Съемочные объективы для телевидения и кинематографа

Класс съемочных объективов весьма обширен и он включает не только объективы для телекамер, видеокамер, кинокамер, фотокамер общего назначения, но и используется в аэро-, гидро-, астрофотографии, голографии и в др. съемочной аппаратуре. В отличие от других объективов, например объективов телескопов, подзорных труб или микроскопов, которые, в принципе, "обслуживают" око (oculus по латыни – глаз), съемочные объективы должны создавать высококачественное изображение снимаемого объекта в пределах значительных угловых полей на светочувствительной, обычно плоской поверхности приемника в виде CCD-, CMOS-матриц или эмульсии фотокинопленки.

Объектив представляет собой оптическую систему равнозначную действию собирающей линзе и обеспечивающую построение изображения на плоскости. Он состоит из набора линз (в некоторых телеобъективах – и зеркал), рассчитанных для взаимной компенсации аберраций и собранных в единую систему внутри оправы. Также, в зависимости от назначения и конструкции, может включать следующие элементы: диафрагму, для управления количеством проходящего света, систему фокусировки и даже затвор. Конструкции объективов определяются следующими параметрами: формой и радиусами кривизны линз, толщиной линз, расстояниями между линзами, марками стекол линз.

Сложность объектива определяется более или менее полным решением задачи коррекции аберрационных искажений. В сложных объективах предлагается решение и некоторых дополнительных задач, в том числе сервисных. Идеальная двухлинзовая оптическая система, теоретически, способна обеспечить формирование четких изображений объекта во всем интервале возможных положений объекта (от бесконечно удаленных до максимально приближенных). Телескопические и микроскопические системы – просто крайние в этом ряду. Двухлинзовые системы, правда, не способны обеспечить ряд других существенных требований (в частности, коррекцию аберрационных искажений, широкий угол поля зрения или, что еще существеннее, неизменность плоскости изображения от расстояния до объекта). Эти и многие другие требования привели к созданию сложных многолинзовых оптических систем.

Базовые конструкции съемочных объективов можно оформить и рассчитать как:

Монокль – простейший объектив, состоящий из одной собирающей линзы;
Ахромат – представляет собой объектив, состоящий из двух склеенных линз с различными показателями преломления;
Перископ – симметричный объектив, состоящий из двух собирательных линз;
Апланат – симметричный объектив, состоящий из двух ахроматических (ландшафтных) линз, между которыми расположена диафрагма.
Триплет – ранний вариант анастигмата, состоящий из трёх несклеенных линз;
Анастигмат – объектив, у которого практически устранены все аберрации;
Апохромат – обычно это анастигмат, у которого лучше устранена хроматическая аберрация (отсутствует вторичный спектр);
Объектив с переменным фокусным расстоянием - Zoom (трансфокатор, вариообъектив).

Рассмотрим некоторые из этих базовых конструкций объективов с постоянным фокусным расстоянием - фиксфокалов, поскольку специалисты довольно часто оперируют этой терминологией без разъяснения сути.

Монокль – это весьма несовершенный объектив, в котором положительная линза имеет форму мениска с полем зрения 15-20º. Сферическая и хроматическая аберрации мениска с расположенной впереди диафрагмой (рис.1) могут быть уменьшены лишь при диафрагмировании до 1:11. При диафрагмировании до значений 1:14 и соответствующем расположении диафрагмы достигается равномерное распределение резкости по всему полю изображения, достаточное для некоторых съемок.

Рис.1. Монокль.

Объектив ахромат – представляет собой ахроматическую оптическую систему из двух склеенных линз, которая получила название ландшафтная линза. Такой двухлинзовый объектив (рис.2) при соответствующем подборе марок стекла может обеспечить удовлетворительное качество изображения при относительном отверстии 1:11 и даже при 1:9 при угле поля зрения в пределах 20-25º. Двухлинзовый объектив, который был разработан еще задолго до появления фотоаппарата, находит применение и в настоящее время как длиннофокусный объектив с относительным отверстием 1:5-1:8.

Рис.2. Ландшафтная линза.

Существенное улучшение качества изображения дает объектив типа перископ с двумя симметрично расположенными одинаковыми двумя положительными менисками и установленной между ними диафрагмой (рис.3). По этой оптической схемой в 1864-1865 годах Штейнгель создал объектив с относительным отверстием 1:12. В перископе устранены дисторсия и кома, но не исправлены хроматизм и астигматизм. Позднее эта схема была использована немецкой фирмой «Герц» в сверхширокоугольном объективе "Гипергон" (от греческого hyper – сверх и gonio – угол) с улом поля зрения 140º. Система "Гипергон" получила дальнейшее развитие в объективе "Орион", в котором появились еще две, также симметрично расположенные, но слаборассеивающие линзы (рис.4). Они то и обеспечивают коррекцию аберраций. Впрочем, полностью исключить в широкоугольниках геометрические искажения и потерю четкости на краях поля зрения еще никому не удавалось. Не случайно поэтому, что при разрешающей способности 45…50 лин/мм в центре, она спадает к краям более, чем в два раза до 16…20 мм. Но зато угловое поле зрения несколько превышает 90°. Однако по этому параметру "Орион" значительно уступает системе Гилля. Надо сказать, что объективы "Орион" успешно применялись в отечественных телевизионных камерах.

Рис.3. Объектив-перископ типа «Гипергон».

Рис.4. Объектив-перископ типа «Орион».

Аплана́т – (от греч. а – отрицательная частица и plane – блуждание, отклонение, ошибка) съемочный объектив (разработка фирмы «Штейнгель» 1866 года), в котором устранена кома, сферическая аберрация, хроматическая аберрация и дисторсия, но в нём недостаточно исправлен астигматизм. Наиболее известный портретный объектив И. Петцваля (1840) представлял собой комбинацию из пары двойных ахроматических линз, его относительное отверстие достигло 1:3.4, однако обычно относительное отверстие таких объективов ограничивалось 1:8. Апланат вместе с объективом И. Петцваля был основным типом объектива, использовавшегося фотографами 1870-80-х годов. Объектив имеет значительную кривизну поля, из-за чего угол поля зрения не превышает 30º. На рис.5 представлена оптическая схема апланата.

Рис.5 Оптическая схема апланата.

На рис.6 представлены оптические схемы анастигматов.

Рис.6. Оптические схемы анастигматов: а – симметричная конструкция, б – несимметричная конструкция

Анастигма́т – тип объектива, у которого практически устранены все аберрации. Анастигматы даже при большом значении максимального относительном отверстии дают резкое изображение по всему полю. Конструктивно их разделяют на симметричные, у которых оптические линзы по обе стороны диафрагмы совершенно одинаковы, и несимметричные, оптические линзы которых неодинаковы. Анастигматы могут состоять из склеенных линз (ландшафтных), частично склеенных и несклеенных. В свое время в СССР и за рубежом анастигматы выпускались под следующими марками: «Юпитер», «Ортагоз», «Индустар», «Тессар», «Гелиос» и др. А в исторической ретроспективе фирма «К. Цейс» выпустила первый несимметричный анастигмат «Протар» в 1891 году, а в 1896 году – первый симметричный анастигмат «Планар». Следует отметить, что совершенствование объективов типа «Планар» продолжается и в наше время: на их основе фирмой «К. Цейс» созданы светосильные объективы Planar (1:1.7) с большим полем изображения.

Представляет особый интерес несимметричный нескленный анастигмат назанный триплетом (рис.7). Этот объектив, состоящий из трех отдельно расположенных линз (латинское trplus – тройной), создан более века назад в 1894 г. Разработал его английский оптик Г. Тейлор. Любопытно, что еще в 1980 г. в мире производилось более 100 моделей триплетов, что косвенно свидетельствует об очень удачной идее, положенной в основу конструкции. Это обеспечило широкое применение и очень долгую жизнь объективам-триплетам. В большинстве триплетов объектив и окуляр – собирающие линзы, а центральная линза – рассеивающая. Апертурная диафрагма обычно размещается между центральной линзой и окуляром. Триплет – простейший анастигмат, т.е. объектив, в котором выполнена достаточно основательная коррекция практически всех аберраций, включая астигматизм и кривизну поля. Функция коррекции, в основном, возложена на рассеивающую линзу. Основные параметры, характерные для триплетов, – угловое поле зрения не выше 64°, относительное отверстие – до 1:2.4, разрешающая способность 46 лин/мм в центре поля и к краям 27 лин/мм. Советский объектив "Индустар" – типичный пример развития триплета. В "Индустаре" применен сложный окуляр, состоящий из двух склеенных линз – рассеивающей и собирающей с целью более основательного исправления аберраций.

Рис.7. Триплет.

В свое время в СССР и за рубежом анастигматы выпускались под следующими марками: «Юпитер», «Ортагоз», «Тессар», «Гелиар», «Гелиос» и др. Объективы, выполненые по оптической схеме «Гелиар» (рис.8), применяются в настоящее время для портретной съемки в качестве мягкорисующего объектива.

Рис.8. Оптическая схема объектива типа «Гелиар».

Самая простая конструкция в линейке "Юпитер" – это четырехлинзовая оптическая система. В более сложных "Юпитерах" применялось до 7 линз (рис.9). Серийно выпускалось более 10 моделей объективов с самыми разными характеристиками. Фокусные расстояния 12…250 мм, относительные отверстия 1:1,5…1:4. Оптическую систему "Юпитер" выделяет среди объективов достаточно глубокая коррекция всех аберраций.

Рис.9. Оптическая схема объектива «Юпитер».

В зависимости от величины относительного отверстия, съемочные объективы можно условно разделить на две или даже три группы:

· сверхсветосильные (ультрасветосильные) объективы с относительным отверстием 1:0,9 -1:1.6, что отражается дополнительно в названиях (Ultra, Super)

· стандартные (нормальные) объективы, обладающих меньшей светосилой, с относительным отверстием до 1:1.8-1:2.0

· промежуточную, переходную нишу занимают объективы, которые можно охарактеризовать просто как светосильные.

Началом создания светосильных объективов можно считать разработки объектива И. Петцваля, когда впервые относительное отверстие составило 1:3.4. Потом, только в 1920 г., был разработан объектив «Оник» с относительным отверстием 1:2.5 по оптической схеме «Планара» с использованием в качестве оптических стекол более тяжелых кронов при увеличении толщины линз и воздушных промежутков между ними. Подобная конструкция четырехкомпонентного съемочного объектива под названием «Кук-Спид Панхро» (рис.10) выпускалась английской фирмой «Тейлор, Тейлор и Гобсон» с увеличением относительного отверстия до значений 1:2.0.

Рис.10. Оптическая схема светосильного объектива «Кук-Спид Панхро».

Рис.11. Оптическая схема светосильного объектива «Эрностар».

Наиболее простые светосильные объективы типа «Тахар» и «Пан-Тахар» с относительным отверстием 1:1.8, которые выпускались немецкой фирмой «Астро», были получены путем усложнением оптической схемы «Триплет» за счет дополнительной положительной линзы. Немецкий оптик Бертеле, разработал на фирме «К. Цейсс» в 1924 г. светосильные объективы «Эрностар» (1:1.8, рис.11) и в 1931 г. «Зоннар» (Sonnar -1:2).

Стало понятным, что дальнейшее увеличение относительного отверстия и угла поля зрения объективов может быть осуществлено только лишь при условии усложнения его конструкции, так как применения новых марок стекол линз с определенной кривизной поверхности уже недостаточно. Один из способов – замена одиночной линзы склеенной, позволяющей ввести различие показателей преломления сред на поверхности склейки. За счет такого усложнения задней линзы было достигнуто повышение относительного отверстия до 1:1.4 в объективе «Биотар» (рис.12) фирмы «К.Цейсс». Развитие современных светосильных объективов пошло по пути увеличения количества линз, их просветления, применения асферических линз: Super Canon, Zeiss Ultra Speed, Panavision Ultra Speed и др.

Рис.12. Оптическая схема светосильного объектива «Биотар».

В зависимости от фокусного расстояния съемочные объективы можно охарактеризовать как:

· нормальные

· длиннофокусные

· короткофокусные

· с переменным фокусным расстоянием

Изменение фокусного расстояния, в первую очередь, позволяет с одной и той же дистанции снимать объекты в разном масштабе – с разной крупностью изображения. Крупность изображения позволяют изменять и дополнительные оптические насадки.

Нормальными принято считать съемочные объективы, фокусные расстояния которых не меньше длины диагонали полного кадра (матрицы видеокамеры) и не больше двух ее значений. Такие соотношения обеспечивают углы поля зрения соответствующие углу зрения одного неподвижного глаза: по горизонтали – это около 30º, а по вертикали – около 20º. В этом случае изображения снимаемых объектов получаются в тех же перспективных соотношениях, в которых их видит глаз. При наблюдении двумя неподвижными глазами горизонтальный угол зрения достигает величины 40º. Т.e. горизонтальный угол 35º можно считать углом ясного цветного зрения, при котором обычно рассматриваются удаленные на различные растояния объекты съемки.

Фокусное расстояние длиннофокусных объективов превышает более чем в два раза длину диагонали полного кадра. Телеобъективы (рис.13), как разновидность длиннофокусных объективов, просто конструктивно имеют укороченный задний отрезок S'_F_', за счет выноса задней главной плоскости Н' за пределы оптической системы объектива. Такой объектив состоит из комбинации двух оптических систем: передней 1 с положительным фокусным расстоянием и задней 2 с отрицательным фокусным расстоянием. При этом длина телеобъектива ∑d вместе с задним фокальным отрезком S'_F_' становятся меньше фокусного расстояния f' (3 – фокальная плоскость): L< f'.

Рис.13. Оптическая схема телеобъектива.

Благодаря этому телеобъективы имеют меньшие размер и массу по сравнению с длиннофокусными классической конструкции, дающими такое же увеличение. Часто телеобъективами называют любые длиннофокусные объективы. Угол поля зрения длиннофокусных объективов 18º соответствует центральному участку сетчатки глаза, который обеспечивает повышенную четкость зрения, необходимую для детального рассматривания удаленных объектов. В самом "начале" длиннофокусного диапазона оптики располагаются объективы, часто именуемые "портретными". Такое название объективов напрямую связано с применением их для съемок портрета. Увеличенное в сравнении со стандартным фокусное расстояние портретных объективов позволяет нормально компоновать снимок, не приближаясь слишком близко к объекту. Ведь для нас привычнее рассматривать черты лица человека где-то с полутора-двух метров, а не с 50 сантиметров. А объективы портретного диапазона как раз и дают возможность хорошо скомпоновать снимок, выдержав при этом "безопасную" для привычного восприятия минимальную дистанцию в полтора-два метра. Поэтому именно портретные объективы наиболее правильно (точнее сказать – привычно для нашего восприятия) передают пропорции лица человека при портретной съемке. Длиннофокусные объективы позволяют снимать в достаточно крупном масштабе, не приближаясь к объекту съемки, так как есть немало объектов, к которым нельзя подойти близко даже при всем желании. Например, чтобы закатное Солнце на кадре получилось огромным красным шаром, а не маленькой белой дырочкой в небе, нужен объектив с достаточно большим фокусным расстоянием. Существует эмпирическое правило – размер изображения Солнца и Луны в кадре имеют диаметр примерно в сто раз меньше фокусного расстояния объектива. Поэтому получить Солнце "во весь кадр" можно только сверхдлиннофокусными объективами. Использование длиннофокусной оптики дает возможность не только "приближения" удаленных объектов. Эти объективы совершенно по-особенному передают перспективу, "сплющивая" ее и сокращая расстояния между передним и задним планами. Наиболее близко к нашему восприятию запруженную машинами дорогу, теряющуюся в дымке тропинку, уходящие вдаль рельсы или ровный ряд фасадов домов лучше всего воспроизводят именно с помощью длиннофокусной оптики. Кроме того такие объективы необходимо применять в тех случаях, когда необходимо акцентировать внимание на каких-то небольших деталях и крупных планах объекта съемки, отрезав и размыв до неузнаваемости ненужный задний план.

В качестве примера можно привести длиннофокусные объективы типа ОКС (CCCР) с фокусными расстояниями 250 (1:2.8) мм, 500 (1:4,5) мм и 750 (1: 5,6) мм; серии фотообъективов Hasselblad Zeiss Optics 150 (1:2.8) мм, 250 (1:4.0) мм, 500 (1:8.0) мм; фирмы «Canon» 300/600 (1:2.8/5.6) мм, 800 (1:5.6) мм, 1200/1700 (1:5.6/8.0) мм.

Отдельную группу среди длиннофокусных объективов занимают зеркально-линзовые (рис.14), которые имеют наименьшие габаритные размеры. Объектив состоит из трех основных компонентов: афокальных менисков 1, сохраняющих параллельность выходящего луча входящему и обеспечивающих устранение сферической аберрации; зеркальной системы 2 и компенсатора 3, корригирующего кому и кривизну поверхности изображения. В таких объективах также хорошо исправлена хроматическая аберрация. Фокусировка зеркально-линзовых объективов осуществляется перемещением мениска 1 с зеркальным покрытием относительно неподвижного сферического зеркала 2 и склееной линзы 3. Такой способ фокусировки позволяет переходить при съемке от бесконечности к коротким дистанциям при весьма незначительных перемещениях мениска, что является еще одним преимуществом такой оптической схемы. Для устранения засветки построенного изображения 4 внутри самого объектива (между 1 и 2, 3) устанавливается диафрагма в виде конической бленды. Поверхность такой бленды выполненяется матово-черной, рифленой.

Рис.14. Оптическая схема зеркально-линзового длиннофокусного объектива

Зеркально-линзовые объективы известны многим по отечественным фотообъективам-"бочонкам" типа МТО, ЗМ и Рубинар. Благодаря наличию в конструкции зеркально-линзового объектива двух сферических зеркал, свет дважды отражается и проходит путь внутри объектива три раза. Соответственно, такие объективы получаются весьма компактными, хотя и имеют ряд недостатков в сравнении с традиционными схемами. К примеру, задиафрагмировать зеркально-линзовый объектив нельзя, поэтому управление экспозицией можно производить только за счет подбора выдержки или за счет применения нейтрально-серых светофильтров. Зеркально-линзовые объективы имеют достаточно специфический характер размытия контуров объектов, попавших в зону нерезкости – они воспроизводятся в виде характерных "бубликов". Сейчас зеркальные объективы встречаются достаточно редко, хотя и присутствуют в линейках оптики некоторых фирм. Существует даже зеркальный зум-объектив Pentax Reflex 400-600mm f/8-12. Зеркально-линзовые объективы относятся к категории объективов относительно низкой стоимости. Поэтому они представляют собой экономный вариант получения эффекта сверхтелевика, особенно если использовать при съемке еще и телеконвертер.

Объективы, фокусные расстояния которых меньше длины диагонали кадра, считаются короткофокусными или широкоугольными. Короткофокусные объективы, которые имеют горизонтальный угол поля зрения 40º-60º, обеспечивают расширенный обзор. При этом они усиливают перспективу, уменьшая размеры объектов в глубину кадра. Ультракороткофокусными (сверхширокоугольными) объективами считаются те, у которых горизонтальный угол зрения больше 60º. Они сильнее выявляют перспективные соотношения, чем короткофокусные объективы, но уже с заметными геометрическими искажениями. Отдельный класс широкоугольников составляют сверхширокоугольные объективы типа "рыбий глаз" (Fish Eye). Угол зрения объективов этого класса составляет, как правило, 180º и более. Такой странный эффект получается в результате того, что в объективах типа "рыбий глаз" дисторсия (искривление прямых линий, проходящих не через центр кадра) не только не исправлена, а наоборот – сделана подчеркнуто заметной. Чем дальше от центра кадра проходят линии, тем более причудливый изгиб они принимают.

Конечно, портрет, снятый короткофокусным объективом, будет далек от верного воспроизведения пропорций, однако для жанровой и репортажной съемки широкоугольники просто вне конкуренции по удобству использования. А при съемке пейзажей и архитектуры умеренные широкоугольники не только удобны, но и часто обеспечивают наиболее верное воспроизведение перспективы. Поэтому их популярность весьма высока.

Сверхширокоугольные объективы позволяют в полной мере прочувствовать все особенности и преимущества широкоугольной оптики. Угол зрения у них значительно больше, чем у стандартных объективов. Да и изображение, которое они дают, спутать с изображением, которое дает менее широкоугольная оптика, весьма сложно – сказывается значительно отличающаяся перспектива, ведь глаз человека не в состоянии обозревать такой большой угол сразу. Столь необычная и непривычная глазу перспектива широкоугольников – это с одной стороны мощнейший инструмент в руках оператора, а с другой – источник ошибок и неудач. Задирая ось объектива выше уровня горизонта, можно заставить дома "падать". Наклоняя объектив вниз, можно превратить человека нормального роста в карлика. А выбрав достаточно низкую точку съемки, можно комнатный цветок превратить в высокое, раскидистое "дерево".

Широкоугольники очень удобны при съемке в ограниченном пространстве (например, в условиях тесных городских улиц, в квартире, в интерьерных съемках), поскольку в поле зрения объектива попадает тем больше пространства, чем меньше его фокусное расстояние. Широкоугольники хороши меньшей критичностью к точности определения расстояния при наводке на резкость – даже при фокусировке "на глаз" по шкале расстояний получить нерезкое изображение достаточно сложно. Во многих случаях широкоугольные и сверхширокоугольные объективы проще и удобнее фокусировать по шкале расстояний, по шкале глубины резкости или наводя на гиперфокальное расстояние, а через видоискатель производить лишь кадрирование. На рис.15 представлен широкоугольный киносъемочный объектив серии ОКС с фокусным расстоянием 10 мм.

Рис.15. Широкоугольный киносъемочный объектив серии ОКС.

На рис.16 показанa оптическая схема (а) и внешний вид (б) современного длиннофокусного светосильного (1:1.7) киносъемочного объектива Sonnar серии Ultra Prime фирмы Carl Zeiss с фокусным расстоянием 135 мм.

а)

б)

Рис.16. Киносъемочный объектив Sonnar с фокусным расстоянием 135 мм.

На рис.17 показанa оптическая схема (а) и внешний вид (б) современного короткофокусного светосильного (1:1.9) киносъемочного объектива Super 35 Distagon серии Ultra Prime фирмы Carl Zeiss с фокусным расстоянием 14 мм.

а)

б)

Рис.17. Киносъемочный объектив Distagon с фокусным расстоянием 14 мм.

Модельный ряд Ultra Prime включает объективы с такими фокусными расстояниями: 8, 10, 12, 14, 16, 20, 24, 28, 32, 40, 50, 65, 85, 100, 135 и 180 мм.

А сверхсветосильные объективы (1:1.3) Master Prime выпускаются с фокусными расстояниями 12, 14, 16, 20, 24, 28, 32, 40, 50, 65, 85, 100, 135 и 180 мм.

Фирма Cooke добавила в свою серию S4 Primes два новых объектива с постоянным фокусным расстоянием Cooke S4/i 12 мм и S4/i 150 мм, расширив тем самым линейку объективов для 35- мм кинематографа до 17 моделей. Весь ряд фоксфокалов включает следующие объективы Cooke S4 Primes: 14, 16, 18, 21, 25, 27, 32, 35, 40, 50, 65, 75, 100, 135 и 180 мм. Эти объективы (рис. 18) можно найти в каталогах более чем 100 прокатных компаний по всему миру.

Рис.18. Один из линейки S4 Primes – объектив S4/i 100 мм

Современные съемочные объективы оснащаются сенсорной системой LDS (Lens Data Systsm) для снятия параметров дистанции наводки и диафрагменных чисел. Внешне они ничем не отличаются от обычных объективов, но со стороны крепления размещена контактная группа – на рис. 19 представлен длиннофокусный объектив Sonnar (f=135 мм) серии Ultra Prime с системой LDS.