Зачем столько линз в объективе? За полтора века использования линз в фотографии их число увеличилось на порядок, и каждая из них зачем-то нужна, но каждая из них дает блик, и если объектив просветленный, то он цветной.

Нет в мире совершенства!

Как хорошо было с камерой-обскурой: не надо фокусировать, не надо думать о глубине резкости, хочешь изменить угол обзора - просто измени расстояние между дыркой и плоскостью изображения, - и никаких хлопот.

Но фотографам вечно не хватает света, и они решили увеличить дырку, а чтобы не потерять резкость, поставили линзу, и вот тут появились сферические аберрации, хроматические аберрации, кома , дисторсия.

В общем, начали с одной линзы, но остановиться не сумели, и стало число линз множиться с катастрофической быстротой.

Итак, мой рассказ о том, зачем так много линз, и о некоторых терминах, которые часто встречаются при описании объективов.

Основной характеристикой объектива, определяющей его способность давать ту или иную освещенность фотослоя, является светосила. Объектив тем светосильнее, чем больше его отверстие и чем короче его фокусное расстояние. Эта взаимосвязь выражается величиной относительного отверстия, которая показывает, сколько раз диаметр отверстия укладывается в фокусном расстоянии объектива. В фотографии принято следующее деление объективов по светосиле:
Сверхсветосильные 0,7-2
Светосильные 2,8-4,5
Малосветосильные 5,6 и менее.

Попытки увеличить светосилу и при этом не очень ухудшить изображение, вероятно, начались в 1812 г., когда Волластон применил выпукло-вогнутую линзу (мениск) в камере-обскуре.

Получилось более яркое изображение, но не очень четкое и не точное по геометрическим размерам, хотя и лучшее, чем с двояковыпуклой линзой.

Дефекты изображения, обусловленные недостатками оптической системы, носят общее название аберрации.

К этим недостаткам относятся: сферическая аберрация; хроматическая аберрация; дисторсия; астигматизм; кома.

Сферическая аберрация вызывается тем, что степень преломления лучей, попадающих на края линзы, больше, чем степень преломления лучей, располагающихся ближе к центру, поэтому широкий пучок лучей после преломления пересекается не в одной, а в нескольких точках.

Путем придания поверхности линзы асферической формы можно устранить сферическую аберрацию. Однако технология изготовления стеклянных асферических линз весьма дорога и получила развитие только в последние годы. Варианты использования свободных от сферической аберрации линз Френеля и плоских линз с переменным показателем преломления не получили развития в фотографии.

На практике при изготовлении фотообъективов влияние сферической аберрации уменьшают путем подбора к собирающей линзе менее сильной рассеивающей линзы. В последнее время получило развитие использование в объективах наряду со стеклянными сферическими линзами и асферических, изготовленных формовкой органических пластиков.

Хроматическая аберрация обусловлена дисперсией света, возникающей при прохождении его через линзу. Это явление связано с тем, что лучи с разной длиной волны преломляются под разными углами.

Значительного уменьшения хроматической аберрации добиваются путем сочетания в оптической системе сильной собирающей линзы, изготовленной из оптического стекла крон, и слабой рассеивающей линзы, изготовленной из стекла флинт. Такая линза называется ахроматической или ландшафтной. Объективы, в которых устранена хроматическая аберрация в двух основных участках спектра,называются ахроматами, а объективы, скорректированные для трех цветов, - апохроматами.

В 1840 г. Шевалье использовал ахромат в первых фотокамерах. Этот объектив состоял из двух линз с различной дисперсией, склеенных вместе.

Дисторсия характеризуется искривлением прямых линий и имеет такое же происхождение, что и сферическая аберрация. На характер дисторсии влияет положение диафрагмы: если диафрагма расположена перед линзой, то дисторсия имеет бочкообразую форму, а если диафрагма расположена за линзой, - то подушкообразную. Этот вид аберрации устранен у симметричных объективов, выполненных из двух одинаковых компонентов, между которыми размещается диафрагма. Объектив, состоящий из двух менисков, называется перископом.

Таким образом, чтобы исправить сферическую и хроматическую аберрации в отдельности, достаточно двух линз. В результате объединения двух ахроматических линз в перископ в 1866 году в Англии Дальмейером был изготовлен объектив, названный "Ректилинеар", а в Германии появился объектив "Апланат" созданный Стейнхейлом. Очень удачный симметричный объектив был сконструирован Рудольфом в 1896 г. и назван "Цейсс Планар". Этот объектив был разработан для использования при относительных отверстиях не более 1:3,5, и стал базовой моделью многих современных стандартных объективов, используемых в малоформатных фотокамерах. Современные объективы такой принципиальной конструкции обладают относительным отверстием до 1:1,4.

Астигматизм делает невозможным получение одновременной резкости вертикальных и горизонтальных линий. Явление астигматизма может возникнуть при недостаточно точной сферичности линзы, но чаще и сильнее оно обнаруживается в том случае, когда объект находится под некоторым углом к ее оптической оси. При этом поверхность линзы для таких наклонных лучей не будет строго симметричной, что и приведет к искажению изображения. Объективы с устраненными астигматизмом и кривизной поля называются анастигматами. Следует сказать, что эти недостатки все же частично присутствуют в объективах, особенно в широкоугольных.

В 1893 г., используя новые виды стекла, Тейлор изготовил асимметричный объектив из трех элементов, который был назван триплетом Кука. Этот объектив, устраняющий астигматизм и кривизну плоскости изображения, был первым среди так называемых анастигматов. Триплет Кука был сконструирован для использования с относительными отверстиями не более 1:4. Анастигмат представляет собой объектив, который полностью свободен от астигматизма для определенного расстояния до объекта и имеет минимальную кривизну плоскости изображения. Дальнейшим развитием триплета стало создание в 1902 году фирмой Цейсс объектива "Тессар", у которого последний компонент триплета был заменен склеенной линзой. Модификации этого объектива используются сегодня при относительных отверстиях не более 1:2,8. В России объективы такого типа выпускаются под названием "Индустар".

Кома является разновидностью сферической аберрации для наклонного к оптической оси линзы пучка света. При этом, в связи с разным характером преломления лучей и асимметричным строением пучка, изображение получается в виде кометообразной фигуры.

Но не только стремление к совершенству изображения приводит к увеличению числа линз. Еще одной причиной, приводящей к увеличению числа линз, является стремление разработчиков объективов вынести главную плоскость за габариты объектива. Классическим примером является телеобъектив, который в простейшем виде представляет собой собирающую линзу, помещенную перед рассеивающей линзой. Если линзы имеют надлежащие фокусные расстояния и соответствующим образом расположены, можно создать систему линз, в которой задняя главная плоскость находится перед системой. Так как фокусное расстояние измеряется от главной плоскости, физическая длина объектива может быть сделана меньше, чем его фокусное расстояние, и поэтому объектив может быть весьма компактным.

Если телеобъектив повернуть на 180 градусов, то задняя главная плоскость может располагаться позади системы линз. Такая конструкция особенно полезна для широкоугольных объективов, предназначенных для малоформатных однообъективных зеркальных камер. Ведь если задняя главная плоскость расположена внутри системы линз, то пространство между крайней линзой и пленкой будет меньше фокусного расстояния и не останется места для зеркала затвора и других необходимых механических частей камеры. Примером обратного телеобъектива является известный у нас объектив "Мир 1".

Останавливаясь на широкоугольных объективах, отмечу, что термин "рыбий глаз" произошел от гидрообъективов, которые имеют нормальный угол зрения под водой, однако, будучи вытащенными на поверхность, превращаются в широкоугольные. Снимки через эти объективы демонстрируют нам то, что увидела бы рыба, если ее вытащить из воды. Широкую известность (см.The Classic Camera Home Page/Classic Lenses) получили фотообъективы "Руссар" , рассчитанные в 1935 г. М.М. Русиновым. Эти объективы имеют на воздухе угол зрения до 120 градусов.

В борьбе за компактность длиннофокусных объективов одних линз оказалось недостаточно, и были созданы зеркально-линзовые объективы. Свет попадает в объектив через круглое отверстие и отражается, по крайней мере, от двух зеркал, прежде чем сфокусируется на плоскости пленки. Так как свет входит в объектив лишь по его периметру, ирисовая диафрагма не может быть использована для уменьшения действующего отверстия, и поэтому для регулирования освещенности применяют светофильтры. Сферические зеркала подвержены значительной сферической аберрации, для исправления этой аберрации обычно используется специальная асферическая линза, называемая корректирующей пластинкой Шмидта. В этих объективах также применяются сферические линзы, которые служат для дополнительной фосировки света.

Обилие линз вызвало естественное желание их подвигать внутри объектива, ведь перемещая линзы, мы можем менять фокусное расстояние, причем если перемещать каждую линзу в отдельности, да еще по сложному закону, то можно получить объектив с переменным фокусным расстоянием и неплохим качеством. Оптические системы с непрерывным изменением увеличения называются панкратическими и подразделяются на вариообъективы и трансфокаторы.

У вариообъектива изменение фокусного расстояния осуществляется посредством непрерывного перемещения одного или ряда компонентов вдоль оптической оси.

Нелинейное перемещение линз в вариообъективах производится с помощью одного или нескольких кулачковых механизмов, поэтому такие системы являются сложными не только по оптическому, но и по механическому устройству.

Трансфокатор представляет собой систему, состоящую из афокальной панкратической насадки с переменным угловым увеличением и объектива с постоянным фокусным расстоянием. Насадка имеет две неподвижные отрицательные линзы, между которыми перемещается положительная линза.

По мере возрастания числа элементов, из которых изготовлен объектив, отраженный и рассеянный поверхностью линз свет становится серьезной проблемой. Если на поверхность линзы нанести слой вещества с определенной толщиной и меньшим показателем преломления, чем у самой линзы, то можно уменьшить отражение от поверхностей линзы. Этот эффект достигается благодаря тому, что свет, отраженный от двух поверхностей, интерферирует с взаимным ослаблением, что уменьшает отражение от линзы. Если длина оптического пути в покрытии точно равна половине длины волны света в среде, то разность фаз двух отраженных лучей составит 180°, и, складываясь, они взаимно погасят друг друга. В результате от линзы вообще не будет отражаться излучение с определенной длиной волны. Это условие может быть удовлетворено только для одной определенной длины волны, однако происходит значительное ослабление отраженного света и для соседних длин волн. При использовании нескольких покрытий с различными показателями преломления отражение от поверхностей линзы может быть значительно уменьшено для большей части видимого спектра. Линзы с таким покрытием называют просветленными. Просветление впервые стали применять в объективах коммерческих фотокамер, начиная с 1950-х годов, а многослойные покрытия — с 1970-х годов.