: архив : архив журнала "625" : 2003 : #07

Оптика. Линзы и объективы
Продолжение. Начало см. "625", 2003 г., №4
Леонид Чирков

Основные типы оптических систем

Оптической системой называют совокупность различных оптических деталей (линз, призм, диафрагм и т.п.), подобранную для решения определенной задачи. Задачи преобразования световых потоков могут быть самые разные. Нас же, в контексте этой статьи, интересуют те оптические системы, которые формируют оптическое изображение объекта на поверхности фотоприемника. Им может быть глаз или, например, матрица ПЗС (CCD). Оптические системы могут быть линзовыми (диоптрическими), зеркальными, зеркально-линзовыми. Последние широко применяются в осветительных приборах, особенно мощных прожекторах. Ниже будут рассмотрены только линзовые оптические системы, применяющиеся в съемочной технике кино и телевидения.

Рис. 1. Телескопические системы. Окуляр:  а – собирающая линза, б – рассеивающая

Простейшая оптическая система и, конечно, наиболее древняя – это лупа. Собственно лупа – простая собирающая линза, вставленная в оправу, часто с ручкой. Оптическую систему лупа создает в комбинации с хрусталиком глаза. Лупа предназначена для рассматривания мелких предметов. Обычно, коэффициент увеличения составляет 3…5, то есть достигается 3…5-кратное увеличение.

Двухлинзовые телескопические системы были известны задолго до телескопа Галилея и применялись в подзорных трубах. Это софокусная (афокальная) оптическая система, два варианта построения которой представлены на рис. 1. Принято называть линзу, обращенную к объекту наблюдения, объектной или, проще, объективом. Линзу, обращенную к глазу, называют окуляром. В принципе, этот термин относится и к случаям, когда "оком" является, например, ПЗС (CCD). В телескопических системах объектив всегда – длиннофокусная собирающая линза с большой апертурой, практически с тем же диаметром, что и у объектной линзы. Окуляр – короткофокусная линза с относительно малым диаметром. В качестве окуляра могут использоваться собирающая (а) и рассеивающая (б) линзы.

Рис. 2. Увеличение в телескопической системе

Особенность телескопической системы – софокусность (совмещение) внутренних фокусных (по отношению к системе) расстояний. При такой настройке внешние фокусы становятся бесконечно большими. По этой причине такую систему называют также афокальной, т.е. не имеющей внешних фокусов. В реальной системе для настройки изображения на резкость используют небольшие отклонения от строгой софокусности. Телескопическая система "сжимает" световой поток, падающий на объектив, пропорционально отношению фокусных расстояний объектива и окуляра. Если отношения фокусных расстояний используемых линз и их апертуры согласованы, то коэффициент сжатия размера светового потока составит d_об/d_ок (соответственно апертурам объектива и окуляра), при этом интенсивность светового потока возрастет в (d_об/d_ок)2 раз. Например, при метровом объективе и сантиметровом окуляре коэффициент усиления светового потока составит 10000 раз. Именно эта особенность телескопических систем используется в астрономии при наблюдении слабо светящихся объектов.

Телескопические системы применяются для наблюдения за удаленными объектами. Типичными примерами такого применения являются астрономические телескопы, подзорные трубы и бинокли, телескопические объективы и насадки в кино и телевидении. Схема построения изображения в телескопической системе поясняется рис. 1. Переднее и заднее фокусные расстояния системы с некоторым нарушением софокусности, как показано на рисунке, конечны. "Игроком" в телескопической системе являются угловые размеры объекта и изображения. На рис. 2 видно, как преобразуется малый угловой размер γ объекта (стрелки) в большой – изображения. Система с собирающим окуляром формирует перевернутое изображение, с рассеивающим – изображение, ориентированное в пространстве также, как и объект. Если перевернуть телескопическую систему так, что к объекту будет обращен окуляр, то угловые размеры изображения окажутся меньше, чем объекта.

Рис. 3. Оптическая схема микроскопической системы

Микроскопическая система, в отличие от телескопической, предназначена для линейного увеличения малых объектов. Особенность системы – в совмещении плоскости изображения объектива и передней фокальной плоскости окуляра. При точном совмещении названных плоскостей система обладает бесконечно большим линейным и угловым коэффициентами увеличения. Рабочая нас-тройка микроскопической системы состоит в таком выборе положений объектива и окуляра, когда объект наблюдения или съемок расположен на некотором, относительно небольшом, удалении от передней фокальной плоскости F_об объектива, а его изображение – вблизи передней фокальной плоскости F_ок окуляра, как показано на рис. 3. На этом рисунке параметры, относящиеся к объективу, маркированы индексом "об", к окуляру – "ок".

Основные системные характеристики

Любую идеальную оптическую систему, каким бы сложным ни был ее набор линз, всегда можно представить эквивалентной схемой с двумя главными плоскостями, передним и задним (системными) фокусными расстояниями. Собственно, на рисунках 6, 7 и 8 представлены такие эквивалентные схемы. Конкретика определения эквивалентной схемы того или иного диоптрийного оптического прибора или системы как раз и сводится к определению расстояний между системообразующими плоскостями – фокальными и главными. Эти расстояния и, прежде всего, главные фокусные, относятся к основным характеристикам любой оптической системы формирования изображений. Кроме этого, к основным характеристикам относятся: угловое поле зрения, разрешающая способность, относительное отверстие.

Рис. 4. Определение угловой апертуры

К перечисленным параметрам следует также добавить такое понятие, как апертура оптической системы. Латинское слово apertura означает отверстие. Апертура – типичная характеристика реальных оптических систем, которые, естественно, пропускают только световые потоки, ограниченные по ширине и углу расходимости. Следует различать линейную и угловую апертуры оптических систем. В телескопе апертура, в сущности, определяется диаметром входной линзы. Отверстие окуляра при этом выбирается так, чтобы сжатый системой световой поток проходил через него без потерь. Иными словами, апертура окуляра должна быть той же или несколько большей эквивалентной (в зоне окуляра) апертуры объектива. С понятием апертуры тесно связано понятие диафрагмы – обязательного элемента любой оптической системы. Diaphragma в переводе с латинского – это перегородка, т.е. непрозрачная преграда с отверстием. Диафрагма, которая в наибольшей степени ограничивает падающий на оптическую систему световой пучок, и является действующей или апертурной. Апертурная диафрагма (как правило, регулируемая) определят размеры информационной части светового пучка. Попутно замечу: в оптической системе могут использоваться и другие диафрагмы, например, отсекающие блики, световые пучки от предметов, расположенных вне поля зрения объектива, и т.п.

Апертурное отверстие может быть определено в угловой или числовой мере. Определение углового размера объекта ясно из рис. 2. Угловая апертура определяется как максимальный угловой размер объекта, изображение которого без купюр формирует оптическая система. Рис. 4 поясняет, каким образом определяется угловая апертура 2 оптической системы, при этом d_об следует рассматривать как максимальный линейный размер. В этом случае tgσ’=d_об/x_об, где x_об – расстояние от объекта до передней главной плоскости. Этот максимальный угловой параметр оптической системы и является ее угловым полем зрения. Угловое поле изображения 2σ определятся как tgσ’=d_из/x_из. Если 2d_из – это, например, размер ПЗС матрицы, то оно задано, как и расстояние x_из, а потому задано и угловое поле изображения. Угловое увеличение оптической системы определяется отношением υ_y=x_об/x_из, поэтому угловые параметры оптической системы связаны σ=υ_yσ’.

Разрешающая способность оптических систем характеризует их способность давать раздельное изоб-ражение двух близких точек объекта. То минимальное расстояние, при котором точки на изображении еще видны как раздельные, называют линейной разрешающей способностью. Угловая разрешающая способность – это тот минимальный угол между нап-равлениями на две точки, при котором они воспринимаются как раздельные. На рис. 4 показана эквивалентная диафрагма. В реальных объективах она расположена внутри объектива. Разрешающая способность напрямую связана с линейным апертурным отверстием и пропорциональна отношению длины волны света к диаметру действующего апертурного отверстия. Поскольку оптические приборы работают в достаточно широкой части спектра, как правило, разрешающую способность принято определять по длине волны зеленой линии в спектре паров ртути. Ее длина волны λ=0,54607 мкм. Для оценки линейной разрешающей способности можно воспользоваться формулой δ=1,21λf/D. Здесь f – переднее фокусное расстояние оптической системы, D – диаметр ее входного зрачка.

С действующим апертурным отверстием связана и такая характеристика оптических систем, как относительное отверстие. Его определение – отношение диаметра действующей апертуры к заднему фокусному расстоянию, т.е. О=D/f’. Квадрат относительного отверстия пропорционален освещенности изоб-ражения, формируемого системой. Этот параметр часто называют светосилой системы. Величина, обратная относительному отверстию (отношение заднего фокусного расстояния к диаметру действующей апертуры), – это диафрагменное число.

Простые объективы

Объективы – это оптические системы, состоящие из достаточно большого набора линз (по крайней мере, не меньше двух). Сложность объектива определяется более или менее полным решением задачи коррекции аберрационных искажений. В сложных объективах предлагается решение и некоторых дополнительных задач, в том числе сервисных. Идеальная двухлинзовая оптическая система, теоретически, способна обеспечить формирование четких изображений объекта во всем интервале возможных положений объекта (от бесконечно удаленных до максимально приближенных). Телескопические и микроскопические системы – просто крайние в этом ряду. Двухлинзовые системы, однако, не способны обеспечить ряд других существенных требований (в частности, коррекцию аберрационных искажений, широкий угол поля зрения или, еще существеннее, неизменность плоскости изображения от расстояния до объекта). Эти и многие другие требования привели к созданию сложных многолинзовых оптических систем.

Рис. 5. Линзовые фотографические объективы

Прежде всего, полезно присмотреться к ряду оптических систем первых фотографических объективов. Они представлены на рис. 5. Надо сказать, что термин "фотографические линзовые объективы" охватывает широкий класс оптических систем различного назначения. Это, конечно же, объективы для профессиональной и любительской фотографии, репродуцирования и аэрофотосъемок. Сюда же входят и объективы для телевизионных и кинокамер. Словом, это класс объективов, специально созданных для формирования изображений на поверхности неких светочувствительных приборов. Это отличает такие объективы, скажем, от телескопов, подзорных труб или микроскопов, которые, в принципе, "обслуживают" око (oculus по латыни – глаз). Кроме чисто линзовых (диоптрийных) объективов, замечу, находят применение также зеркально-линзовые и чисто зеркальные оптические системы формирования изображений.

Различают нормальные (универсальные), светосильные, широкоугольные и длиннофокусные фотографические объективы. Наиболее широкое применение, по понятным причинам, получили нормальные объективы, которые отличает умеренно большое значение относительного отверстия и поля зрения. Передние фокусные расстояния нормальных объективов лежат в интервале 40…150 мм, относительное отверстие 1:4…1:1,8. Угол поля зрения при фокусном расстоянии 50 мм – около 50°. Относительные отверстия светосильных объективов 1:1,8…1:0,9. А широкоугольные объективы берут свое за счет повышенного значения угла поля зрения, превышающего 60° и в некоторых схемах достигающего почти 180°. Это, к примеру, отличительная черта широкоугольного объектива Гилля, который, к тому же, отличает и малое относительное отверстие 1:22. Наконец, у длиннофокусных объективов (телеобъективов) угловое поле обычно меньше 30°, фокусные расстояния 100…2000 мм, относительные отверстия 1:5,6…1:4,5.

Итак, от объективов систем наблюдения, например, телескопов, подзорных труб фотографические объек-тивы отличает, в общем, довольно большое поле резкого зрения по всей светочувствительной поверхности. Изображение, в принципе, должно быть таким же резким и контрастным у краев этой поверхности, как и в ее центре. А это означает, что качество изображения становится существенно зависимым от аберраций, которые необходимо тщательно исправлять.

Вернемся к объективам на рис. 5. Первый не только на рисунке, но и исторически, – Триплет (латинское trplus – тройной). Этот объектив создан более века назад в 1894 г. Разработал его английский оптик Г. Тейлор. Любопытно, что в 1980 г. в мире производилось более 100 моделей триплетов, что косвенно свидетельствует об очень удачной идее, положенной в основу конструкции. Это обеспечило широкое применение и очень долгую жизнь объективам-триплетам. В большинстве триплетов объектив и окуляр – собирающие линзы, центральная – рассеивающая линза. Апертурная диафрагма обычно размещается между центральной линзой и окуляром. Триплет – простейший анастигмат, т.е. объектив, в котором выполнена достаточно основательная коррекция практически всех аберраций, включая астигматизм и кривизну поля. Функция коррекции, в основном, возложена на рассеивающую линзу. Основные параметры, типичные для триплетов, – угловое поле зрения не выше 60°, относительное отверстие – до 1:2,4, разрешающая способность 30 лин/мм в центре поля и к краям 15 лин/мм. Советский объектив "Индустар" – типичный пример развития триплета. В "Индустаре" применен сложный окуляр, состоящий из двух склеенных линз – рассеивающей и собирающей. Цель – более основательное исправление аберраций.

Красива идея конструкции объектива "Гипергон" (греческий, hyper – сверх, gonio – угол). Такая красота всегда функциональна. Название объектива и круговая симметрия конструкции подсказывают, что это – типичный широкоугольник. Диафрагма размещена в центре системы между двумя положительными менисками. Система "Гипергон" получила дальнейшее развитие в объективе "Орион", в котором появились две новые, также симметрично расположенные, слабо рассеивающие линзы. Они то и обеспечивают коррекцию аберраций. Впрочем, полностью исключить в широкоугольниках геометрические искажения и потерю четкости на краях поля зрения еще никому не удавалось. Не случайно поэтому, что при разрешающей способности 45…50 лин/мм в центре, она спадает к краям более, чем в два раза до 16…20 мм. Но зато угловое поле зрения несколько превышает 90°. Однако по этому параметру "Орион" значительно уступает уже упомянутой выше системе Гилля. Надо сказать, что объективы "Орион" успешно применялись в отечес-твенных телевизионных камерах.

На рис. 5 представлена также четырехлинзовая оптическая система объектива "Юпитер". Это самая простая конструкция в линейке "Юпитер". В более сложных "Юпитерах" применялось до 7 линз. Серийно выпускалось более 10 моделей объективов с самыми разными характеристиками. Фокусные расстояния 12…250 мм, относительные отверстия 1:1,5…1:4. Эту систему выделяет среди объективов, приведенных на рис. 5, самая широкая и глубокая коррекция всех аберраций.

Объективы с переменным фокусом

Долгое время киносъемочная и телевизионная техника ориентировались (конечно, не от хорошей жизни) исключительно на объективы с постоянными фокусными расстояниями. Различные виды съемок обеспечивались набором сменных объективов. А, чтобы ускорить их смену, применялся одно время специальный механизм – турель (французское tourelle – башенка). Это – вращающийся диск с отверстиями и посадочными местами для объективов и афокальных насадок. Простым поворотом турели можно было перед камерой быстро установить требуемый объектив из набора, подобранного в соответствии с режимом съемок. Совершенствование технологии производства оптических систем и, что крайне важно, развитие методов их расчета, включая расчетный синтез (в том числе компьютерный), позволило разработать и ввести в практику объективы с переменным фокусным расстоянием. Сейчас даже бытовые видеокамеры оснащаются достаточно эффективными объективами с переменным фокусным расстоянием.

Рис. 6. Схема объектива с переменным фокусным  расстоянием. Режимы: а – широкоугольника,  б – средний,в – телескопический

Первые перестраиваемые объективы с переменным фокусным расстоянием или масштабированием (zooming) изображений появились в середине 50-х годов. Так, фирма Canon свой первый телевизионный объектив с ручной перестройкой переднего фокусного расстояния представила на рынок в 1955 г. Рис. 6 поясняет, как осуществляется управление масштабированием в таком объективе. В нем можно выделить четыре группы линз. Входная или первая группа – это фокусирующая часть. Вторая – вариатор. Это подвижная группа линз, управляющая передним фокусным расстоянием. Когда вариатор находится в крайнем левом положении (рис. 6 а), переднее фокусное расстояние минимально, а угловое поле зрение объектива максимально. В крайнем правом положении вариатора (рис. 6 в) фокусное расстояние максимально. В этом положении вариатора объектив обеспечивает режим рассматривания удаленных объектов (телескопический режим). Промежуточные положения вариатора (рис. 6 б) соответствуют средним дистанциям рассматривания.

Третья группа линз (компенсатор) и четвертая (переноса изображения) формируют изображение на поверхности светочувствительных матриц ПЗС. Голубой прямоугольник на рис. 6 – условное обозначение цветоделительной системы телевизионной камеры. Фокусирующая группа и вариатор формируют изображение, плоскость которого перемещается синхронно с перемещением вариатора. В тоже время плоскость изображения на выходе объектива должна быть неподвижной и точно совмещаться с поверхностью каждой из трех ПЗС-матриц телевизионной камеры. Компенсатор составлен из двух час-тей – подвижной и не подвижной. Подвижная часть компенсирует смещение изображения при перемещении вариатора и, тем самым, обеспечивает неподвижность плоскости изображения объектива. Неподвижная часть компенсатора снижает аберрационные искажения до приемлемого уровня. Правда, частично эта же функция возложена и на наборы линз фокусирующей группы и группы переноса изоб-ражения, чем и объясняется их сложный состав. По сути, группа переноса изображения – это окуляр объектива. Диафрагма размещена между подвижной и неподвижной частями компенсатора.

В принципе, изменять фокусное расстояние можно и дискретно, и плавно. Наибольшее распространение получили объективы с плавно изменяемым фокусным расстоянием (панкратические объективы). По методам коррекции аберраций объективы с переменным фокусом делятся на трансфокаторы и вариобъективы. Трансфокатор, фактически, – система, состоящая из обычного объектива и встроенной перестраиваемой афокальной (телескопической) группы. Аберрации афокальной группы трансфокатора исправляются отдельно. В вари-объективе коррекция всех аберраций выполняется для всей системы, как единого целого.

В объективах с ручным управлением масштабированием применяется традиционный для фотообъективов баррельный (цилиндрический) механизм. В современных объективах с автоматическим управлением перемещения линз вариатора и подвижной части компенсатора обеспечивает специальный электрически управляемый двигатель. Надо сказать, что сейчас объективы насыщены самыми разными электронными элементами автоматичес-кого управления параметрами и режимами работы объектива. Электронные системы облегчают работу оператора и снимают с него многие рутинные функции. Автоматизация объектива не исключает, естественно, и ручное управление им.

Насадки

Современная оптика для телевизионных камер и, конечно, киносъемочных аппаратов, помимо собственно объективов, предлагает широкий набор различных аксессуаров (насадок). Это, например, различные фильтры и эффектные насадки, заслуживающие специального рассмотрения. Здесь же, завершая статью об объективах, стоит упомянуть о группе оптических устройств, изменяющих основные функции базового объектива. Это конвертеры и мультплексоры (extender). Надо сказать, что современный объектив с переменным фокусом – дорогой прибор, по стоимости он сопоставим с самими камерами, деталью которых, фактически, является. Правда, такие объективы перекрывают широкую область возможных режимов съемок, но и они не всемогущи. Можно выделить, по крайней мере, три специфические группы объективов по параметру "поле зрения". Это – средние, широкие (широкоугольники) и малые (телефото-) объективы. Их суммарная стоимость довольно велика. Поэтому практики быстро сориентировались на компромиссный вариант с базовым объективом среднего класса и насадками, превращающими его в широкоугольник или телеобъектив.

И та, и другая задача решаются с помощью афокальных (с совмещенными внутренними фокусами) оптических систем, как показано на рис. 7. Собственно, оптическая система – одна (двухлинзовая с фокусирующей и собирающей линзами). Надо заметить, что оптическая система, представленная на рис. 7 а, аналогична системе на рис 6 б. На рис. 7 б изображена, в сущности, та же система, но перевернутая относительно входного светового потока. В этом варианте функцию объектива исполняет рассеивающая линза, окуляра – собирающая. Хочу подчеркнуть, что оптические системы, как правило, необратимы, и в них перемена мест слагаемых меняет функцию. Афокальная система, которая сжимает выходной световой поток относительно к входному (рис. 7 а), соответственно уменьшает угловое поле зрения. А вот афокальная система, которая расширяет выходной поток, увеличивает угловое поле зрения. Итак, "игра в перевертыши" позволяет одну и ту же оптическую систему применить в телескопических и широкоугольных насадках. В принципе, конструкция таких насадок несколько сложнее двухлинзовой – ведь следует озаботиться и коррекцией аберраций.

В связи с широкоугольными насадками стоит упомянуть еще об одной оптической "принадлежности" (attachment). Речь идет о приспособлении, обеспечивающем эффект "рыбьего глаза". Это собирающая линза с фиксированным фокусом, обычно, в несколько миллиметров. Эта насадка, как правило, выпускается в виде концевой (close-up) крышки объектива. Насадка обеспечивает широкоугольный режим съемок при специально подчеркнутой дисторсии типа "бочка" (см. рис. 4 из предыдущей части статьи). Этот режим возможен без использования масштабирования. Выпускаются также собирающие (close-up) линзы, обеспечивающие режимы макросъемок, т. е. удаленных от камеры не более, чем на 1…0,5 м. Используется тот же эффект расширения углового поля зрения, но без подчеркнутой дисторсии.

Рис. 7. Афокальные системы: а – сжимающая световой поток,  б – расширяющая световой поток

Если насадки устанавливаются перед входной линзой объектива, то мультиплексор – за выходной. Мультиплескоры решают, в сущности, те же задачи, что и телескопические насадки. Они увеличивают переднее фокусное расстояние объектива и, как бы, приближают удаленные объекты. Причем, эту функцию они выполняют, как правило, эффективнее телескопических насадок. Маркировка экстендера обычно содержит число кратности xn, указывающее во сколько раз экстендер увеличивает переднее фокусное расстояние. Например, при кратности x2 переднее фокусное расстояние удваивается. Фактическим заказчиком мультиплексоров стала спортивная видеожурналистика. При освещении спортивных соревнований телевизионные камеры часто удалены от места событий. А самым зрелищным, при этом, является крупный план. Вот в борьбе за этот план и создавались оптические средства максимально возможного приближения удаленных объектов. В действительности область применения мультиплескоров оказалась шире чисто спортивных приложений.

Продолжение следует