 |
Характеристика фотографических объективов
|
|
|
|
Фотографические объективы характеризуются фокусным расстоянием, относительным отверстием, глубиной резкости, углами поля зрения и изображения, разрешающей способностью и аберрациями.
Фокусное расстояние объектива обычно определяют на специальном приборе, называемом оптической скамьей.
Относительное отверстие характеризует количество света, которое может проходить через объектив, или способность объектива создавать изображение с определенной степенью яркости. Величина относительного отверстия 1/n зависит от диаметра d входного зрачка (действующего отверстия) объектива и его фокусного расстояния и находится из выражения
| 1/n=d/f или n=f/d (4.2) |
Оптимальным для аэрофотосъемки считаются относительные отверстия 1/n = 1/4-1/11 [7].
Величина относительного отверстия объектива устанавливается с помощью диафрагмы. Диафрагма состоит из тонких серповидных металлических лепестков. При вращении специального кольца или рычажка, имеющегося на оправе объектива, лепестки уменьшают или увеличивают входное отверстие объектива. Указатель установки диафрагмы, нанесенный на кольце или рычажке, передвигается вдоль шкалы диафрагмы.
Количество пропускаемого диафрагмой света пропорционально квадрату относительного отверстия, поэтому величину 1/n2 называют светосилой объектива.
Глубиной резкости (глубиной изображения) называется способность объектива передавать одинаково резко изображения предметов, находящихся на различных от него расстояниях. Глубина резкости тем больше, чем меньше фокусное расстояние, больше расстояние от объектива до снимаемого предмета и чем меньше относительное отверстие.
Если навести фотокамеру, в которой установлен объектив с малым фокусным расстоянием, например, 8-10 мм на удаленный предмет, то на матовом стекле получится изображение круга с различной резкостью и яркостью. В центральной части круга изображение имеет наибольшую резкость с равномерным распределением освещения. Далее резкость и яркость изображения уменьшается и на некотором расстоянии от центра круга совершенно исчезает. Полученное изображение называется полем зрения объектива.
|
|
|
Углом поля зрения (угол зрения), называется угол (2 
, образованный лучами, соединяющими противоположные по диаметру точки окружности поля зрения и заднюю узловую точку объектива. Угол поля зрения зависит от конструкции объектива, а не от фокусного расстояния. Центральная, наиболее резкая часть изображения называется полем изображения, а угол 2 b – углом поля изображения (углом изображения) (рис.4.2). Величина поля изображения определяет формат кадра фотокамеры и, соответственно, формат снимка, который не должен превышать прямоугольника, вписанного в поле изображения. У конструкций современных объективов поле изображения весьма близко к полю зрения.
Рис.4.2- Угол поле зрения (2 и изображения (2 b)
Угол изображения связан с фокусным расстоянием 
и диагональю кадра соотношением:
 (4.3)
|
где lx и ly – размеры сторон снимка, вписываемого в поле изображения.
В зависимости от величины угла изображения различают объективы узкоугольные (2 b < 45°), нормальноугольные (45 – 75°), широкоугольные (75 – 100°) и сверхширокоугольные (более 100°).
Изменение освещенности в поле зрения при равномерном освещении объекта может быть приближенно охарактеризовано уравнением:
 ,
| (4.4) |
где Е 0 - освещенность в центре поля зрения; 
- угол между направлением луча и главной оптической осью, k- показатель объектива, для различных конструкций объектива изменяется от 1,5 до 4,0.
Снижение освещенности, как видно из уравнения (4.4), идет от центра к краям. В нормальноугольных объективах снижение освещенности мало заметно, в сверхширокоугольных – оно значительно.
|
|
|
Для получения равномерной освещенности перед объективом устанавливают оттенитель – нейтральный светофильтр с постепенно изменяющейся оптической плотностью, который пропускает меньше света в центре и больше к краям.
Разрешающая способность объектива характеризует его возможность воспроизводить раздельно в оптическом изображении мелкие объекты. Она выражается самым большим числом линий на 1 мм, раздельно передаваемых объективом, причём ширина линий и промежутки между ними должна быть одинаковы. Теоретически возможная разрешающая способность объектива Rоб вычисляется по следующей формуле:
Rоб=1473d/f 
1480/n, (4.5)
где d- диаметр действующего отверстия объектива, при d=4 
4,5 мм, Rоб может колебаться в пределах 300-400 линий на 1 мм.
Обычно в паспортах, характеризующих объективы, записывают величину разрешающей способности, полученную путем фотографирования специальной миры, содержащей группы черных и белых штрихов, причем в каждой группе ширина тех и других линий постоянна. В этом случае получают разрешающую способность системы (объектив + светочувствительный слой), ниже теоретической разрешающей способности из-за влияния различного рода искажений в пределах 40-60 линий на 1 мм.
Разрешающая способность оптической системы современных аэрофотосъемочных камер составляет 100 – 150 линий на 1мм.
Разрешающая способность является важной характеристикой, однако, она недостаточна для полной оценки качества изображения. Для восприятия фотографического изображения большое значение имеет контраст объектов. Способности фотографической системы передавать контрасты объектов в зависимости от их размеров на снимке оценивается контрастно-частотными характеристиками (КЧХ). КЧХ фотографического изображения позволяет установить зависимость между частотой штрихов и контрастом их изображения. Для определения КЧХ обычно используют миры с синусоидальным распределением плотности и специальные оптические скамьи, позволяющие построить графики КЧХ системы для различных участков поля зрения. По графикам определяется разрешающая способность как предельное значение частоты, при которой еще различаются отдельные штрихи.
|
|
|
Реальные оптические системы строят совершенное изображение только в очень узкой области, называемой параксиальной. На практике оптическая система работает в более широкой области, в связи, с чем реальное изображение отличается от идеального. Это искажение возникает из-за наличия разного рода аберраций (латинское слово aberratio означает уклонение).
К монохроматическим аберрациям точки на оси (осевым) относится сферическая аберрация, а к аберрациям точки вне оси (полевым) – кома, астигматизм, кривизна поля, дисторсия.
Сферическая аберрация возникает из-за различной оптической длины хода световых лучей, идущих на разных высотах от точки предмета до точки изображения. Сферическая аберрация устраняется комбинацией выпуклых и вогнутых линз и отсечением крайних лучей с помощью диафрагмы.
Кома возникает при прохождении через оптическую систему широких пучков света от точек предмета, находящихся на некоторых расстояниях от главной оптической оси системы. Изображение этих точек имеет вид вытянутого и неравномерно освещённого пятна, напоминающего комет.
Астигматизм возникает из-за несоответствия точек фокуса для горизонтальных и вертикальных лучей, в результате чего одновременно не может быть получено резкое изображение горизонтальных и вертикальных линий. Астигматизм устраняется подбором линз по кривизне, толщине и коэффициенту преломления.
Кривизна поля изображения проявляется в том, что изображение строится, строго говоря, не в фокальной плоскости, а на некоторой искривленной фокальной поверхности сложной формы. Степень кривизны этой поверхности определяется конструктивными особенностями объектива.
Дисторсия является следствием нарушения подобия (ортоскопии) изображения предмету, вызванного тем, что равноудаленные от оптической оси точки предмета изображаются с разным увеличением. Эти нарушения приводят к смещению точек изображения как в радиальном направлении (радиальная дисторсия), так и перпендикулярно к нему (тангенциальная дисторсия). Меняется форма изображения по сравнению с предметом, но без нарушения резкости.
|
|
|
Из опыта создания аэрофотообъективов установлено, что радиальная дисторсия не превышает 20 мкм, а тангенциальная —примерно в 3 раза меньше [5].
Современные объективы имеют дисторсию порядка 2 мкм.
Хроматическая аберрация возникает из-за дисперсии света, происходящей на границе раздела двух преломляющих сред и вызывающей окрашивание изображения. Хроматическая аберрация устраняется подбором линз с различными коэффициентами преломления.
Объективы, в которых дисторсия сведена к минимуму, называются ортоскопическими. Такие объективы правильно передают геометрические формы изображаемых ими предметов. Эти качества позволили использовать их в аэрофототопографических, наземных и репродукционных камерах.
В настоящее время одним из наиболее совершенных типов объектива для научной, технической и художественной и кинематографии являются анастигматы.
Анастигмат является самым совершенным типом объективов, практически свободным от всех оптических недостатков. Он состоит из комбинации линз различных по форме и составу стекла и при полном отверстии дает изображение, резкое по всей площади снимка.
Контрольные вопросы
1.С помощью чего строиться изображение?
2.Изобразите построение изображения объективом.
3.Назовите основные точки и линии при построении изображения объективом.
4.Поясните построение изображения объективом.
5.Какое изображение строит объектив?
6.Чем характеризуются объективы?
7.Что характеризует относительное отверстие?
8.Что такое светосила?
9.Что такое глубина резкости?
10.Что такое разрешающая способность объектива?
11.Перечислите виды аберраций.
|
|
|
