Фотообъектив. Устройство и принцип работы

Объектив фотокамеры представляет собой весьма сложную конструкцию. Как правило, он состоит из целого ряда стеклянных линз, преломляющих и фокусирующих свет, поступающий в объектив. Благодаря этому увеличивается изображение снимаемой сцены и осуществляется фокусировка на конкретной точке.

Объектив конструктивно состоит из следующих основных элементов: системы линз и сферических зеркал, изготовленных из специального оптического стекла, металлической оправы и диафрагмы.

В лицевой части объектива располагается линза, основное предназначение которой состоит в сборе световых лучей. Внутри объектива размешаются уже другие линзы и сферические зеркала, которые отвечают за последующее преломление света и дальнейшее формирование изображения.  Количество линз или оптических элементов в конструкции современных объективов может быть разным. При этом они могут быть соединены друг с другом или, наоборот, разделены воздушным пространством. В простейших объективах используется система, состоящая из одной — трех линз. А в высококачественных и дорогих объективах количество оптических элементов, выполненных из различных сортов стекла, может достигать десяти и более.  

Устройство сменного объектива (визуально различимы три группы линз)

Высокая точность взаимного расположения линз в объективе достигается за счет крепления линз в металлической оправе. То есть оправа – это не просто корпус объектива, а компонент, обеспечивающий необходимое расстояние между линзами, а также защиту оптических элементов от механических и климатических воздействий. Оправа обычно имеет несколько кольцеобразных деталей. В результате поворота одного из таких колец обеспечивается осевое перемещение той части металлической оправы, в которой укреплен основной блок объектива. Конструкция оправ объектива предполагает возможность ручного или автоматического изменения диафрагмы, то есть регулируемого по величине отверстия, способного изменять количество световых лучей, проходящих через объектив на матрицу цифрового фотоаппарата.

 

Шестилепестковая диафрагма

Диафрагма в объективе представляет собой светонепроницаемую заслонку с небольшим отверстием в центре, которая просто отсекает световые лучи, проходящие сквозь края линзы. Такая заслонка в подавляющем большинстве объективов состоит из тонких металлических лепестков серповидной формы, установленных по окружности между линзами объектива. Эти лепестки диафрагмы могут поворачиваться одновременно друг с другом, двигаясь в пространство между линзами или выходя из него. Диафрагма служит для изменения глубины резко изображаемого пространства (ГРИП). Уменьшая размер диафрагменного отверстия, мы можем повысить резкость кадра.

Элементы сменного объектива

В устройство объектива может входить фокусировочное кольцо. Оно используется для ручной наводки объектива на резкость. Вращая кольцо объектива, фотограф может сделать резким либо передний, либо задний план. Если же объектив снабжен функцией автофокуса, то фокусировочное кольцо вращается автоматически благодаря специальному мотору. При нажатии на кнопку затвора камеры объектив автоматически фокусируется на резкость. Фиксирование фокусировки обычно происходит при нажатии кнопки спуска до половины.

В современных сменных объективах ведущих производителей применяется ультразвуковой привод фокусировки (USM), встроенный непосредственно в объектив. Благодаря ему обеспечивается очень быстрая скорость работы фокусировки. Существуют объективы и с так называемым отверточным приводом, который механически связывает объектив и фотоаппарат. Такая система работает более медленно и шумно.

Типы ультразвуковых приводов фокусировки объективов Canon

Помимо автофокуса, в конструкции объектива часто встраивается и механизм стабилизации, который компенсирует дрожание камеры при увеличенных выдержках, тем самым, давая фотографу возможность получать резкие кадры в условиях недостаточной освещенности без использования штатива. Объектив с переменным фокусным расстоянием (зум-объектив) имеет специальное кольцо трансфокатора, используемое для изменения фокусного расстояния. С помощью такого кольца можно приблизить или отдалить снимаемый объект в кадре.

Оправа объектива может составлять одно целое с камерой только в том случае, если объектив жестко встроен в фотоаппарат.

В цифровых же камерах, рассчитанных на использование сменных объективов, применяется система крепления объектива — байонет. Такие системы крепления объектива к камере у каждого производителя свои собственные, хотя существуют и некоторые открытые стандарты байонета. Размеры и форма байонета зависят от типа камеры, к которой крепится объектив.

Сам объектив может, в свою очередь, предоставлять возможность для установки разнообразных фильтров. Для этого он оснащается специальной резьбой, расположенной вокруг внешней линзы. Именно на эту резьбу и прикручиваются различные фильтры и другие аксессуары для объективов, о которых мы поговорим ниже.

Объективы фотокамер бывают сменными или несмеными.

Несменный объектив компактной камеры

Несменные объективы устанавливаются постоянно и не подлежат смене на другие. Очевидно, что такие объективы упрощают обращение с фотокамерой, хотя это и не всегда удобно. Например, существенно изменить фокусное расстояние во время съемки не представляется возможным. Остается лишь пользоваться возможностью изменять фокусное расстояние самого несменного объектива либо применять насадочные линзы для получения эффекта широкоугольного или телеобъектива. Правда, в большинстве цифровых фотокамер для выбора подходящей композиции предусмотрена возможность изменения масштаба изображения простым нажатием соответствующей кнопки.

Сменный объектив

Сменные объективы. Возможность менять объективы в зависимости от конкретной ситуации во время съемки очень удобна для контроля творческого процесса. Например, стоя на одном месте, можно сначала снять с высоким качеством всю окружающую местность широкоугольным объективом, а затем конкретный элемент сцены — телеобъективом. Позволяя устанавливать самые разные объективы, цифровая фотокамера обеспечивает максимальное удобство во время съемки и качество фотографий, хотя комплект сменных объективов стоит достаточно дорого.

Характеристики объектива

Объективы характеризуются двумя основными параметрами – светосилой и фокусным расстоянием. Как правило, значения этих параметров указываются на передней части оправы любого объектива. 

Наверняка, если вы не раз слышали такое понятие, как светосильный объектив. Скорее всего, именно светосила играла ключевую роль при выборе той или иной линзы, и конечно же продавец ссылся на этот мистический параметр – светосила!

Вначале давайте разберемся, что такое светосила объектива. Если просто, то светосила - это пропускная способность объектива, т.е. светосила показывает какое максимально возможное количество света проходит через объектив и попадает на матрицу цифрового фотоаппарата. Чем больше светосила у объектива – тем больше света через него может проходить, тем больше возможности при съемке в плохом освещении без использования вспышки или штатива.  Кроме того, объектив с большой светосилой помогает сфокусировать фотокамеру. Благодаря тому, что такой объектив пропускает больше света, фотокамера может быть лучше сфокусирована даже при относительно слабом освещении.

Светосила объектива зависит от следующих параметров:

• диафрагма
• фокусное расстояние
• качество оптики

Не будем углубляться в физику, скажу лишь что отношение диаметра максимально открытой диафрагмы к фокусному расстоянию, как раз и будет вашей светосилой (геометрической светосилой объектива). Именно эту светосилу производители оптики и указывают на корпусе объектива – 1:1.2, 1:1.4, 1:1.8, 1:2.8, 1:3.5-5.6 и так далее. Естественно, чем больше это соотношение, тем больше светосила объектива. Поэтому светосильные объективы считаются те, у которых соотношение 1:2.8, 1:1.8, 1:1.4 и более.

Фокусное расстояние (ФР) - это одна из важнейших характеристик объектива фотокамеры, которая обычно указывается на объективе и измеряется в миллиметрах. Если быть более точным, то указывается заднее фокусное расстояние - это расстояние от оптического центра объектива до точки фокусировки.  С практической точки зрения фокусное расстояние можно рассматривать в качестве кратности увеличения объектива. Чем больше фокусное расстояние, тем больше объектив увеличивает изображение. При большом фокусном расстоянии изображение, проецируемое на сенсоры, содержит меньшую часть снимаемой сцены.

Зависимость угла обзора от фокусного расстояния объектива

Фокусное расстояние и размер сенсора определяют угол обзора камеры. У объективов с переменным фокусным расстоянием (зумом) указывается диапазон фокусных расстояний. 

В зависимости от фокусного расстояния различают:

Широкоугольный объектив. Фокусное расстояние до 35-50 мм. Этот объектив заставляют близкие объекты казаться еще ближе, а удаленные объекты еще дальше, создавая при этом сильное ощущение перспективы. Применяется при съемке пейзажей, архитектуры, в тесных помещениях.


Нормальный объектив (стандартный). Фокусное расстояние от 50 до 80 мм. Фокусное расстояние такого объектива примерно равно диагонали кадра. Человеческий глаз обеспечивает угол зрения около 50 градусов, что и обеспечивать данный объектив, то есть изображение приближено к тому, что мы с вами обычно видим, поэтому он и называется нормальный объектив. Он применяется при съемке портретов, чтобы не допустить искажения лиц.


Телеобъектив. Такой вид объектива имеет фокусное расстояние более 80 мм. Благодаря этому он значительно увеличивает предметы. Он применяется в спорте и любой другой репортажной съемке, где невозможно подойти ближе к снимаемому объекту.

Некоторые из объективов имеют постоянное фокусное расстояние (такие объективы еще чаще называют фикс-объективами), и не имеют никакого "зума". Преимущества: обычно, более высокое качество получаемой картинки, более высокая светосила. Недостатки: отсутствие "гибкости" при использовании. Использование: художественная фотография и прочие виды фотосъемки, в которых важна безупречность "рисунка" объектива.

Объективы с переменным фокусным расстоянием  позволяют "приближать" и "удалять" изображение в кадре. Преимущества: удобство использования, повышенная универсальность, экономия места (один такой объектив может, по сути, заменить несколько фиксов). Недостатки: чаще всего - худший "рисунок" (это происходит главным образом потому, что при создании конструкции зум-объективов производителям приходится идти на ряд компромиссов, включая ввод дополнительных линз для расширения пределов оптического увеличения объектива), чуть меньшая надежность за счет наличия подвижных элементов, чуть больше искажений, обычно - менее светосильны, чем объективы с фиксированным фокусным расстоянием.  Использование: там, где необходима универсальность. Очень полезны в путешествиях, при съемке репортажа. 

Качество объектива

В предыдущем уроке мы говорили о суперзумах - компактных камерах с объективами со значительным диапазоном ФР (либо так называют сами объективы). У данной категории недостатки зум-объективов проявляются особенно значительно, несмотря на технические новшевства изготовителей. Невозможно оптимально сбалансировать оптическую формулу такого объектива для качественной работы в диапазоне ФР несколько десятков, а то и сотен единиц. Я бы сравнил такой объектив с кухонным комбайном - умеет все, но все недостаточно хорошо. Подробнее о суперзумах рассказано на нашем ресурсе. Поэтому при выборе камеры с несменными объективами или при покупке зум-объектива я не рекомендовал бы "гнаться" за универсальностью суперзумов, если вас прежде всего интересует качество фотографии. Такая покупка может быть оправдана лишь для фото из путешествий, не претендующих на обложку гланцевых журналов, и когда качество ваших снимков определяется критерием "Меня хорошо видно? А пирамиры сзади попали в кадр?" ))) 

Во время съемки при слабом освещении объективы с большой светосилой позволяют получать резкое изображение при малой выдержке. Независимо от типа цифровой фотокамеры (с несменным или со сменным объективами) объектив оказывает решающее влияние на качество получаемого изображения. Высококачественные объективы всегда позволяют получать наиболее резкие, четкие изображения, сохраняющие максимальную степень детализации в области светов и теней.

Компактную цифровую фотокамеру рекомендуется выбирать с как можно более качественным объективом. А что касается цифровой фотокамеры со сменными объективами, то здесь намного больше возможностей для выбора подходящего объектива.

Итак, наиболее качественные фотографии получаются светосильными объективами с фиксированными фокусными расстояниями, и именно поэтому большинство профессиональных фотографов предпочитают съемку именно фиксами.

Определение недостатков объектива

Несмотря на заверения в высоком качестве производимой мировыми лидерами оптики, при покупке рекомендуется проверить вашу фотокамеру с конкретным объективом. Стоят даже бюджетные объективы недешево, и обнаруженные после покупки дефекты могут обернуться потерей времени в походах по гарантийным и сервисным центрам, и просто испорченным настроением от неудачной покупки.

Прежде всего, после простой проверки объектива на отсутствие механических дефектов, грибковых поражений (из-за неправильного хранения у продавца) и пыли между линзами, необходимо выполнить тест на бэк-фронт-фокус.

Понятие бэк-фокус (back-focus, от англ. "back" — задний) означает, что при наведении на точку фокусировки объектив промахнулся назад — ГРИП сместилась назад. При фронт-фокусе (front-focus, от англ. "front" — передний) соответственно промах происходит вперед, ГРИП сместилась вперед. Для тестирования сменного объектива используется специальная шкала с мишенью, которую необходимо заранее скачать из интернета и распечатать на принтере. 

Подробнее об этой и других проверках (на резкость, хроматические аберрации) рассказано на нашем ресурсе. Если вам еще достаточно сложно с этим разобраться, просто запомните эти понятия -  бэк-фокус и фронт-фокус. В последствии вернитесь к этому материалу.

Искажения в объективе

Линзы объектива преломляют и фокусируют свет для получения окончательного изображения. При этом изображение может быть искажено. Аберрациями в фотографии называют искажения снимков, сформированные системой оптики. В зависимости от природы происхождения аберрации бывают хроматическими и геометрическими.

Если контуры объектов на фотографии имеют неестественно вогнутую или выпуклую форму, и это не является художественным замыслом, такой вид геометрической аберрации называется дисторсией. Наиболее явно искажение проявляется при использовании широкоугольных объективов.

Подушкообразное искажение — это вид искажения, при котором края изображения изгибаются вовнутрь. Такое искажение может произойти в объективе с переменным фокусным расстоянием при максимальном увеличении, а также при установке насадочных линз на короткофокусные объективы. Этот вид искажения наиболее заметен на прямых линиях вблизи краев изображения. Подушкообразное искажение обычно устраняется в программе редактирования изображений.

Бочкообразное искажение — это противоположный подушкообразному вид искажения. При бочкообразном искажении изображение кажется выпуклым, а прямые линии изгибаются наружу. Такое искажение происходит при установке очень малого увеличения в объективах с переменным фокусным расстоянием либо в широкоугольных объективах. И этот вид искажения наиболее заметен на прямых линиях вблизи краев изображения. Аналогично подушкообразному иснию, бочкообразное искажение может быть в программе редактирования изображений. 

Хроматическая аберрация — этот вид оптического искажения обусловлен отсутствием фокусировки света разной длины волны в одной и той же фокальной точке. При этом коротковолновый свет преломляется больше, чем длинноволновый, в результате чего возникает рассогласование света разной окраски в окончательном изображении. Такое искажение характерно для большинства любительских цифровых фотокамер, в которых применяются объективы более низкого качества. Для сведения к минимуму хроматической аберрации в большинстве объективов профессиональных фотокамер применяется стеклянная оптика с малой дисперсией. Кроме того, хроматическая аберрация наблюдается при использовании недорогих широкоугольных объективов.

Цветные ореолы на ярких краях изображения представляют собой разновидность хроматической аберрации. Это явление возникает тогда, когда свет внутри объектива создает окантовку пурпурного цвета вдоль краев изображения. Такой недостаток легко обнаруживается по цветной окантовке на высококонтрастных краях полученного снимка (рис. ).

ПРИМЕЧАНИЕ. Возможность устранения подушкообразных и бочкообразных искажений, а также хроматической аберрации в программе редактирования изображений отнюдь не означает, что этими видами искажений следует пренебрегать при оценке качества объектива. Если в двух или трех изображениях устранить их нетрудно, то в 100 или более изображениях сделать это намного сложнее.

Уход за объективами

Очистка объектива – дело, подход к которому должен быть ответственным с самого начала пользования камерой.  Дорогая фототехника нуждается во внимании и уходе, поскольку неаккуратное пользование может привести к серьезному загрязнению, которое значительно снизит качество снимков и приведет к преждевременному износу или повреждению оптики.

Для ухода за оптикой применяют влажные и сухие салфетки, ватные палочки, щеточки для чистки оптики, груши для продувки пыли. Рынок предлагает богатый ассортимент разнообразных технических решений для чистки оптики. Современные инструменты чаще всего комбинируют в себе выше перечисленные средства.

Сухая пыль. Пыль считается абразивом, который способен исцарапать поверхность линзы, поэтому снимать ее нужно очень осторожно и делать это в первую очередь, в сравнении с другими загрязнениями. Сухая пыль лучше всего удаляется интенсивной струей воздуха, направленной относительно к поверхности линзы под углом 10-35 градусов. Если пылинка не удаляется, нужно «обработать» ее грушей с разных сторон. Продувка грушей – первый и самый эффективный метод очистки оптики от сухой пыли, поэтому его бывает вполне достаточно.

Влажная пыль. Иногда пылинки прилипают к линзе. В этом случае используется щеточка, которую перед применением нужно стряхнуть. Движения щеточки при съеме пылинок должны быть короткими и мягкими, по направлению от центра к краям с легким закручиванием, чтобы не допустить попадания пыли в пазы между объективом и линзой. После удачной уборки пылинки объектив нужно хорошо продуть грушей.

Влажные капли. Влажные капли желательно убирать еще до их высыхания, иначе вместо жидкости получим абразивные микрокристаллы неорганических солей или органический жир. Для этих целей лучше всего подходят упомянутые выше микрофибрильные салфетки или палочки, поскольку мгновенно и почти полностью впитывают влагу. Сильно нажимать при очистке не нужно, поскольку этим можно выдавить уже собранную жидкость и лишними движениями сделать царапины. Протирать стоит от центра линзы к ее краям по-спирали без усилий, короткими деликатными движениями.

Сухие капли. В случае если жидкость все-таки испарилась и оставила на линзе соляные кристаллы, для недопущения микро-царапин необходимо применять специальные влажные салфетки, заканчивая сухой палочкой до полного устранения загрязнения. Если линза объектива имеет довольно большой диаметр, для удобства стоит воспользоваться салфетками, но в этом случае рекомендуется надевать одноразовые перчатки, чтобы предотвратить загрязнение салфетки руками.

 

Жирные пятна и отпечатки пальцев. Данный тип загрязнения очень распространенный. В данном случае лучше всего использовать специальный карандаш Lenspen, который позволяет удобно и эффективно счищать загрязнения с линз объективов.

Полезные советы.

1. Всегда используйте специальную сумку для транспортировки и хранения фотокамеры, дополнительной оптики и аксессуаров, в том числе и средств, для чистки. Сумка защитит аппарат от попадания пыли, термических перепадов и механических ударов, которые часто бывают при транспортировке.
2. При съемке в местности, где есть угроза попадания пыли или капель воды, заранее используйте защитные светофильтры разных производителей, которые если испортятся, стоят значительно дешевле, чем дорогая оптика. 
3. Помните, что даже профессиональная умелая чистка линз оставляет после себя незаметные микроскопические следы и микроцарапины, которые со временем могут вызвать помутнение оптики, поэтому следите за чистотой объективов с самого начала и не допускайте лишних механических движений по линзам и они прослужат вам долгие годы.
4. Ни в коем случае не снимайте загрязнения с линз пальцами и не используйте не приспособленные для этого материи. Это может механически или химически повредить деликатное стекло или покрытие линз.
5. Не дуйте на объектив – микроскопические капельки слюны обязательно попадают на линзу, как бы вы того не хотели. 
6. Для чистки оптики больше всего подходит чистое безветренное помещение. Перед тем, как приступить к работе, нужно обеспечить максимальную чистоту и освещение рабочего места и вымыть руки.