Мини-лекции. История фотографии. Линза

Наконец-то мы выпутались из этих волновых геометрий! Наверняка Вы, уважаемые читатели видели вот такую (примерно) картинку Рис1.? Лучи света (геометрические, а не настоящие) попадают на линзу и на противоположной стороне сходятся в одну точку. Эта точка называется главный фокус f, а процесс, — фокусировкой. Плоскость где и происходит действо, — главной фокальной плоскостью. А расстояние от этой плоскости до середины (примерно) линзы главным фокусным расстоянием F. F, — один из главных показателей линзы. Свойство, — любые лучи исходящие от какой либо точки пространства фокусировать на плоскости (фокальной конечно), позволяет создавать изображение того самого пространства посылающего световые лучи. По-русски рисовать картинку, будущую фотографию. Ой, как хорошо всё получается?! Хорошо-то хорошо, да ничего хорошего! Оказывается?..

Оказывается, что всё было красиво на бумаге! Да забыли про овраги! Простая линза не пригодна для фотографического дела. Почему? Потому-как страдает многими странными болезнями, недостатками стало быть! Эти болезни называются по-импортному, — аберрациями, от латинского aberratio, — отклонение. Это: сферическая аберрация, хроматическая, явление комы, а всё называется астигматизмом. Ухудшение изображения по краям происходит из-за кривизны поля изображения. Дисторсия, ещё одна гадость портящая нам нервную систему! Попробуем в темпе рассмотреть всё это и как с ним бороться?! Сферическая аберрация связана с тем, что лучи от края линзы (краевые) сходятся более круто нежели остальные. Чуть поодаль сходятся те, что ближе к центру. И ещё дальше центральные! Вот такая история. В итоге, вместо идеальной точки получается идеальное расплывчатое пятно.

Большую свинью нам подложила и хроматическая (цветовая) аберрация, шоб ей было пусто! На Рис4 Вы видите как белый луч распадается на составляющие. Сильнее всего действует линза на фиолетовые лучи и менее всего на красные. Для линзы же это означает, что каждый цвет Рис5 будет фокусироваться в разных фокальных плоскостях! А на одной какой-то, только один цвет! Остальные в виде пятен разных цветов. На Рис5 как пример показаны синий (С), жёлтый (Ж) и красный (К) лучи.

Самый наверное понятный из всех недостатков, связанный с кривизной фокальной плоскостью Рис2. Ведь по идее все лучи проходящие через линзу должны фокусироваться на сфере. Для Рис2 как бы на окружности. А, мы, что делаем? Правильно, ставим плоскость (розового цвета) и что? А, то, что хоть тресни, а на краях наши лучи будут расходящимися, так ещё, точки превратятся в световые пятна Рис2а! И, что теперь со всем, этим делать?

Один из видов аберраций, дисторсия рис7. Появление такого вида связывают с применением диафрагмы. Так ещё, для уменьшения светового потока или увеличения глубины резкости. Позже (в следующих мини-лекциях) Вы познакомитесь с этой диафрагмой. Так, вот, если диафрагма находится перед линзой возникает бочкообразная дисторсия (на рис7 внизу). А если диафрагма позади, то дисторсия подушкообразная (рис7 вверху). И только когда диафрагма находится в середине линзы, и только тогда... Ну, да изображение остаётся нормальным! И хотя в объективах (сложные устройства) делают всякие исправления аберраций, то всё равно они в больше-меньшей степени присутствуют! Особенно это видно в простейших камерах (фото, кино и видео). Так снимая видео бытовой JVC телевизионная вышка, попавшая в кадр изогнулась в дугу! Возможно таким недугом страдают и мини-камеры мобильников, смартфонов и прочих дешёвок (объективов)!

На Рис6 Вы видите различные виды линз: a) плоско-выпуклая; b) двояковыпуклая; с) вогнуто-выпуклая; d) плоско-вогнутая; e) двояковогнутая; f) выпукло-вогнутая. А, на кой нам всё это? Кто из Вас очкарик, тот наверняка знает зачем всё это? Семейство выпуклых линз называется положительным, а вогнутых отрицательным. Так назвали??? Выпуклые они хорошие, они свет собирают! А, отрицательные, фу!!! Они наоборот рассеивают. Но? Но если Вы встретите где-нибудь очкарика у которого сквозь очки видны непривычно маленькие глаза, значит линзы у него отрицательные! Для чего очки? Как Вы догадались? Для исправления дефекта зрения! В смысле глаза у очкарика не от мира сего... Шутка конечно... Глаз, по какой-то причине не может сфокусировать на сетчатке изображение предметов находящихся либо дальше, либо ближе определённого? Если он (очкарик) видит вдалеке улыбающегося своего знакомого, то вблизи вопрос: А, ты кто? И если по аналогии, то наша линза и есть потенциальный очкарик! Вот и мы попробуем на линзу одеть очки.

Процесс расчёта и подбор очков для линзы очень долгий, нудный и неинтересный. Скажу лишь, что в борьбе с этими проклятыми аберрациями был создан объектив. На Рис8 в разрезе Вы видите анатомию объектива «ЮПИТЕР-8». Как видите, чтобы избавиться от аберраций (частично конечно) применили целых шесть линз! Я их для наглядности подкрасил в разные цвета. Существует и ещё более насыщенный набор. Для простых аппаратов типа «Смена» применяется объективы «ТРИПЛЕТ», всего три линзы. Более серьёзные, это «ИНДУСТАР», — четыре линзы. И «ЮПИТЕР», — шесть-семь линз. Встречал я и монстров с набором до девяти линз!

Простые линзы (без всяких прибамбасов) находят практическое применение в оптических приборах, — зрительных трубах. Первый тип труб это труба Галилея. Здесь применяется как положительная линза так и отрицательная. Изображение прямое. Такие две трубы составляют театральный бинокль. Вторая труба Кеплера с обращённым изображением. В таком виде его применяют в телескопах где изображение «вверх ногами» не очень-то беспокоит. Помните анекдот про то как наказали музейных работников? За то, что по их вине картина Малевича «Чёрный квадрат» висела на стене, две недели «вверх ногами»! В биноклях же такое применяют только с использованием оборачивающих систем. Видели всякие военно-полевые бинокли со странной архитектурой? Вот, это всё из-за двух оборачивающих призм для каждой трубы.

Но вернёмся к объективам. Как и простейшая линза объектив также имеет своё главное фокусное расстояние, которое почти всегда указывается на оправе объектива вот так: F=50 мм. Рис9. Это значит, что фокусное расстояние 50 миллиметров. В старых объективах указывалось в сантиметрах. И, что характерно, на них (объективах) никак не отразилось! А, что ещё характеризует объектив? Его действующее отверстие, указывающую на его светосилу. То есть, сколько полезного света он может максимально пропустить? Чем больше отверстие, тем он светосильнее. Но это верно лишь если не брать во внимание фокусное расстояние. А оно при одних и тех диаметрах действующего отверстия может быть различным. И, что тогда? Тогда, в смысле всегда, говорят об относительном отверстие. Что значит относительное? Посмотрите на Рис10. Это схематическое изображение фотоаппарата. F, стало быть фокусное расстояние. Слева фокальная плоскость (плёнка, пластинка или матрица), а справа как бы объектив с действующим отверстием D. Внизу показано сколько вот таких D поместится на всей длине F, фокусного расстояния? В нашем случае их оказалось 3,5 штучек. Относительное же отверстие есть отношение D к F После всех этих миллиметровых сокращений получается дробь 1:3,5. Она в свою очередь и показывает его (объектива) светосилу. Как Вы могли понять, чем больше цифорка в относительном отверстии тем меньше дробь, тем меньше светосила! Так, что не смотря на огромный D объектив может иметь очень небольшенькую светосилу! Такой вот важный параметр также указывается на оправе объектива Рис9.