Объектив

Объекти́в, оптическая система (или её часть), обращённая к объекту наблюдения или съёмки, формирующая действительное, как правило, повёрнутое на 180° относительно объекта, изображение. Это изображение либо рассматривается визуально в окуляр (в оптических приборах наблюдения), либо получается на светорассеивающей поверхности – экране (при проецировании изображения), либо фиксируется (регистрируется) на светочувствительном слое фотоматериала или фотоэлектрическом приёмнике.

В зависимости от типа используемых оптических деталей объективы разделяют на:

• линзовые;
• зеркальные;
• зеркально-линзовые;
• киноформные.

Наиболее распространены многолинзовые объективы. Использование большого числа линз позволяет создавать объективы с исправленными аберрациями оптических систем, однако уменьшает светопропускание и повышает риск паразитных переотражений, снижающих контраст изображения.

Важное достоинство зеркальных и зеркально-линзовых объективов – отсутствие хроматических аберраций и, как следствие, возможность работы в широкой области спектра, ограниченной лишь отражающей способностью зеркальных покрытий; основной недостаток – экранирование (затенение) центральной части входного зрачка, что приводит к ухудшению качества изображения и дополнительным потерям света (см. также Зеркально-линзовая система).

В киноформных объективах наряду с линзами и зеркалами (или без них) используются синтезированные фазовые голограммы (т. н. киноформы), аналогичные по своим аберрационным свойствам в монохроматическом свете линзам с асферическими поверхностями. Хроматические аберрации киноформов не зависят от свойств материала, из которого они выполнены, а определяются (аналогично дифракционным решёткам) пространственной частотой структуры и спектральным диапазоном. Необычные дисперсионные свойства киноформов позволяют в сочетании с линзами, выполненными из обычных марок оптических стёкол, получать объективы, обладающие высоким качеством изображения и достаточно простой конструкцией. Применение киноформных объективов, не содержащих обычных линз и зеркал, возможно лишь в сочетании с лазерами с высокой монохроматичностью излучения.

Основными параметрами любого объектива являются:

• фокусное расстояние, которое при заданном удалении объекта от объектива определяет его оптическое увеличение (масштаб формируемого изображения);

• диаметр входного зрачка объектива (см. Диафрагма в оптике);

• относительное отверстие и выражающаяся через него светосила объектива;

• угловое поле.

Качество формируемого объективом изображения характеризуют:

• разрешающая способность, коэффициент передачи контраста изображения (отношение контрастов тест-объекта в реальных условиях освещения и в т. н. стандартных – при освещении равнояркой полусферой);

• коэффициент интегрального и спектрального пропускания света;

• коэффициент светорассеяния в объективе;

• падение освещённости по полю изображения и др.

По характеру оптической коррекции изображений современные объективы разделяют на:

• анастигматы (сложный многолинзовый объектив, в котором значительно уменьшены астигматизм и остальные аберрации, в том числе кривизна поля изображения; при большой светосиле даёт высококачественное изображение по всему полю; основной фотографический объектив);

• ахроматы (объектив с частично исправленными хроматическими и сферическими аберрациями, обычно состоящие из двух – собирательной и рассеивающей – склеенных линз, изготовленных из неодинаковых по дисперсии света сортов оптического стекла);
• апохроматы (характеризуются более полным, по сравнению с ахроматами, устранением хроматических аберраций, что достигается использованием линз из специальных сортов стекла и введением в оптическую систему зеркал);

• планахроматы и планапохроматы (объектив с частичной или полной хроматической коррекцией, у которых исправлены кривизна поля изображения и хроматическая разность увеличения; наиболее совершенные объективы).

По назначению различают:

• фотографический объектив (применяются в фотоаппаратах, киносъёмочных аппаратах, видеокамерах и др.);

• проекционные объективы (в фотоувеличителях, диа- и эпипроекторах, кинопроекционных аппаратах);

• объектив наблюдательных оптических приборов (зрительных труб, биноклей, телескопов, микроскопов и др.);

• репродукционные объективы.

Фотографические объективы, или фотообъективы (к ним также относят аналогичные объективы передающих телевизионных камер, приборов ночного видения, тепловизоров и т. п.), создают преимущественно уменьшенные изображения удалённых объектов. Масштаб создаваемого объективом изображения пропорционален фокусному расстоянию f, а освещённость обратно пропорциональна квадрату диафрагменного числа K (K=f/D, где D – диаметр входного зрачка). Предельное значение диафрагменного числа, при котором возможно исправление аберраций, составляет 0,5, реально достигнутые значения K⩾0,6 (для большинства фотообъективов 3>K⩾1,2). Фотообъективы обычно состоят из 3–6 линз (у фотоаппаратов) и 9–13 линз (у киносъёмочных аппаратов).

Различают нормальные, или универсальные, объективы, у которых фокусное расстояние примерно равно диагонали кадра. Такие объективы пригодны для любой съёмки. Длиннофокусные и короткофокусные объективы – это объективы с фокусными расстояниями соответственно больше или меньше диагонали кадра. Первые применяются главным образом при съёмке удалённых предметов с большим увеличением, вторые – для съёмки с близкого расстояния крупных предметов.

Существуют фотообъективы с переменным фокусным расстоянием, которое в процессе съёмки можно произвольно изменять в пределах, обусловленных конструкцией.

Объективы телевизионных камер и приборов ночного видения не отличаются принципиально от фотообъективов. В объективах тепловизоров, работающих в дальней ИК-области спектра (8–14 мкм), используются оптические материалы с показателями преломления n>2 (германий, селенид цинка, халькогенидные стёкла), что позволяет уменьшить количество линз по сравнению с аналогичными по характеристикам объектива для видимой или ближней ИК-областей спектра. Малая дисперсия Ge позволяет создавать объективы, все линзы которых выполнены из этого материала, не принимая специальных мер для устранения хроматических аберраций.

Объективы зрительных труб, биноклей и телескопов создают промежуточное изображение удалённых объектов в передней фокальной плоскости окуляра. Эти объективы имеют большое фокусное расстояние, высокую разрешающую способность и большую светосилу, что особенно важно при наблюдениях в условиях недостаточной освещённости. Из-за значительной удалённости наблюдаемых объектов, рассматриваемых в зрительную трубу или телескоп, они характеризуются не линейными, а угловыми размерами. Соответственно характеристиками объективов этой группы служат угловое увеличение, угловая разрешающая способность и угол поля зрения.

При диаметрах объектива, не превышающих 100 мм, наиболее распространённым является объектив, состоящий из двух склеенных линз. При бо́льших диаметрах линзы не склеивают. Начиная с диаметра 500–800 мм используют зеркальные объективы, что обусловлено трудностями в получении однородных по показателю преломления крупных заготовок оптического стекла. Диафрагменные числа объективов телескопов, как правило, K⩾3. Угловые поля не превышают 10°. Предел разрешения ε – минимальный угол (в секундах) между светящимися равнояркими объектами (например, звёздами), которые видны раздельно, определяется по формуле ε=140/D, где D измеряется в миллиметрах.

Объектив микроскопа – важнейшая часть его оптической системы, создающая увеличенное изображение объекта наблюдения в передней фокальной плоскости окуляра. Масштаб изображения обратно пропорционален фокусному расстоянию объектива и составляет примерно от 1,5 до 100 крат и более. Предел разрешения микроскопа (минимальное расстояние между центрами светящихся точек объекта, видимых раздельно) определяется дифракционными явлениями в объективе и вычисляется по формуле ε=0,6λ/А, где А – числовая апертура (обычно составляет от 0,01 до 1,4).

Проекционные объективы создают увеличенные изображения плоских объектов (кинокадров, слайдов, микрофильмов и т. п.) на отражающих и просветных экранах; по сравнению со съёмочными объективами обладают повышенной (в 2–2,5 раза) разрешающей способностью, но меньшими угловыми полями и диафрагменными числами (K⩽1,8), имеют высокий коэффициент пропускания света (0,8–0,9).

Репродукционные объективы, используемые в репрографии и для фотолитографии при производстве микросхем, создают уменьшенные изображения плоских оригиналов чертежей, текстов, рисунков, шаблонов; обладают повышенной разрешающей способностью, определяемой дифракцией и достигающей 1500 мм^–1 для фотолитографических объективов и 150 мм^–1 для репрографических объективов.