В простейшем случае объектив представляет собой собирательную линзу, которая строит изображение на поверхности пленки. Поверхность эта обычно плоская, но у некоторых камер, например панорамных, она может быть изогнутой.
Изобретение линз уходит в глубь тысячелетий.Археологи находят их в довольно неожиданных местах, вроде стоянок доисторического человека. Это естественные линзы из грубо обломанных кусочков горного хрусталя, которые, по-видимому, применяли для добывания огня с помощью солнечных лучей.
В первом фотоаппарате - камере-обскуре - линзы не было. Объективом служило небольшое отверстие, через которое свет падал на стенку, образуя на ней изображение. Оно было очень тусклым, оправдывая название камеры: обскура по-латыни означает "темная". Подобный "объектив" - стеноп - применяется и сегодня. Используют его при съемке архитектуры, чтобы получить естественную перспективу, и при портретной съемке для создания "романтических" портретов.
Процесс изготовления линз в больших количествах связан с изобретением очков и развитием астрономических приборов и микроскопов. Уже во времена Галлилея выпускались весьма совершенные и по современным понятиям линзы. Ими стали оснащать камеры-обскуры, которые иногда начали называть люцинами (светлыми).
В 1840 году венский оптик Йозеф Петцваль рассчитал портретный объектив, который не уступает современным. Чтобы произвести расчеты, ему потребовалось привлечь к работе курсантов военного училища. Сегодня подобные расчеты выполняет компьютер.
При конструировании объектива приходится производить весьма трудоемкий расчет прохождения лучей света через линзы объектива. В объективе их может быть больше десятка, причем изготовленных из разных сортов стекла и других материалов. Делать это приходится, чтобы улучшить качество изображения. Расчетным путем подбираются форма поверхности линз, их число, расстояние между ними, сорт стекла.
В дорогих объективах кроме стекла могут применяться линзы из природных минералов, прозрачной пластмассы и стеклянно-пластмассовые, получившие название гибридных.
Линзы объектива монтируются в оправу так, чтобы их центр лежал на одной линии, которая именуется оптической осью. Детали оправы изготавливаются из металла и поликарбонатов. Оправы так называемых профессиональных объективов делают только из металла. Поликарбо наты резко сокращают вес оправы, но уменьшают ее жесткость.
Объектив камеры-люцины имел обычно одну линзу. Петцвалю, чтобы пропустить к светочувствительному слою возможно больше света, пришлось для своего объектива применить линзы максимально большого размера, не допуская при этом значительного ухудшения качества изображения. Он достиг этого, построив четырехлинзовый объектив из двух сортов стекла, имевшихся в то время. В распоряжении современного оптика их имеется несколько сотен.
Петцваль добивался геометрического подобия изображения снимаемому предмету и достаточной резкости изображения. Достичь этого не удается и современным конструкторам: изображение не вполне соответствует предмету из-за всевозможных погрешностей объектива - аберраций. Рассмотрим основные из них.
Прежде всего объектив может искажать геометрические пропорции предмета, в частности, прямые линии получаются с изгибом либо к центру изображения, либо от его центра. Такой дефект называется дисторсией. Изгиб прямых линий особенно неприятен при репродукции, а при съемке пейзажей он менее заметен. В простейшем случае, например при съемке небольшой почтовой марки, может оказаться, что на снимке она получилась в виде маленького бочонка с выпуклыми боками и днищем или, наоборот, маленькой подушки с втянутыми боками. Такие дефекты так и называются бочкообразной или подушкообразной дисторсией. Дисторсией особенно страдают короткофокусные объективы и изображения панорамных камер с поворотными объективами ("Горизонт"), хотя сами объективы этих камер могут быть свободны от нее.
Положим, мы снимаем фасад далеко расположенного здания объективом из одной линзы. Изображение в этом случае из-за большого расстояния будет образовываться параллельными пучками света. Внимательно рассматривая изображение на матовом стекле аппарата, можно заметить, что если оно резко посередине, то его края не резки. Наоборот, если, изменив наводку, сделать резкими края, середина получится не резкой. Причина этого в том, что края линзы преломляют свет иначе, чем центральная часть линзы. Называются такие аберрации сферическими. У линз небольшого диаметра они не очень велики. Поскольку эти аберрации несколько смягчают изображение, у фотохудожников до сегодняшнего дня популярны объективы из одной линзы, так называемые монокли. В нашем примере лучи света падали параллельно оптической оси.
Дело усложняется, если лучи падают на объектив не параллельно, когда, например, снимают тот же фасад под углом к плоскости пленки, и вдобавок он занимает только половину кадра. В этом случае на пленке вместо точек, изображающих на фасаде небольшие электрические фонари с круглыми колпаками, может появиться весьма замысловатое их изображение. Называется такой дефект комой.
Первые линзы имели поверхности в виде части сферы. Линзы со сферической поверхностью не могут собрать в одну точку параллельные лучи света, проходящие по центру и по периферии. Этого можно добиться, если поверхность линзы выполнить в форме части эллипсоида или параболоида. Такие поверхности и сами линзы называют асферическими. Они помогают избавиться и от комы.
Изображение, даваемое линзами, часто имеет цветную кайму. Она носит название хроматической аберрации или вторичного спектра. Чтобы ее уменьшить, применяют линзы, склеенные из материала с разной преломляющей способностью.
Качество изображения, прежде всего его контраст, ухудшается отраженным от поверхности линз и оправы светом. Чтобы уменьшить рассеяние, на поверхности линз наносят до десяти слоев всевозможных прозрачных покрытий. Наружные покрытия предохраняют линзы от мелких царапин, которые не позволяют создать достаточно резкого и контрастного изображения. Меньший вред наносят небольшие сколы поверхности линз и большие царапины, если их, конечно, немного - одна-две. Мелкие пузырьки в линзах совершенно не влияют на качество изображения.
Не весь свет, падающий на объектив, участвует в построении изображения: боковые лучи не используются. Но они тоже вызывают засветку аппарата и пленки. Чтобы уменьшить вред от этих лучей, на объектив надевают непрозрачный конус с тонкими, хорошо зачерненными стенками - бленду. Иногда ее встраивают в объектив. Чтобы задержать лучи, не участвующие в образовании изображения, применяется также заслонка с отверстием между линзами или за ними - диафрагма. В высококачественных объективах она может даже передвигаться вдоль объектива при изменении его фокусного расстояния. Кроме этого у всех объективов есть диафрагма, регулирующая количество света, падающего на пленку. Регулирование производится изменением площади отверстия. В большинстве случаев отверстие имеет круглую форму. Чтобы изменять его диаметр, диафрагму часто изготавливают из отдельных серповидных лепестков. При повороте подвижного кольца изменяется диаметр отверстия. Называется такая диафрагма ирисовой.
При закрывании диафрагмы резкость изображения вначале увеличивается, а затем уменьшается. Это связано с тем, что свет на краях маленького отверстия испытывает дифракцию, и каждая точка превращается в систему темных и светлых колец. У отдельных объективов резкость меняется довольно значительно, позволяя при художественной съемке получить смягченное изображение.
Изображение, образуемое объективом, имеет наибольшую резкость в центре изображения, причем у предмета, по которому был наведен фокус. Предметы, расположенные дальше и ближе, имеют меньшую резкость. Однако при уменьшении диаметра отверстия диафрагмы они становятся более резкими. Расстояние, в пределах которого предметы выглядят достаточно четко, получило название "глубина резкости". Она увеличивается при закрывании диафрагмы - угол, под которым попадают лучи света на пленку, уменьшается. Определить глубину резкости можно по таблицам или по шкале наименьшей и наибольшей дистанции резкости, нанесенной на оправу объектива.
Отношение диаметра входного отверстия объектива к длине фокусного расстояния называется значением диафрагмы. Эти значения подобраны таким образом, что, если изменить значение диафрагмы на одно деление, количество света, пропускаемого объективом, изменится в два раза. Для упрощения на практике значение диафрагмы дают не в виде дроби, а приводят только значение ее знаменателя.
Вернемся к оценке резкости изображения. Оценивается, собственно, не сама резкость, а степень размытости изображения на отпечатке или пленке. Положим, она оценивается по отпечатку. Его рассматривают обычно с расстояния 25 см. Если при этом точки получаются в виде кружков диаметром 0,1 мм, глаз воспринимает изображение резким. С пересчетом на среднее увеличение малоформатных негативов при печати величина кружка на пленке принимается равной 0,05-0,03 мм. Исходя из этих значений и определяется глубина резкости объектива. У большинства объективов с переменным фокусным расстоянием значение глубины резкости на оправу не наносится.
У двояковыпуклой линзы длина фокусного расстояния определяется по расстоянию от ее плоскости симметрии до плоскости, на которую она проецирует достаточно удаленные предметы. Фокусное расстояние сложного многолинзового объектива отсчитывают от воображаемой точки, которая может лежать и за пределами оправы. Плоскость, в которой образуется изображение, называется фокальной, а точка пересечения оптической оси с ней - точкой фокуса. Расстояние от фокальной плоскости до поверхности задней линзы объектива называется задним отрезком. У телеобъектива задний отрезок меньше фокусного расстояния, а у короткофокусных объективов он может быть больше.
При достаточно больших расстояниях, условно называемых бесконечностью, точка фокуса объектива совпадает с фокальной плоскостью. Глубина резкости тем больше, чем короче фокусное расстояние и меньше диаметр отверстия диафрагмы, то есть больше значение относительного отверстия. Следует запомнить, что с ростом этого значения увеличивается глубина резкости.
Изменяя положение точки наводки на резкость, можно подобрать такое ее положение, что при данном значении диафрагмы резким будет все изображение от переднего плана до бесконечности. Называется такая точка гиперфокальной.
При съемке с небольших расстояний нужно считаться с тем, что объектив при этом отодвинут от пленки довольно сильно. Отношение диаметра отверстия к фактическому значению фокусного расстояния падает, и при прочих равных условиях приходится увеличивать экспозицию.
Объективы можно разделить на группы как по минимальному значению диафрагмы (на практике говорят - по светосиле), так и по длине фокусного расстояния. Объективы, у которых длина фокусного расстояния равна длине диагонали кадра, называются нормальными. Они образуют изображение под углом, примерно равным углу зрения человеческого глаза, придавая снимкам естественность. Измеряют этот угол от "вершины" фокусного расстояния по диагонали кадра. Таким образом, чем короче фокусное расстояние, тем угол больше, и наоборот, чем длиннее, тем угол зрения меньше. Для малоформатного кадра длина фокусного расстояния, близкая к 50 мм, считается нормальной, его угол зрения равен примерно 46о.
Объективы для малоформатных камер с фокусным расстоянием меньшим нормального (от 13 до 40 мм) получили название широкоугольных. Объективы с длиной фокуса более 58 мм считаются телевиками.
Объективы с длиной фокусного расстояния меньше 16 мм, у которых не исправлена дисторсия, получили название "рыбий глаз". Предполагается, что они передают окружающее пространство примерно так же, как его видят рыбы (см. "Наука и жизнь" № 9, 1996 г.).
Изменить угол зрения и, соответственно, длину фокусного расстояния объектива можно с помощью насадок. Они могут размещаться как между камерой и объективом, так и перед ним. Более удобны объективы с переменным значением фокусного расстояния - так называемые вариообъекти вы. В последние годы они стали основными в компактных камерах и постепенно занимают такое же место среди объективов для зеркалок. Сегодня они дают не менее качественное изображение, чем объективы с постоянным фокусным расстоянием. Основное их преимущество - возможность изменять соотношение размеров переднего и заднего планов основной части сюжета.
Выпускаются и объективы, состоящие из нескольких отдельных блоков. Комбинируя их между собой, можно получить требуемое фокусное расстояние. Основное преимущество таких объективов в том, что их общий вес гораздо меньше, чем у набора объективов с постоянным фокусным расстоянием, которые они заменяют. А поскольку они выпускаются для сравнительно больших фокусных расстояний и вдобавок с большой светосилой, выигрыш может достигать нескольких десятков килограммов.
Среди специализированных объективов интересны объективы с контролируемой глубиной резкости. Они позволяют изменять ее без изменения значения диафрагмы. Для съемки портретов применяют так называемые мягкорисующие объективы, дающие изображение в дымке. Степень смягчения обычно регулируется. Подобные объективы были популярны в прошлом веке. Особенно ценился портретный объектив фирмы "Николо Першайд". Он позволял регулировать глубину резкости в очень больших пределах и давал весьма своеобразное смягченное изображение.
К малораспространенным специальным объективам относятся объективы для съемки в ультрафиолетовых лучах. Съемку ведут через светофильтры, не пропускающие видимую часть света. Обычные сюжеты снимают через обычный ультрафиолетовый светофильтр. Для съемки в инфракрасных лучах специальных объективов не выпускают, ее ведут через инфракрасные светофильтры, при необходимости подсвечивая сюжет инфракрасными излучателями. Снимают на специальную пленку, чувствительную к инфракрасным лучам. Для коррекции перспективы выпускаются объективы с наклоном и смещением оптической оси относительно центра оправы. Изменение положения оси позволяет довольно сильно менять положение вертикальных и горизонтальных линий на снимке. Поэтому такие объективы применяют для съемки интерьеров и высоких зданий с небольших расстояний. Наклон используется и для увеличения глубины резкости, когда приходится снимать при полностью открытой диафрагме. Фокусное расстояние таких объективов постоянное.
Довольно распространены специализированные объективы для макросъемки. Они выпускаются и с постоянным, и с переменным фокусным расстоянием. Основное их преимущество в том, что они позволяют получать весьма качественное изображение мелких предметов в масштабе, близком к их действительным размерам. Большинство макрообъективов дают качественное изображение и при съемке на бесконечность.
Интересную группу объективов представляют устройства для съемки при свете звезд или почти в полной темноте. Эти довольно сложные электронные устройства, как правило, оформлены в виде приборов наблюдения, например зрительных труб. Они позволяют делать довольно качественные снимки животных, ведущих ночной образ жизни, но только в черно-белом изображении.