2 . Определение тонкой линзы.

2.1. Собирающие линзы.

Действительный главный фокус. Главная фокальная плоскость. Сопряжённый фокус. Фокусное расстояние. Задний и передний фокусы. Построение изображения с помощью тонкой собирающей линзы.

Собирающие-значит собирают лучи в одной точке

Форма, ограничивающая поверхность собирающей линзы

плоско-выпуклая

двояковыпуклая

вогнуто-выпуклая

Главный фокус собирающей линзы (F) – точка на главной оптической оси, в которой собираются лучи, падающие параллельно главной оптической оси, после преломления их в линзе.

Фокусное расстояние (ОF) – расстояние от главного фокуса до центра линзы (О). У собирающей линзы фокус действительный, потому – положительный.

СИ: [ F ]=м (метр)

Фокальная плоскость линзы – плоскость, проходящая через главный фокус линзы перпендикулярно главной оптической оси.

Точки пересечения побочных оптических плоскостей с фокальными плоскостями называютсяпобочным фокусом ( F ') . В побочном фокусе сходятся все лучи, падающие на линзу параллельно побочной оптической оси.

2.2. Рассеивающие линзы.

Главный фокус. Главная фокальная плоскость. Фокусное расстояние. Задний и передний фокусы. Построение изображения с помощью тонкой рассеивающей линзы.

Форма, ограничивающая поверхность рассеивающей линзы

Двояко-вогнутая

Положительный мениск (выпукло вогнутая)

Плоско-вогнутая

Рассеивающая линза отклоняет параллельно падающие на нее лучи от главной оптической оси . Главный фокус рассеивающей линзы – точка на главной оптической оси, через которую проходятпродолжения расходящегося пучка лучей, возникающего после преломления в линзе лучей, параллельных главной оптической оси. Фокус рассеивающей линзы всегда мнимый

Главный фокус

Задний фокус   - это точка на оптической оси в пространстве изображений, сопряженная с бесконечно удаленной точкой, расположенной на оптической оси в пространстве предметов.

Передний фокус   - это точка на оптической оси в пространстве предметов, сопряженная с бесконечно удаленной точкой, расположенной на оптической оси в пространстве изображений.

Фокальная плоскость - оптической системы, плоскость, перпендикулярная оптической оси системы и проходящая через ее главный фокус.

Фокальная плоскость в параксиальной оптике — плоскость, на которой расположены точки, в которых собираются попавшие в систему плоскопараллельные пучки лучей. В реальной оптике поверхность, обладающая такими свойствами, плоскостью, вообще говоря, не является. Аберрация, связанная с несоответствием данной поверхности с плоскостью, называется кривизной поля изображения.

Для тонких линз фокальной плоскостью является плоскость перпендикулярная главной оптической оси, проходящая через фокус.

3. Аберрации.

3Блок. Аберрации.

3.1. Геометрические аберрации (сферическая аберрация, кома, дисторсия, астигматизм наклонных пучков, искривление плоскости изображения). Причины, их вызывающие, методы устранения. Названия объективов с исправлением этих типов аберраций.

Геометрические аберрации возникают из-за использования широких или наклонно падающих пучков света ( сферическая аберрация, кома, астигматизм, дисторсия) и приводят к искажению формы изображения объекта и изменению расстояний и углов между элементами изображения. Сферическая аберрация состоит в получении вместо точки изображения в виде кружка рассеяния, кома - в виде вытянутого и неравномерно освещенного пятна, напоминающего комету. Астигматизм приводит к получению эллиптического изображения вместо кружка, а дисторсия - к искривлению прямых линий, в результате чего квадрат имеет подушкообразную или бочкообразную форму.

Сферическая аберрация возникает из-за того, что лучи света, параллельные главной оптической оси объектива, падая на сферическую поверхность линзы или зеркала, после преломления или отражения пересекаются не в одной точке. Края объектива строят изображение ближе к объективу, а центральная часть – дальше. В результате изображение имеет в фокальной плоскости нерезкий вид.

Как и другие аберрации третьего порядка, сферическая аберрация зависит от кривизны поверхностей и оптической силы линзы. Поэтому применение оптических стёкол с высокими показателями преломления позволяют уменьшить сферическую аберрацию, посредством увеличения радиусов поверхностей линзы при сохранении её оптической силы.

К тому же, для линз с разной кривизной поверхностей будет иметь значение ориентация линзы относительно хода светового луча. Так, например, сферическая аберрация для плоско-выпуклой линзы, обращенной навстречу лучу своей плоской поверхностью, будет иметь величину бо́льшую, нежели для той же линзы, но встречающей луч своей выпуклой поверхностью. Таким образом, выбор отношения кривизны первой^. поверхности линзы, к её второй поверхности, так же, будет одним из средств уменьшающих сферическую аберрацию.

Заметное влияние на сферическую аберрацию оказывает диафрагмирование объектива (или иной оптической системы), так как при этом отсекаются краевые лучи широкого пучка. Очевидно, что этот способ непригоден для оптических систем, требующих высокой светосилы.

В отдельных случаях небольшая величина сферической аберрации третьего порядка может быть исправлена за счёт некоторой дефокусировки  объектива. При этом плоскость изображения смещается к, так называемой, «плоскости лучшей установки», находящейся, как правило, посередине, между пересечением осевых и крайних лучей, и не совпадающей с самым узким местом пересечения всех лучей широкого пучка (диском наименьшего рассеяния) . Это несовпадение объясняется распределением световой энергии в диске наименьшего рассеяния, образующей максимумы освещённости не только в центре, но и на краю . То есть, можно сказать, что «диск» представляет из себя яркое кольцо с центральной точкой. Поэтому, разрешение оптической системы, в плоскости совпадающей с с диском наименьшего рассеяния, будет ниже, несмотря на меньшую величину поперечной сферической аберрации. Пригодность этого метода зависит от величины сферической аберрации, и характера распределения освещённости в диске рассеяния.

Достаточно успешно сферическая аберрация исправляется при помощи комбинации из положительной и отрицательной линз^. Причём, если линзы не склеиваются, то, кроме кривизны поверхностей компонентов, на величину сферической аберрации будет влиять и величина воздушного зазора (даже в том случае, если поверхности, ограничивающие этот воздушный промежуток, имеют одинаковую кривизну). При этом способе коррекции, как правило исправляются и хроматические аберрации.

Строго говоря, сферическая аберрация может быть вполне исправлена только для какой-нибудь пары узких зон, и притом лишь для определенных двух сопряженных точек. Однако, практически исправление может быть весьма удовлетворительным даже для двухлинзовых систем.

Кома – внеосевая аберрация, связанная с наклоном лучей света, идущих от источника, к оптической оси телескопа. При этом изображение звезды имеет вид капли или кометы с ярким ядром и большим хвостом – отсюда и пошло название аберрации. Линейные размеры пятна комы пропорциональны расстоянию звезды от оптической оси и квадрату относительного отверстия объектива.

Дисторсия выражается в том, что масштаб изображения на различном расстоянии от центра поля различен. Дисторсия может быть отрицательной — “бочкообразной” (особенно она выражена у объективов “рыбий глаз” и “оллскай”) и положительной — “подушкообразной”.

дисторсия поддается исправлению при конструировании объектива. Для этого в оптическую систему встраиваетсяасферическая линза, а объективы с исправленной дисторсией называютасферическими. Вы могли видеть такие названия (ASP) в описании технических характеристик к объективу. Такие объективы обычно стоят дороже сферических аналогов, но при съемке передают пропорции объектов в кадре без искажений. Однако есть относительно не дорогой объектив Sigma 10-20 mm F4-5.6 EX DC HSM, который дает ровную картинку даже при максимальном угле обзора 102 градуса.

Астигмати́зм — аберрация, при которой изображение точки, находящейся вне оси, и образуемое узким пучком лучей, представляет собой два отрезка прямой, расположенных перпендикулярно друг другу на разных расстояниях от плоскости безаберрационного фокуса (плоскости Гаусса). Астигматизм возникает вследствие того, что лучи наклонного пучка имеют различные точки сходимости — точки меридионального или сагиттального фокусов бесконечно тонкого наклонного пучка.

Так как астигматизм присущ не только широким, но и тонким (элементарным) пучкам лучей, тодиафрагмирование никак не влияет на его величину. Поэтому, как и другие аберрации, астигматизм корригируется подбором кривизны поверхностей и толщин оптических компонентов, а также воздушных промежутков между ними.

Одним из примеров простейшего объектива, с исправленным астигматизмом, будет объектив монокль конструкции Уоллостона, где, направляемые апертурной диафрагмой, наклонные пучки лучей встречаются поверхностями менискообразной линзы под небольшими углами к нормалям. При этом, положительный астигматизм задней (выпуклой) поверхности мениска оказывается настолько невелик, что может быть скомпенсирован отрицательным астигматизмом передней (вогнутой) поверхности.

Однако, в этом случае, даже при полном устранении астигматизма, кривизна поверхности изображениявелика. Таким образом, скорректированный астигматизм ещё не гарантирует резкости по всему полю изображения.

Поэтому, при расчёте, так называемых, анастигматов используются более сложные решения, позволяющие исправить, в пределах некоторого угла, обе эти аберрации. Причём, как правило, даже исправленный астигматизм имеет небольшую отрицательную величину, тем меньшую, чем шире угол зрения объектива.

Кривизна поля изображения. При этой аберрации наблюдается процесс, когда изображение плоского предмета получается резким на искривленной поверхности, а не на плоскости, как должно было.

геометрическая аберрация: Радиально симметричные аберрации (расфокусировка и сферическая аберрация) анализируются и изучаются при рассмотрении осевой точки предмета. Дефокусировка не приводит к нарушению гомоцентричности пучка, а только свидетельствует о продольном смещении плоскости изображения. В случае дефокусировки продольная аберрация постоянна для всех лучей пучка. По характеру искажения гомоцентричности пучка лучей сферическая аберрация 5 порядка полностью аналогична сферической аберрации 3 порядка, только имеет более высокий порядок кривых на графиках поперечной и продольной аберраций.Сочетая сферическую аберрацию и дефокусировку, можно выбрать наилучшее с точки зрения минимума сферической аберрации положение изображения. В частности, для сферической аберрации 3 порядка продольное смещение изображения, при котором кружок рассеяния минимален, составляет 2/3 от продольной аберрации апертурного луча. Кома появляется при смещениях точки предмета с оси. Поперечная аберрация при наличии комы прямо пропорциональна величине предмета Волновая аберрация при наличии комы 3 и 5 порядков:О возможной величине комы можно судить, не смещая точку с оси, если количественно оценить неизопланатизм. Если условие изопланатизма выполняется, то комы в ближайшей окрестности осевой точки не будет.  Астигматизм появляется при значительном смещении точки предмета с оси.Астигматизм состоит в том, что не совпад точки фокусов в меридиональной и сагиттальной плоскостях, поэтому лучи бесконечно узкого пучка не сходятся в одной точке. Кривизна заключается в том, что наилучшее изображение получается на искривленной поверхности, а не на плоскости. Если кроме дисторсии других аберраций нет, то гомоцентричносит пучка сохраняется, но точка изображения смещена от идеальной.Наличие дисторсии приводит к искажению прямых линий, не проходящих через ось. Если квадратный предмет изображается в виде подушки – это положительная дисторсия. Если изображение квадрата имеет выпуклые стороны (в виде бочки), то это отрицательная дисторсия.При дисторсии величина изображения отличается от идеального. Дисторсия характерна тем, что ее величина нелинейно зависит от величины предмета, то есть увеличение различно для разных точек поля.

Геометрические аберрации (сферическая аберрация, кома, дисторсия, астигматизм наклонных пучков, искривление плоскости изображения). Дифракция как принципиальная причина ухудшения геометрической точности оптического изображения.

Хроматическая аберрация.

Фотометрические искажения.

Сферическая аберрация возникает из-за того, что лучи света, параллельные главной оптической оси объектива, падая на сферическую поверхность линзы или зеркала, после преломления или отражения пересекаются не в одной точке. Края объектива строят изображение ближе к объективу, а центральная часть – дальше. В результате изображение имеет в фокальной плоскости нерезкий вид.

Кома – внеосевая аберрация, связанная с наклоном лучей света, идущих от источника, к оптической оси телескопа. При этом изображение звезды имеет вид капли или кометы с ярким ядром и большим хвостом – отсюда и пошло название аберрации. Линейные размеры пятна комы пропорциональны расстоянию звезды от оптической оси и квадрату относительного отверстия объектива.

Дисторсия выражается в том, что масштаб изображения на различном расстоянии от центра поля различен. Дисторсия может быть отрицательной — “бочкообразной” (особенно она выражена у объективов “рыбий глаз” и “оллскай”) и положительной — “подушкообразной”.

Астигмати́зм — аберрация, при которой изображение точки, находящейся вне оси, и образуемое узким пучком лучей, представляет собой два отрезка прямой, расположенных перпендикулярно друг другу на разных расстояниях от плоскости безаберрационного фокуса (плоскости Гаусса). Астигматизм возникает вследствие того, что лучи наклонного пучка имеют различные точки сходимости — точки меридионального или сагиттального фокусов бесконечно тонкого наклонного пучка.

Кривизна поля изображения. При этой аберрации наблюдается процесс, когда изображение плоского предмета получается резким на искривленной поверхности, а не на плоскости, как должно было.

Хроматическая аберрация характерна для всех преломляющих оптических приборов. Возникает из-за того, что коэффициент преломления среды зависит от длины волны света. Синие лучи отклоняются линзой сильнее красных, и поэтому положения фокусов для лучей разных длин волн не совпадают. В результате изображение звезды выглядит как набор радужных колец.

О семи аберрациях простыми словами

Помните, что значит «студент плавает»? И двойку не поставить: видно, что готовился, и слова, вроде, правильные говорит, а ощущение, что не понимает о чем речь, все равно присутствует. Как только речь заходит об оптической теории, в общем, и об аберрациях, в частности, я ухожу в похожий «заплыв». Решил потратить некоторое время, чтобы скомпоновать информацию об аберрациях в максимально простых словах.Материал рассчитан в первую очередь на тех, кто стремится понять, как работают объективы. Информация вряд ли улучшит ваши фотографии, если только на самую малость. Но для интересующихся - забавно. С практической точки зрения (насколько можно приблизиться к «практичности» в такой теме), знание природы различных оптических аберраций подскажет, почему для многих объективов настолько критичны открытая диафрагма и края кадра, а подавляющее большинство резко по центру кадра на F/8, что уже можно применять на практике.

Объектив в разрезе

Предисловие

Простой вопрос: зачем в современных объективах десять и более элементов в нескольких группах, а каждое описание объектива обязательно содержит его оптическую схему и упоминание о присутствующих в ней специальных элементах? Сложные и многоэлементные конструкции призваны уменьшить количество аберраций. Под «аберрацией» понимается ошибка или погрешность изображения, формируемого объективом на матрице фотоаппарата. Идеальный объектив – если бы он существовал – формировал бы четкие точки, соответствующие точкам на фотографируемом предмете. В действительности (и даже в теории) добиться идеала невозможно, и все объективы лишь стремятся к совершенству.

Стремление к идеальному изображению – примета не только наших дней компьютерного просчета оптических схем, элементов из флюорита и лазерных измерений. С аберрациями боролись задолго до того, как Жозеф Нисевор Ньепс впервые зафиксировал изображение в 1826 году (по другим данным это произошло в 1822 году, но до нас дошло изображение 1826 года): микроскопы, телескопы и очки существовали задолго до фотоаппаратов.

Аберрации можно разделить на две группы: хроматические (цветовые) и монохроматические. Пять монохроматических аберраций были определены и математически описаны Филиппом фон Зейделем (сферическая аберрация, кома, дисторсия, кривизна поля и астигматизм) в 1857 году. Два других основных типа аберраций - продольная и боковая хроматические - были известны задолго до этого.

Хроматические аберрации

Есть два типа хроматических (цветовых) аберраций. Первый тип, способный серьезно ухудшить качество изображения, формируемого объективом, упоминается сейчас нечасто, поскольку с ним научились успешно справляться уже в 1800-е годы. Со вторым – боковыми или поперечными хроматическими аберрациями - знаком практически каждый фотограф – они до сих пор являются проблемой многих объективов.

Продольные хроматические аберрации (Wikipedia Commons)

Продольные или осевые (longitudinal) хроматические аберрации (они же – продольный хроматизм, он же - хроматизм положения)

Известно, что линзы преломляют световые лучи, и многие знают, что синие лучи преломляются сильнее, чем красные: эффект, схожий с разделением белого на цвета радуги, когда он проходит через призму – так же разделяется и свет, проходящий через линзу. В результате, точка фокуса для синего цвета будет ближе к линзе, затем сфокусируется зеленый, и лишь потом - красный. Эта аберрация осевая (продольная) - она действует по всему полю изображения, от центра до края.

Продольные хроматические аберрации доставляли множество трудностей уже на заре черно-белой фотографии. Проблему в определенной степени решили применением ахроматических линз, использовавшихся в телескопах до появления фотографии. Ахромат состоит из двух линз, сделанных из разных типов стекла с различными преломляющими свойствами: крона и флинта. Крон делается из стекла с низкой дисперсией и низким коэффициентом преломления, а флинт – наоборот - из стекла с высоким коэффициентом преломления и высокой дисперсией. Крон и флинт подбираются таким образом, чтобы минимизировать суммарную продольную хроматическую аберрацию. Ахромат достаточен для того, чтобы свет двух различных длин волн (зеленого и синего, например) попадал на матрицу в одной точке.

Ахромат (Wikipedia Commons)

Практически во всех современных объективах используется один или несколько ахроматов. В наши дни один из элементов ахромата, как правило, изготавливается из специальных типов оптического стекла с ультранизкой дисперсией.

История изобретения ахромата занимательна сама по себе. Около 1730 года идея пришла в голову Честеру Холлу (Chester Moore Hall), производителю телескопов. Стараясь сохранить открытие в тайне, он обратился к двум оптикам – Эдварду Скарлету (Edward Scarlett) и Джеймсу Манну (James Mann), заказав каждому лишь один элемент ахромата, чтобы соединить их потом самостоятельно. Манн и Скарлетт разместили заказ у одного и того же производителя оптических линз – Джорджа Басса (George Bass), который догадался, что заказчик на самом деле один и «вычислил» ахроматические свойства такой пары линз, но долгие годы хранил свое знание в тайне. Холл собрал немало телескопов-ахроматов, но изобретение так и не запатентовал. Басс же рассказал о свойствах ахроматов другому своему клиенту, Джону Доллонду (John Dollond), который запатентовал технологию в 1758 году. Доллонд передал права своему сыну Питеру, который выиграл в начале 60-х годов несколько судов у производителей оптики за нарушение патента. Но уже в 1764 году ему самому пришлось защищаться от коллективного иска 35 производителей оптики, заявлявших, что истинным изобретателем ахромата был Честер Холл и телескопы-ахроматы производились задолго до регистрации оспариваемого патента.

Развитием ахромата стали апохроматические линзы, способные исправить ошибки преломления уже 3 различных длин волн света. Изобрел апохромат в 1763 году все тот же Питер Долланд (PeterDolland), которого таскали по судам за ахромат.

Апохромат (Wikipedia Commons)

Боковые или поперечные (lateral) хроматические аберрации (они же хроматические аберрации увеличения/хроматизм увеличения)

Боковые (латеральные) хроматические аберрации отличаются от продольных, но причина их появления та же: стекло по разному преломляет свет в зависимости от длины волны. Боковая хроматическая аберрация (которую часто называют «фиолетовым ореолом») вызывается преломлением лучей, попадающих в объектив под углом. Поскольку лучи попадают в объектив под углом, обычный ахромат, работающий с параллельными лучами, прямо попадающими в объектив, их не исправляет. В результате, наклонные лучи разных цветов фокусируются на матрице в разных местах – получается, что размер объекта различен в различных длинах волн.

Схема симметричного объектива

Боковые хроматические аберрации совершенно не влияют на центр изображения, но проявляются в возрастающей степени по мере удаления от центра кадра. Фиолетовые ореолы чаще всего появляются в областях высокого контраста (обычно темного объекта на светлом фоне); присутствие боковых хроматических аберраций делает изображение нерезким по краям кадра, даже если фиолетовые ореолы не заметны (или исправлены в постобработке).

Схема телеобъектива

Менее всего подвержены боковым хроматическим аберрациям объективы, разработанные "симметрично относительно кольца диафрагмы". Изобретена такая схема была в 1866 году с разницей в несколько недельХуго Штайнхайлем (Hugo Adolph Steinheil) и Джоном Далльмайером (John Henry Dallmeyer). Первый дал изобретенному объективу название «Апланат», второй назвал свое изобретение «Быстрым Прямолинейным» (Rapid Rectilinear) объективом. Такая схема и в наши дни используется в объективах типа Planar – названию «Планар» мы обязаны Цейсу, назвавшему так в 1886 году свой первый апохромат. Таким образом, боковым хроматическим аберрациям наиболее подвержены объективы, схема которых несимметрична, например, телеобъективы.

Сферические аберрации (Wikipedia Commons)

Монохроматические (Фон Зейделевские) аберрации

 

Сферические аберрации

Сферические аберрации возникают из-за того, что линза сферической формы преломляет свет, падающий на нее около края сильнее, чем свет, который попадает по центру или недалеко от него. В результате изображение перестает быть сфокусированным в одной точке. Если смотреть на точку сквозь объектив со сферическими аберрациями, она будет иметь достаточно однородный ореол. Эффект проявляется и в центре, и по краям изображения.

Отличительной особенностью сферических аберраций является то, что их количество снижается на закрытых диафрагмах, когда края линзы заблокированы (прикрывая диафрагму, вы исключаете края объектива из формирования изображения на матрице фотоаппарата).

Преломление одинаково, но правая линза "изогнута"

Сферические аберрации являются одной из причин так называемого "Focus Shift" (смещения точки фокуса). Для наглядности упростим: представим, что на рисунке «Сферические аберрации» мы закрыли диафрагму, исключив самые боковые лучи света - область наилучшего фокуса сместится от объектива.

«Изогнутые» линзы меньше подвержены сферическим аберрациям. Использование в конструкции объектива комбинаций выпуклых и вогнутых линз и/или менисков (выпукло-вогнутых линз) позволяет держать сферические аберрации под контролем. Так же помогает использование нескольких элементов с пониженным коэффициентом преломления вместо одного с сильным.

Позитивный (собирающий) мениск

Существует еще одна форма сферической аберрации, присущая светосильным объективам: сферохроматизм (spherochromatism). Объективы зачастую исправляют сферические аберрации для некоторых длин волн лучше, чем для других. В результате в областях вне фокуса на переднем плане появляется пурпурный оттенок, а на заднем - зеленый (или наоборот); такие «ореолы в боке» видны на открытых диафрагмах и исчезают на прикрытых значениях.

Кома (Wikipedia Commons)

Кома

Кома это сложная аберрация, которая влияет только на лучи света, которые проходят сквозь объектив под углом. При коме, лучи не сходятся в четкую точку, у них появляется «хвост» (рис. 9); там, где должна быть четкая точка, появляется комета с размытым хвостом - отсюда и название. Обычно размытость направлена от центра изображения (положительная/позитивная кома), но в некоторых случаях она может быть направлена и к центру (отрицательная/негативная кома). Кома асимметрична: чем дальше от центра изображения, тем заметнее эффект. Лучи, проходящие прямо через центр объектива, коме не подвержены.

Пример комы

С комой сражаются, прикрывая диафрагму – исключая лучи, проходящие через края объектива. Конструкции, применяемые для снижения уровня сферических аберраций, снижают и кому, в частности, симметричные по отношению к центру объективы. Объектив, с исправленными комой и сферическими аберрациями, называется «апланат».

Кривизна поля (Wikipedia Commons)

Кривизна поля

Многие относят кривизну поля к аберрациям, потому что она ухудшает изображение. Другая точка зрения состоит в том, что это естественный и неизбежный эффект использования линз: изогнутые поверхности линз не способны спроецировать изображение на плоскую матрицу – формируемое ими «поле изображения» располагается на некоей изогнутой поверхности. Очевидно, что кривизна поля влияет на края изображения, а не на его центр.

Отрицательный (рассеивающий) мениск

Кривизна поля может быть уменьшена сочетанием выпуклых и вогнутых линз и менисков, часто в парах или тройках. В некоторых объективах слабо отрицательную (рассеивающую) линзу ставят возможно ближе к матрице, чтобы исправить остаточную кривизну поля.

Как и большинство аберраций, кома наиболее явно проявляется на открытых диафрагмах.

 

Плавающие элементы и изменение эффективного фокусного расстояния

Объективы проектируются так, что аберрации, в частности кривизна поля, лучше всего исправлены, когда объектив сфокусирован на бесконечность. Такая конструкция зачастую приводит к тому, что аберрации появляются тогда, когда объектив сфокусирован на близком объекте. В высококачественных объективах с этим борются при помощи плавающих элементов (floating elements) - группы линз, которая меняет свое положение при фокусировке на ближние объекты, что позволяет держать аберрации под контролем при любом расстоянии до объекта съемки. Смещение элементов при фокусировке на расстоянии, близком к минимальной дистанции фокусировки,  может привести к изменению эффективного фокусного расстояния. Так случилось с Nikon70-200/2.8 VRII, что привело к волне негодования -  публика почувствовала себя обманутой тем, что эффективное фокусное расстояние объектива упало где-то до 145 мм при фокусировке на близкие предметы, хотя это был лишь способ добиться того, чтобы объектив был настолько же резок при фокусировке вблизи, как и при фокусировке на бесконечность.

 

Тангенциальные (Т1) и сагитальные (S1) лучи фокусируются в разных точках. Точка света передается на изображении в виде линии.

Астигматизм

Астигматизм на самом деле является подвидом кривизны поля, но его еще труднее исправить (и понять). Он случается, когда световые лучи, входящие в объектив в сагиттальной плоскости, и лучи, входящие в тангенциальной плоскости, фокусируются в разных местах. Точечный источник света, таким образом, на изображении превращается в подобие линии.

Коррекция астигматизма требует, по крайней мере, 3 элементов, обычно двух выпуклых и вогнутого. В конструкцию некоторых объективов для снижения астигматизма включают слабый мениск. Астигматизм присущ даже самым лучшим объективам, разница лишь в степени его коррекции. Если Вы понимаете графики MTF, то разница кривых сагиттальной и тангенциальной MTF может подсказать степень астигматизма присущего конкретному объективу.

Астигматизм не влияет на центр изображения. Он становится более выраженным дальше от центра изображения и проявляется в полную силу по краям и в углах кадра. Его степень снижается, как и у большинства неосевых аберраций, прикрытием диафрагмы. Нарушение соосности элементов в объективе приводит к очень сильному астигматизму, хотя этот вид аберраций коварен: при обычных тестах объектив может функционировать нормально и только специальный тест на увеличенный астигматизм способен показать, что объектив неисправен.

Три типа дисторсии

Дисторсия или геометрические искажения

Дисторсия (или геометрические искажения) - это аберрация, в результате которой прямые линии на изображении искривляются. На резкость дисторсия влияет незначительно, но в значительной мере определяет как передаются на изображении прямые линии. Наиболее распространены два типа дисторсии: бочкообразная (barrel) и подушкообразная (pincushion). Реже встречаются искажения похожие на «усы», являющиеся на самом деле сочетанием двух других – «бочки» по центру, переходящей в «подушку» ближе к краю (волнообразная дисторсия).

Дисторсия присуща в первую очередь объективам с переменным фокусным расстоянием (зумам), и тем сильнее, чем больше кратность объектива. Наиболее заметна дисторсия в крайних положениях диапазона объектива. Но и объективы с постоянным фокусным расстояниям подвержены дисторсии. Широкоугольные и ретрофокусные объективы подвержены бочкообразной дисторсии, а телеобъективы склонны к подушкообразной. Объективы с переменным фокусным расстоянием могут страдать от бочкообразной дисторсии в широкоугольном положении и подушкообразной – в положении теле. Искажения могут также меняться в зависимости от фокального расстояния: при фокусировке на близком объекте объектив может искривлять прямые линии, но быть свободным от дисторсии при фокусировке в положении, близком к бесконечности.

Расположение диафрагмы в объективе серьезно влияет на уровень дисторсии. Упрощенно: если диафрагма расположена вблизи линзы, то дисторсия будет незначительна, при увеличении расстояния от кольца диафрагмы до линзы, увеличивается и дисторсия. Именно поэтому изменение позиции элементов объектива по отношении к диафрагменному кольцу при изменении фокусного расстояния в зум-объективе или при фокусировании объектива может увеличить или уменьшить количество геометрических искажений.

 

И в заключенье я скажу…

Объектив без аберраций, к сожалению, невозможен. Исправление одного типа аберраций может усилить другой, исправление потребует добавления еще нескольких элементов, и так до бесконечности – замкнутый круг. Аберрации присутствуют даже у самых лучших фиксов. Zeiss 21/2.8, возможно, самый резкий из известных широкоугольных объективов, отметился волнообразной дисторсией. Nikon 28/1.4, классический объектив, серьезно подвержен коме. Canon EF 50 f/1.2 обладает выраженной кривизной поля. Но это совсем не повод для того, чтобы смешать эти объективы с грязью. Просто фотограф должен знать слабые и сильные стороны своих объективов. Нет идеальных объективов – у каждого свои слабости. Их нужно знать, чтобы свести к минимуму недостатки и подчеркнуть сильные стороны.

Кривизну поля научились исправлять, а в середине 1800-х годов все объективы отличались сильнейшей кривизной поля. Казалось бы, фотографировать было невозможно. Но обратите внимание на групповые портреты, сделанные в 1850-х годах: фотограф, зная особенности используемого объектива, располагал группу по дуге, чтобы все участники были в фокусе. Аберрации наиболее явны по краям и в углах кадра – применялось художественное виньетирование углов и краев кадра. Портреты в овальных рамах – еще один способ «убрать» испорченные аберрациями углы и края кадра.

Так и сегодня – не стоит делать то, чего делать не стоило бы. Не стоит перекомпоновывать кадр с Canon EF 50/1.2 L – кривизна поля способна вывести объект съемки за фокус; не стоит и злоупотреблять боковыми точками автофокуса – центр кадра может получиться нерезким именно из-за кривизны поля, присущей этому объективу. Sigma AF 50/1.4 проявляет себя лучше всего на открытых диафрагмах – до f/2.8. Но не стоит забывать, что между f/1.4 и f/2.8 смещение точки фокуса может привести к ошибкам автофокусировки.

Для каждого объектива стоит мысленно составить список "стараться вот этого не делать". Откуда брать данные? На форумах и в тестах есть информация о присущих объективам аберрациях. К сожалению, производители не спешат рассказать о том, какие аберрации присущи их объективам. Тесты с использованием специальных мишеней и приборов, как правило, хорошо распознают дисторсию и боковые хроматические аберрации. Кривизна поля и астигматизм упоминаются в отзывах фотографов, тестирующих объективы не в лабораторных, а в полевых условиях. Но лучше всего анализировать свои фотографии и делать собственные выводы: "у этого кривизна поля, этот зум дает явную подушку на 300 мм, у этого серьезный астигматизм, но отменная картинка по центру".

Не стоит фотографировать архитектуру на широком угле зум-объектива - бочкообразная дисторсия искривит прямые линии. Если Ваш объектив подвержен коме или астигматизму, при наличии ярких источников света в кадре (ночной город, например), прикройте диафрагму и удлините выдержку. Если объектив нерезок по краям на открытой диафрагме, прикройте его на пару ступеней и случится чудо. Просто старайтесь помочь своему объективу проявить себя с лучшей стороны.