая способность в центре поля и на краю поля

объектив для макросъемки (50; 46; 2,8; 42; 30);

особосветосильный объектив (135; 18; 1,8; 50; 30);

длиннофокусный апохромат (300; 8; 4,5; 60; 35);

зеркально-линзовый объектив (300; 8; 5,6; 45; 32), имеющий продольные размеры в 2 раза меньшие, чем размеры предыдущего объектива.

2. Объективы переменного фокусного расстояния (далее последовательно в скобках приведены: диапазоны изменений фокусных расстояний, угловых полей и диафрагменных чисел):

«МС Янтарь-14Н» с разрешающей способностью, при

с разрешающей способностью, при

3. Объективы для среднеформатных зеркальных фотоаппаратов (далее в скобках указано то же, что и для малоформатных объективов):

длиннофокусный компактный ;

сверхширокоугольные светосильные объективы серии «Зодиак-8» (30; 180; 3,5; 52; 15).

Особую группу фотообъективов составляют так называемые телеобъективы. Основным преимуществом телеобъективов перед нормальными объективами является уменьшенная длина от первой поверхности до плоскости. Показатель укорочения длины характеризуется коэффициентом телеобъектива

Принцип построения телеобъектива из бесконечно тонких компонентов иллюстрирует рис. 207.

Рис. 207. Схема телеобъектива

Наиболее распространена двухкомпонентная система, в которой первый компонент положительный, а второй — отрицательный. Каждый из бесконечно тонких компонентов в реальном объективе представляет собой группу линз. Поэтому по отношению к реальному объективу следует применять термин — двухгрупповой телеобъектив. Обычно величина несколько больше

Используя коэффициент и формулу (68), получим:

После перехода от оптических сил к фокусным расстояниям будем иметь:

Определим наибольшее значение взяв первую производную от по в равенстве (381), тогда получим:

После подстановки в выражения будем иметь:

Формулы являются основными формулами, позволяющими найти оптимальные параметры телеобъектива при условии минимальности оптической силы второй группы линз по абсолютному значению.

Ход лучей, положение входного и выходного зрачков, а также апертурной диафрагмы в двухгрупповом (двухкомпонентном) телеобъективе показаны на рис. 208. В телеобъективах световой диаметр первой группы линз обычно равен световому диаметру объектива, т. е. Тогда нижний луч наклонного пучка лучей проходит первый компонент на высоте а главный луч определяет положение входного зрачка с учетом принятого коэффициента виньетирования

Рис. 208. Положение зрачков и апертурной диафрагмы в телеобъективе

Положение апертурной диафрагмы определится из формулы отрезков

Положение выходного зрачка от второго компонента также можно найти по формуле отрезков:

Световой диаметр второго компонента определяется ходом верхнего наклонного луча, высота которого на втором компоненте определяется расчетом луча по формулам углов и высот (78).

Телеобъективы применяются преимущественно при больших фокусных расстояний. Как правило, телеобъективы имеют и относительное отверстие до

В большинстве случаев последняя группа линз имеет отрицательное фокусное расстояние, что и позволяет получить меньшее значение Иногда последняя группа линз имеет положительную оптическую силу, но тогда мало отличается от единицы («Юпитер-11» и «Юпитер-16») и мала эффективность укорочения длины.

Применяя последовательно формулы углов и высот (52) и (53) и учитывая вывод формулы оптической силы двух систем (см. п. 21) при получим основные уравнения трехгрупповой системы, составленной из бесконечно тонких компонентов

При где

Трехгрупповая система имеет большое число параметров: поэтому частью их задаются, например

Рис. 209. Двухзеркальная система с блендами

На рис. 206, к, л приведены схемы телеобъективов «Таир-3» и «Телемар-22» с коэффициентами соответственно равными 0,96 и 0,8.

К телеобъективам также относятся зеркальные и зеркальнолинзовые объективы, коэффициент которых значительно меньше, чем линзовых объективов. Например, у зеркально-линзового объектива (см. рис. 206, и)

Зеркальные системы имеют то преимущество перед линзовыми, что свободны от хроматиечских аберраций. Наибольшее распространение в качестве телеобъектива благодаря своей компактности получила двухзеркальная система Кассегрена (рис. 209).

Коэффициент телеобъектива двухзеркальной системы определяется выражением

Фокусное расстояние зеркальной системы рассчитывают по формуле

а задний фокальный отрезок —

Конструктивные данные двухзеркальной системы зависят от выбора величин: При на основании формулы высот и с учетом того, что получим:

Использование формулы радиуса (79) при дает

При определении относительного отверстия двухзеркальной системы учитывают кольцеобразную форму входного зрачка. Площадь входного зрачка находят по формуле (см. рис. 209)

Приравнивая это выражение к плошади круглого зрачка, найдем диаметр условного входного зрачка а затем и относительное отверстие применяемое для светоэнергетических расчетов. Угловой предел разрешения вычисляют по диаметру осевого пучка

Для предупреждения засветки изображения посторонним («паразитным») светом в двухзеркальных системах применяют бленды цилиндрическую и коническую (см. рис. 209). Размеры бленд определяют по ходу критического луча возможной засветки. Лучи, идущие под меньшим углом к оси, чем луч будут задерживаться малым зеркалом и конической диафрагмой. Лучи, идущие под большим углом, не пропустит цилиндрическая диафрагма.

Разместим центр прямоугольной системы координат в вершине малого зеркала. Тогда точка будет иметь координаты которые можно вычислить по следующим приближенным формулам:

Луч отсекает в плоскости изображения отрезок длиной

Если изображение у меньше по абсолютному значению то цилиндрическая диафрагма не требуется. Если то необходима цилиндрическая диафрагма диаметром удаленная от вершины малого зеркала на расстояние

Для получения хорошего качества изображения в двухзеркальной системе используют асферические поверхности [33] или применяют дополнительные линзовые элементы. В последнем случае система становится зеркально-линзовой и может состоять (рис. 210) из переднего линзового компенсатора I, установленного в параллельном ходе лучей, зеркальных частей II большого и малого зеркал и заднего линзового компенсатора III, устанавливаемого в сходящемся пучке лучей.

Передние компенсаторы могут состоять из нескольких линз (одной, двух, трех) со сферическими поверхностями, одной линзы Шмидта с несферической поверхностью или ахроматического мениска Максутова, обращенного к предметам вогнутой стороной. Передние компенсаторы служат для исправления сферической

Рис. 210. Схема зеркально-линзового объектива

аберрации двухзеркальной системы и не должны вносить хроматических аберраций.

Задние компенсаторы применяют для коррекции комы и кривизны поля изображения. В основном — это одно-, двухлинзовые компоненты. Созданием внутренних отражающих поверхностей на большом и малом зеркалах можно получить дополнительные параметры для исправления аберрации, но при этом усложнится конструкция (см. п. 124).

Широкое распространение получили панкратические фотообъективы, позволяющие в определенном диапазоне непрерывно изменять фокусное расстояние, что приводит к изменению масштаба изображения. Изменение масштаба достигается перемещением отдельных групп линз объектива вдоль оси. Плоскость изображения должна оставаться неподвижной для всего диапазона изменения масштаба изображения. Для этого необходимо, чтобы, по крайней мере, две группы линз одновременно могли перемещаться на разные расстояния.

Панкратические объективы делят на вариообъективы и трансфокаторы.

Вариообъективом называется оптическая система, в которой изменение фокусного расстояния достигается действием всех групп линз. Трансфокатор — это оптическая система, состоящая из панкратической афокальной насадки и неподвижного объектива в виде последней группы линз. В вариообъективе последняя группа линз может быть как подвижной, так и неподвижной, а в трансфокаторе всегда последняя группа линз неподвижна и перед ней имеется параллельный ход лучей.

Панкратические объективы, в которых компенсация сдвига плоскости изображения обеспечивается за счет перемещения по нелинейному закону даже одного компонента, называются объективами с механической компенсацией. Панкратические объективы, в которых сдвиг плоскости изображения компенсируется за счет перемещения некоторых компонентов по линейному закону, называются объективами с оптической компенсацией (например, «Рубин-1»),

Основной характеристикой панкратических объективов является перепад увеличений, определяемый отношением

В объективах для любительской фотографии обеспечивают а для любительской кинематографии — преимущественно Современные тенденции развития

панкратических систем заключаются в стремлении получить перепады увеличений до и даже до

Перепад фокусных расстояний трансфокаторов определяется изменением углового увеличения афокальной насадки:

Если фокусное расстояние неподвижного объектива трансфокатора равно

Простейшим вариообъективом является двухкомпонентная система, которую можно представить состоящей из двух тонких компонентов с фокусными расстояниями расположенных друг от друга на расстоянии Из формулы оптической силы (58) следует:

Величина определяет расстояние от второго компонента до плоскости изображения, расстояние между компонентами, плавное изменение которого позволяет получить непрерывное изменение фокусного расстояния.

Двухкомпонентные системы обеспечивают перепады увеличений до 20 при соответствующем выборе оптических сил компонентов, и поэтому они стали основой для большинства схем панкратических объективов.

Нелинейный закон перемещения какой-либо группы линз требует усложнения оправы объектива, поэтому естественно стремление перемещать группы линз по линейному закону. Одним из таких решений является применение перемещающихся жестко связанных двух компонентов, между которыми располагается неподвижный второй компонент. Обычно после подвижной части применяют еще один неподвижный объектив. Таким образом получается четырехкомпонентный панкратический объектив. Каждый компонент в реальной системе будет представлять собой совокупность линз, выполняющих самостоятельную роль в формировании промежуточных изображений и обеспечивающих обрат зование конечного действительного изображения соответствующего масштаба.

При линейном одновременном перемещении двух жестко связанных компонентов (групп линз) плоскость изображения несколько смещается, поэтому такие объективы являются объективами с оптической компенсацией.

Наиболее распространены две схемы рассматриваемых объективов: два положительных компонента перемещаются относительно отрицательного неподвижного, (рис. 211, а) или два отрицательных компонента перемещаются относительно положительного неподвижного (рис. 211,б).

Например, в пятикомпонентном панкратическом объективе «Рубин-1» компоненты I, III, V — неподвижные, а положительные компоненты II и IV жестко гвяяаны и линейно перемещаются

Рис. 211. Четырехкомпонентные вариообьективы

относительно отрицательного компонента III (рис. 212) (в табл. 10 приведены характеристики этого объектива).

В литературе подробно изложены теоретические основы расчета оптических панкратических систем различного назначения и вопросы их проектирования.

Кроме перечисленных выше известны некоторые другие типы фотообъективов: реверсивные, дисторзирующие, концентрические, для подводной съемки [311 и др.

Реверсивными (обратными) телеобъективами называют короткофокусные фотообъективы с увеличенным задним фокальным отрезком, позволяющим в пространстве между объективом и пленкой ввести зеркало для отвода пучков лучей в визирную часть аппарата. Реализовать такой объектив можно, если первую группу линз выбрать отрицательной, а вторую — положительной (рис. 213).

Для фотографии и кинематографии реверсивные объективы конструируют таким образом, чтобы в тонкой системе апертурная диафрагма и выходной зрачок почти совпадали и находились в главной плоскости второго компонента (рис. 213, а), а для цветного телевидения применяются объективы, у которых апертурная диафрагма расположена вблизи переднего фокуса второго объектива (рис. 213, б). При этом получается телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений. Такой принцип построения реверсивного телеобъектива оптимален и для цветной фотографии, но его трудно реализовать в объективах с большим относительным отверстием.

Реверсивные телеобъективы характеризуются кроме основных величин также следующими коэффициентами:

заднего фокального отрезка

телеобъектива значение которого и часто достигает

диаметра объектива

габарита позволяющим оценить рациональность конструкции. В реальных реверсивных телеобъективах его значение составляет Чем больше коэффициент габарита при данном тем труднее обеспечить хорошую аберрационную коррекцию, но зато сам объектив более компактен.

Дисторзирующие объективы — это объективы, создающие в изображении заведомо предусмотренную дисторсию. При наличии

(кликните для просмотра скана)

у объектива значительной отрицательной дисторсии удается практически одновременно фотографировать пространство предметов в угловых полях более 180° (метеорология, космос). Размер изображения следует определять не по формуле а, например, по формуле В последнем случае при будем иметь т. е. диагональ изображения будет вдвое больше фокусного расстояния.

Принцип устройства дисторзирующего объектива иллюстрирует рис. 214, а. Впервые реализовать такой объектив удалось Гиллю в 1930 г. (рис. 214, б) с угловым полем 180° и относительным отверстием Дисторзирующие объективы выполняются по геометрической схеме реверсивных телеобъективов, но в отличие от последних они не являются ортоскопическими. Первая группа состоит из одной или двух линз и создает большую дисторсию (рис. 214, в, г). Вторая группа линз служит для исправления аберраций в целях получения резкого изображения.

На пути создания особо широкоугольных объективов весьма существенным препятствием является влияние косинуса четвертой степени угла поля изображения. Но в результате отрицательной дисторсии на краях поля изображения здесь происходит как бы сгущение пучков лучей и практически оптическая плотность изображения не уступает таковой в центре поля.

Концентрическим называется объектив, все сферические поверхности которого имеют единый центр кривизны. Такой объектив образует изображение на вогнутой сферической поверхности. Центром входного и выходного зрачков и, следовательно, апертурной диафрагмы, является центр кривизны поверхностей. Главный луч проходит без преломления и обладает свойствами луча, проходящего по оптической оси. Осевой и наклонный пучки также идентичны (рис. 215), поэтому аберрационная коррекция сводится к коррекции сферохроматической аберрации. Кома, астигматизм и дисторсия в концентрическом объективе отсутствуют.

Эти объективы отличаются широкоугольностью и значительным относительным отверстием Впервые такой шаровой объектив был предложен Суттоном в 1859 г.