§ 6.2. Фотографический аппарат

В фотографическом аппарате (рис. 6.2) действительное обрашое изображение предмета образуется одной литом (или комбинацией линз) на поверхности фотографической пленки или пластики. Предмет может бьпь неподвижным или движущимся относительно камеры. В последнем случае необходимы короткие выдержки и соответственно большая апертура, обеспечивающая достаточное количество света. Как следует из (4.8.24), количество света от протяженного предмета, приходящееся на единицу площади изображений (освещенность Е), пропорционально отношению , где — диаметр входного зрачка, фокусное расстояние, т. е. обратно пропорционально квадрату числа (номинальное фокальное отношение).

Обычно его можно менять с помощью переменной диафрагмы .

В отсутствие аберраций линейный размер изображения удаленного объекта, вйдимого под углом в первой узловой точке, равен . Следовательно, для получения изображения большого размера фокусное расстояние должяо быть большим Таким образом, для фотоаппарата важны две основные характеристики фокусное расстояние его оптической системы и диапазон изменения фокального отношения, который эта система допускает. Еще одно требование, которое можно предъявить фотоаппарату — это большая широкоугольность. Фотоаппараты часто конструируют так, чтобы поле их зрения охватывало углы от а фокусные расстояния варьировали от 25 мм до Еще большие фокусные расстояния используются в астрономической фотографии, где поле очень малых угловых размеров с точечными объектами часто должно изображаться в большом масштабе.

В простых небольших фотоаппаратах используется одиночная собирательная линза, обычно в виде мениска (вогнуто-выпу клая), с диафрагмой, несколько отодвинутой от нее, как это показано на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Фотографический аппарат.

Рис. 6.3. Объективы разного типа, с — объектив Шевалье, — объектив Петцваля. в — объектив Рапид Ректилинеар; — объектив Тоногон.

Такие линзы, не исправленные на хроматическую аберрацию, оставались вполне пригодными до тех пор, пока фотографические эмульсии были чувствительны глазным образом к небольшому участку в синей части спектра (4000—4800 А). Подобные линзы применялись в дешевых типах фотоаппаратов с фокальным отношением и с полем

Мениск, названный «ландшафтной линзой», появился около 1812 г., но вскоре его заменил ахроматический дублет Шевалье (рис. 6.3, а). Хотя с помощью ахроматической комбинации и удалось совместить фокусировку фотографически активного света и фокусировку всего видимого света (максимум яркости около , однако при фокальном отношении, меньшем хорошего изображения полуяить не удавалось. Потребность в более

сильных объективах (т. е. с меньшим фокальным отношением) для портретной фотографии привела к широкому распространению портретного объектива Петцваля, созданного около 1840 г. (рис. 6.3, б). Этот объектив состоял из двух отдельных дублетов. Кривизна поля изображения, создаваемая таким объективом, довольно значительна, но для поля, не превышающего нескольких градусов, достигается хорошая четкость при фокальном отношении до . Улучшенный Даллмейером объектив Петцваля широко применяется в кинопроекторах. 1

Примерно с 1841 г. стало известно, что симметричные объективы всегда свободны от дисторсии, что строго справедливо только для случая единичного увеличения, но достаточно близко к истине и для других рабочих расстояний. Этот принцип лег в основу расчета целого ряда пряморисующих фотографических объективов. Объектив Рапид Ректилинеар Даллмейера (рис. 6.3, в), существующий с 1866 г., применялся во многих фотоаппаратах и в конце концов в 1920 г. его фокальное отношение стало меньше а поле составляло примерно 45°. Многие фирмы выпускали такие объективы и они получили общее название «апланатов». Тот же принцип симметрии, позволяющий устранить дисторсию, многократно использовался при конструировании широкоугольных объективов. Первый объектив такого тина Гипергон Герца 1900 г. мог охватить плоское поле размером до 150° при фокальном отношении около 25, хотя значительно чаще достаточным было поле в 90° при Четырехкомпонентный Топогон (рис. 6.3, г) 1933 г. с полем в при лег в основу конструкции современных широкоугольных объективов.

В течение большой части девятнадцатого столетия конструкторы объективов были ограничены в своем выборе двумя основными типами стекол: боросиликатным кроном и тяжелым флинтом. Около 1890 г. Иенская компания ввела совершенно новый сорт стекла — бариевый крон, имеющий большой показатель преломления при малой дисперсии. Применение стекла такого типа в системе линз объектива позволило добиться большей степени коррекции. Рудольф из Иены, с чьим именем связано появление многих типов фотографических объективов, придумал название «анастигмат» для объектива, у которого для одного внеосевого направления астигматизм может быть полностью устранен. Пользуясь только старыми сортами стекол, Рудольф изготовил анастигмат, который позже стал известен под названием Протар Цейсса (рис. 6.4, а).

Рис. 6.4. Объективы разного типа, а — объектив Прсэтар; б — объектив Дагор; в — объектив Селор; г — объектив Тессар.

Применив же три сорта стекла, он смог изготовить анастигматический триплет. Два анастигматических триплета, соединенные симметрично, дали хорошо скорректированную систему. Такой объектив выпускался Цейссом под названием Трипль Протар и Герцем — под названием Дагор или двойной анастигмат (рис. 6.4, б). Типичный объектив подобного типа может охватить поле в при . Позднее Рудольф показал, что если каждая половина образована четырьмя склеенными компонентами, то она может быть «самостоятельной», т. е. половины с разными фокусными расстояниями можно использовать либо по отдельности, либо в комбинации. Такой объектив был изготовлен в 1894 г. и называется Дубль Протар.

Объектив, состоящий из четырех отдельных элементов, был усовершенствован Герцем в 1898 г, и получил название Селор (рис. 6.4, в); он стал прототипов

некоторых известных объективов с фокальным отношением до (например, Унифокаль Штейнхеля и Авиар Кука для аэрофотографии). В 1902 г. Рудольф создал свой Тессар (рис. 6.4, г), до сих пор пользующийся широкой известностью как относительно недорогой объектив, дающий превосходное изображение по полю до 60° с фокальным отношением, меньшим Изготовляют такие объективы с самыми разными фокусными расстояниями.

Старая конструкция Рудольфа — симметричный Планар 1895 г.- состояла из двух менисковых линз, служащих первым и последним элементами системы (рис. 6.5, а).

Рис. 6.5. Объективы разного типа. а - объектив Планар; б — объектив Биотар Цейсса, в — триплет Кука, г — объектив Зоннар

После 1920 г. было разработано много очень светосильных объективов, у которых первым элементом была менисковая линза, а последним в большинстве случаев склеенный дублет (например, Биотар Цейсса (рис. 6.5, б), рассчитанный Мертье).

Другое направление в конструировании объективов, начатое в 1895 г. Тейлором, возникло благодаря усовершенствованию трехлинзового анастигмата, известного под названием триплет Кука (рис. 6.5, о). Достоинство такой трехэлементной системы заключается в возможности многочисленных вариаций параметров отдельных элементов. В недорогих фотоаппаратах эти «анастигматические» конструкции повсюду заменили «аплапатические» объективы старых систем типа Рапид Ректилинеар. Светосильные объективы, предшественником которых можно считать триплет Кука (например, Зоннар , рис. 6.5, г), широко используются в кинокамерах и миниатюрных фотоаппаратах. У Зоннара центральный отрицательный элемент и второй положительный — триплеты.

В камерах, предназначенных для специальных целей с большими эффективными фокусными расстояниями и соответственно малыми полями зрения, можно использовать оптическую систему, состоянию из объектива и линзы, удлиняющей фокус.

Рис. 6.6. Телеобъектив (а) и фотогелиограф (б).

В телеобъективах удлинение фокуса обеспечивается рассеивающей линзой, помещенной перед первичным изображением (рис. 6.6, а). В фотогелиографе — приборе, предназначенном для фотографирования Солнца в большом масштабе, обычно применяется удлиняющая система собирающего типа (рис, 6,6, б). Эффективное фокусное расстояние такой системы приближенно

определяется выражением (4.7.3), т. е.

где — соответственно фокусные расстояния объектива и удлиняющей линзы, а расстояние между ними. У подобных систем эффективное фокусное расстояние может превышать расстояние от объектива до фокальной плоскости в 15 раз.

В заключение следует отметить, что число характеризует «скорость действия» фотографического объектива только в случае протяженного объекта. В случае точечного источника (что действительно имеет место в астрономии) свет в плоскости изображения в идеале будет концентрироваться на исчезающе малой площадке. Тогда лучшей характеристикой оптической силы объектива будет не число а квадрат диаметра апертуры. На самом же деле все обстоит значительно сложнее и существует ряд причин, увеличивающих изображение точечного источника до конечной (хотя часто и очень малой) величины. Главные из них — дифракция (см. гл. 8), зернистость (фотографической эмульсии и нестабильность атмосферы.