Понятие об объективе фотоаппарата
Новиков М.Г.
22.09.2008
Содержание
Вступление
В данной статье я постараюсь дать базовый материал по оптике, без которого невозможно понять причины тех или иных действий при пользовании фотоаппаратом. Также эта статья будет очень полезна при прочтении других моих статей на этом сайте по теме фотографии. Поэтому её стоит прочесть первой. Итак, начнём.
Хотя современный объектив фотоаппарата состоит из большого количества линз, по сути, его можно заменить всего лишь одной. Все дополнительные линзы служат только для компенсации оптических искажений, происходящих в главной линзе. Поэтому, в целях простоты, рассмотрим в качестве объектива лишь одну линзу, и выясним, как же она формирует изображение на матрице (или плёнке).
Линза. Фокусное расстояние.
Итак, обычная выпуклая линза обладает способностью собирать падающие на неё лучи света в пучок за счёт явления преломления света на границах сред с разной плотностью (в данном случае воздух-стекло). Мы не будем вдаваться в природу этого физического явления, примем это как есть.
Любая линза имеет своё фиксированное фокусное расстояние. Что такое фокусное расстояние? Это расстояние от оптического центра линзы до того места, где параллельные лучи, направленные вдоль оптической оси линзы соберутся в пучок. Чем выпуклее линза, тем фокусное расстояние короче. На фокусное расстояние также оказывает влияние показатель преломления стекла и толщина линзы, но влияние это невелико.
Фокусное расстояние — это очень важный параметр линзы. Вокруг этого параметра завязаны практически все её свойства. Ниже на рисунке показано, как определяется главное фокусное расстояние линзы.
В простейшем случае мы можем взять линзу (например, увеличительное стекло), направить её на солнце, и спроецировать пучок его лучей на бумагу. Меняя расстояние до бумаги, найдём положение, при котором пучок станет наиболее концентрированным. Расстояние от оптического центра линзы до этого пучка и будет главным фокусным расстоянием этой линзы.
Рассмотрим ещё несколько простых свойств линзы, понимание которых поможет нам в дальнейшем. Предположим, мы направили линзу не на солнце, а на маленький горящий светодиод, расстояние до которого около метра. В этом случае, лучи света, падающие от него на линзу, не будут параллельны. Они будут расширяться от светодиода к линзе. Таким образом, изменится угол падения на линзу каждого лучика, а значит, они выйдут с другой стороны линзы тоже немного под другим углом. Пучок сфокусированных лучей в этом случае сместиться чуть дальше от главного фокуса линзы. Расстояние от оптического центра линзы до этого нового пучка будет называться сопряжённым фокусным расстоянием. То есть это фокусное расстояние, сопряжённое с конкретным расстоянием до светодиода:
Чем ближе мы поднесём светодиод, тем дальше от линзы отодвинется сопряжённый фокус, и поэтому больше будет сопряжённое фокусное расстояние. Интересный момент — поднеся светодиод к линзе на дистанцию двух главных фокусных расстояний, мы получим с противоположной стороны линзы сопряженный фокус, также отстоящий от линзы на дистанцию двух фокусных расстояний. Запомним этот факт.
Зависимость расстояний от объекта до линзы и от линзы до сопряжённого фокуса можно выразить математически простой формулой, т.н. формулой тонкой линзы:
1/S + 1/f = 1/F,
где S — расстояние от линзы до объекта;
f — расстояние от линзы до сопряжённого фокуса;
F — главное фокусное расстояние линзы.
Запомним эту формулу. Она нам в дальнейшем пригодится, в частности, в статье про природу ГРИП.
Как линза формирует изображение
На схеме предыдущей главы показан ход лучей, исходящих из одной точки, находящейся на оптической оси линзы. Однако изображение формируется бесконечным множеством точек кадра, которые лежат и выше, и ниже оптической оси. На следующей схеме показаны траектории хода лучей, исходящих от трёх точек кадра — верхней, центральной и нижней. Для каждой точки показано по три луча — два крайних, попадающих в линзу, и центральный, проходящий через оптический центр линзы:
Из этой схемы видно, что линза фокусирует позади себя пучки лучей, исходящих от каждой из трёх точек объекта. На самом деле этих точек у объекта бесконечное множество, и все они фокусируются с другой стороны линзы, образовывая своими фокусами некую фокусную плоскость. Эту плоскость называют фокальной (от лат. fоcus — очаг). Этот термин очень часто употребляется среди фотоспециалистов, поэтому запомним его значение.
Вообще, фокальная плоскость не является строго плоской. Согласно элементарным законам геометрии (гипотенуза всегда длиннее катета), самая верхняя и самая нижняя точки объекта отстоят от оптического центра линзы немного дальше, чем центральная точка, находящаяся непосредственно на оптической оси линзы. Поэтому (согласно формуле линзы) и сопряжённые с этими крайними точками фокусы будут чуть ближе к линзе, нежели сопряжённый фокус центральной точки. В результате фокальная плоскость слегка вогнута.
В результате фокусировки линзой лучей, исходящих от всех точек объекта, в фокальной плоскости окажется сформировано перевёрнутое его изображение (причина его перевёрнутости хорошо видна на схеме). Именно в эту фокальную плоскость в фотоаппарате и помещают фотоплёнку или электронную матрицу, фиксирующую изображение. При изменении расстояния до объекта фокальная плоскость тоже сдвигается (согласно формуле линзы), и чтобы вновь получить резкое изображение, линзу чуть смещают относительно матрицы так, чтобы матрица вновь оказалась фокальной плоскости. Этот процесс называется фокусировкой.
В предыдущей главе я упоминал, что при дистанции до объекта, равной двум фокусным расстояниям, сопряжённый фокус также будет отстоять от линзы на расстоянии двух фокусов. Если мы нарисуем предыдущую схему применительно к описанному случаю, то увидим, что размер изображения на матрице в этом случае будет совпадать с размером самого объекта. То есть масштаб съёмки будет 1:1. Такой режим съёмки называется «макро». Ниже приведена упрощённая (показаны только центральные лучи) схема этого варианта:
Стоить заметить, что режим «макро» при разных размерах матрицы естественно будет давать разное увеличение объекта в итоговом кадре. Поэтому «макро» — это не определение степени увеличения, а всего лишь технический режим съёмки, ничего особенного пользователю не говорящий. Также ничего не скажет пользователю и такая чисто маркетинговая характеристика режима «макро», как «минимальная дистанция съёмки». При одной и той же минимальной дистанции, результат может быть разный в зависимости от минимального фокусного расстояния объектива и размера матрицы. Кроме того, опять же в маркетинговых целях, в некоторых «цифрокомпактах» режимом «макро» могут назвать и масштаб 1:2 (диагональ изображения в 2 раза меньше объекта), и даже больше, что не совсем правильно, хотя при таких масштабах некоторые особенности макросъёмки уже и начинают действовать.
Единственным информативным параметром возможностей режима «макро» могла бы стать минимальная фокусная диагональ кадра, помещающаяся на всю матрицу, но у гуманитариев-маркетологов иная точка зрения на этот вопрос, с физикой (истинным положением вещей) никак не связанная.
Итак, мы выяснили, как работает объектив фотоаппарата на его модели — обычной выпуклой линзе. Это был базовый материал, и теперь вы вполне готовы к прочтению других моих статей по этой теме.