Лекция 8

Матрица светочувствительных элементов не только самая сложная и самая дорогая деталь цифрового фотоаппарата, но и самая уязвимая. Она подвержена старению (электрохимическому износу) и, как следствие, изменениям светочувствительности, а также, по всей видимости, выходу из строя отдельных ячеек. Если на естественное старение матрицы владелец фотоаппарата не может повлиять никак, то возможность уберечь сенсор от нежелательных воздействий окружающей среды и, тем самым продлить срок службы фотоаппарата в целом, у него есть.

Как любое сложное электронное устройство, состоящее из множества микроскопических элементов, сенсор цифровой камеры боится резких температурных перепадов, при которых в материале подложки и пленочных слоях оптических фильтров возникают внутренние деформации, а на поверхности сенсора образуется конденсат. Если пленочная камера, особенно механическая, способна работать при очень низких температурах, то цифровой фотоаппарат при отрицательных температурах работать не будет. Во-первых, даже на легком морозе сенсор цифровой камеры может изменить светочувствительность в сторону уменьшения. Во-вторых, изображение на встроенном контрольном дисплее станет слишком светлым и малоконтрастным, чтобы пользоваться дисплеем в качестве видоискателя. В-третьих, пострадают элементы питания (литиевые аккумуляторы при температуре минус 10 градусов могут попросту взорваться).

Если возникает необходимость снимать цифровой камерой при низких температурах, следует позаботиться о надежной защите фотоаппарата. Камеру следует держать в тепле, под верхней одеждой, вынимая фотоаппарат для съемки и тут же пряча его под шубу или пальто. Работа со штативом или неторопливое кадрирование исключаются. В крайнем случае следует воспользоваться утепленным меховым или тканевым чехлом. Но при этом надо помнить, что остывшая камера при перемещении в тепло (даже под шубу) тут же покроется капельками влаги. Из замерзшей камеры надо немедленно удалить элементы питания или аккумулятор и убрать фотоаппарат в чехол до того момента, пока температура не выровняется. В противном случае на поверхности сенсора и линзах объектива могут образоваться капли влаги, которые приведут к короткому замыканию электрических цепей камеры и иным неприятностям.

Качественный объектив - одно из важнейших условий для обеспечения безупречного технического качества фотоснимка. Все современные цифровые фотоаппараты оснащаются совершенной оптикой. Но устройство объективов все-таки различается.

ОБЪЕКТИВ

Цель лекции - рассказать об устройстве встраиваемых и сменных объективов, об основных оптических характеристиках, о достоинствах и недостатках наиболее распространенных оптических схем.

Объектив фотоаппарата или иного оптического прибора (зрительной трубы, бинокля и так далее) - это набор линз, вставленных в тубус, предназначенный для формирования резкого изображения на поверхности светочувствительного сенсора (или на сетчатке глаза, если речь идет о приборах для наблюдения).

Для начала - элементарные сведения из области оптики. Всего существует шесть типов линз - три собирающих (двояковыпуклая, плосковыпуклая и вогнутовыпуклая) и три рассеивающих (двояковогнутая, плосковогнутая и выпукловогнутая). Расстояние перед линзой в оптике называется пространством предметов, расстояние за линзой - пространством изображений. Расстояние от оптического центра собирающей линзы до точки схождения лучей называется фокусным расстоянием линзы. А плоскость, на которой располагаются точки схождения боковых лучей, сфокусированных линзой, называется фокальной плоскостью.

В фокальной плоскости объектива фотоаппарата расположен светочувствительный сенсор. Если в камере применяется шторный (ламельный) затвор, то он устанавливается непосредственно перед фокальной плоскостью рядом с сенсором. Центральные затворы устанавливают в оправе объектива между линзами (междулинзовый центральный затвор), либо за задней линзой объектива (залинзовый центральный затвор). В цифровых фотоаппаратах чаще всего применяется междулинзовый затвор.

Рис. 7.2.  Устройство объектива

Простейший объектив, устанавливаемый в самые недорогие цифровые фотоаппараты (например, в веб-камеры с опционной возможностью автономной работы в качестве фотоаппарата), зачастую состоит из одной линзы и называется "монокль" (хотя чаще применяются двулинзовые объективы ахроматы). Объективы подобного типа лишены каких-либо средств исправления искажений (аберраций) и обладают невысокой светосилой.

Светосила объектива - это отношение освещённости оптического изображения, образованного объективом в плоскости светочувствительного материала, к яркости фотографируемого объекта. Другой важный параметр - относительное отверстие объектива. Чем меньше числовое значение относительного отверстия, тем больше света пропускает объектив и тем выше его светосила.

Говоря о простейшем объективе, мы упомянули об оптических искажениях. Аберрациям в той или иной степени подвержены любые объективы, даже самые совершенные и дорогие. О каких именно искажениях речь и почему они возникают? Проблема в том, что стекло - далеко не идеальная среда для прохождения световых лучей. Стекло линзы на разных участках имеет различную оптическую плотность, эти отклонения ничтожно малы, но они неизбежны. В результате часть световых лучей отклоняется и приводит к возникновению ряда оптических искажений.

В простых объективах и в светосильных объективах с линзами большого диаметра чаще всего проявляется сферическая аберрация. В результате световые лучи, проходящие через разные участки линзы, фокусируются не в одной плоскости, и изображение становится нерезким. Наиболее эффективный способ устранения сферической аберрации - придание поверхности линзы асферической формы (то есть неравномерной выпуклости). При этом приходится доводить и полировать линзу вручную или на высокоточном оборудовании, что многократно удорожает объектив. Для упрощения этой операции была придумана остроумная технология, которая сегодня и применяется при производстве оптики для фотоаппаратуры массового назначения. На поверхность сферической линзы напыляется слой оптически прозрачной пластмассы, который и придает линзе асферическую форму.

Другой вид оптических искажений - хроматическая аберрация. На практике она наблюдается в виде цветных ореолов вокруг любых объектов. Хроматической аберрации подвержены длиннофокусные объективы, а возникает она из-за того, что стекло линзы по-разному преломляет световые волны различной длины (и, соответственно, различных цветов). Современные объективы почти полностью избавлены от этого недостатка, поскольку для изготовления линз используется низкодисперсное стекло, не разлагающее световые лучи на волны спектра. Особо низкодисперсные линзы применяются в дорогих объективах, которые обладают повышенной резкостью изображения.

Широкоугольная оптика подвержена другому виду искажений - дисторсии. Дисторсия - это искривление прямых линий по краям кадра. Все мы снимали архитектурные сооружения дешевыми пленочными "мыльницами" с широкоугольным объективом и замечали при этом, как "заваливаются" стены зданий на готовом отпечатке - высокие стены сходятся в верхней части снимка. Это и есть дисторсия. Избавиться от этого искажения можно двумя способами. Во-первых, применить более длиннофокусный, близкий к нормальному (с углом зрения 40-55 градусов), объектив. Во-вторых, попытаться исправить искажение прямых линий в графическом редакторе при обработке снимка. Хотя сама по себе дисторсия может оказаться интересным в художественном плане инструментом.

Два вида аберраций, присущих простейшим объективам - это астигматизм и кривизна поля изображения. Астигматизм приводит к тому, что точечные объекты, расположенные на расстоянии от оптической оси объектива (то есть сбоку от центра кадра) на снимке получаются в виде объемных эллипсовидных фигур. Точки расплываются, изображение выглядит нерезким. А кривизна поля изображения приводит к тому, что резкими получаются только объекты в центре кадра. Чем дальше расстояние от оптического центра линз объектива, тем резкость хуже. Кривизна поля изображения - обычный порок для объективов типа монокль. Правда, дешевые цифровые камеры спасает то, что площадь линзы объектива невелика и кривизна поля изображения не слишком заметна.

Склонность объектива к тому или иному виду аберраций один из основных показателей качества оптики. Аберрации устраняются различными техническими способами, а сами объективы при этом подразделяются на несколько типов.

Самый простой объектив ахромат. Он состоит из пары линз - собирающей и рассеивающей. Применение рассеивающей линзы в значительной степени устраняет сферическую аберрацию и хроматизм, но при этом остается астигматизм, дисторсия и кривизна поля изображения.

Апохромат полностью избавлен от хроматической аберрации, поскольку линзы в нем специальным образом подобраны под длину световых волн.

Объектив апланат состоит из двух ахроматических линз, поэтому хроматической и сферической аберраций в нем нет, но остаются кривизна поля изображения и астигматизм.

Наконец, самый совершенный тип, к которому относится подавляющее большинство современных фотообъективов - анастигмат. Анастигмат состоит, как минимум, из трех линз (триплет). Но чаще в нем применяется пять и более линз. В анастигмате в той или иной мере устранены все аберрации (точнее - сведены к приемлемому минимуму). Анастигматы обладают высокой светосилой и разрешающей способностью. На практике фотолюбителю придется иметь дело с объективом именно этого типа.

Среди технических характеристик объектива есть показатель, на который следует обратить особое внимание - разрешающая способность. Что это такое? Способность объектива передавать мелкие детали. Измеряется разрешающая способность не в пикселях или точках, а в линиях на миллиметр. Для измерения этого параметра фотографируют испытательную таблицу - специальное тестовое изображение с тонкими линиями. В том месте, где отдельные линии становятся неразличимы, и будет порог разрешающей способности. Важной характеристикой объектива является разброс разрешающей способности от центра кадра к краю. Дело в том, что в оптическом центре линз объектива разрешающая способность всегда выше, чем по краям. У хорошего объектива разница между разрешающей способностью в центре и по краям кадра не должна превышать 30%.

Еще одна важная деталь - просветление. Слышали о просветлении все, но что реально дает просветленный объектив? И как его… просветляют? Все достаточно просто. Если вы не новичок в фотографии, вам наверняка приходилось иметь дело с пленочным фотоаппаратом. И наверняка вы попадали в ситуацию, когда снимать приходилось "против солнца", то есть при контровом освещении. Что получалось в результате? Световые пятна, обычно шестиугольные, расположенные одно за другим. Это боковая засветка световыми лучами, попадающими в объектив под большим углом.

Другой случай - отражение солнца (любого мощного источника света, например, прожектора) на какой-либо плоской поверхности, например, на капоте автомобиля. При этом отражение окружено ореолом расходящихся лучей наподобие звезды. Эти эффекты проявляются из-за того, что поверхность линзы преломляет попадающие в объектив лучи света, которые затем многократно отражаются от поверхностей внутренних линз. Эти лучи называют паразитными (то есть не участвующими в построении изображения на поверхности светочувствительного сенсора). Чтобы избавиться от паразитных отражений, переднюю линзу объектива покрывают просветляющим слоем полимера. Этот слой имеет иной коэффициент преломления, нежели стекло передней линзы. Толщина слоя подбирается под длину светового луча определенного участка спектра. При попадании на линзу объектива бокового светового луча, он отражается от внутренней поверхности просветляющей пленки, возвращается и складывается с совпадающим по фазе колебаний основным световым лучом, участвующим в построении изображения, усиливая при этом общий световой поток. В результате пленка усиливает светопропускающую способность объектива, а потому и называется просветляющей.

Но так случается только со световым лучом определенной длины волны - универсальной просветляющей пленки, способной отразить лучи всего спектра не существует. Поэтому просветляющее покрытие изготавливают многослойным - до 10 слоев, расположенных один над другим. Каждый слой настроен на волны определенного участка спектра, а потому покрытие в целом способно работать с волнами любой длины.

От состава просветляющего покрытия зависят и цветовые характеристики объектива. Если просветляющее покрытие настроено на усиление световых лучей красной зоны спектра, то изображение имеет легкий теплый оттенок, особенно на границах контрастных переходов. Такие объективы называют теплорисующими. Если просветляющее покрытие настроено на усиление лучей синего участка спектра, то снимок приобретает легкий холодный оттенок (опять же, заметно на границах контрастных переходов). И такой объектив называется холоднорисующим. При этом цветовые акценты, расставляемые объективами, не выходят за рамки нормы и не могут считаться искажениями. При подборе оптики профессиональные фотографы обращают особое внимание на цветовые особенности объективов. Что касается любительской цифровой аппаратуры, то нам придется иметь дело преимущественно с теплорисующими объективами.

Просветляющее покрытие выполняет еще одну практическую функцию - защиты передней линзы объектива от механических повреждений. Полимер пластичней стекла и более устойчив к царапинам. Там где стекло даст микротрещину, пленка лишь деформируется и впоследствии выпрямится. Но не стоит слишком рассчитывать на прочность просветления. Пленка имеет очень небольшую толщину и многослойную структуру. При повреждении всего лишь одного полимерного слоя просветляющее покрытие перестанет выполнять основную функцию - подавления паразитных отражений.

Отличить просветленный объектив от непросветленного можно на глаз. Просветленная поверхность при попадании на нее света переливается всеми цветами радуги и выглядит темней обычного стекла. Остается добавить, что просветляющую пленку имеет только стеклянная линза, причем, исключительно передняя. Если вам посчастливилось обладать профессиональной цифровой камерой со сменными объективами (или вы по-прежнему храните верность старому доброму "Зениту"), помните - задняя линза объектива не имеет никакого защитного покрытия. А потому протирать ее тканью или ватой ни в коем случае не следует (хотя протирать переднюю линзу не меньшее варварство).

Раз уж коснулись темы материала, из которого изготовлены линзы объектива, поговорим и об этом. Для производства линз используется оптическая пластмасса и стекло различных сортов. Причем, линзы наиболее дорогих объективов изготовлены из низкодисперсного стекла с применением кристаллического кварца и флюорита. Пластмассовыми линзами снабжены объективы простейших фотоаппаратов. Применяется она и в стеклянных объективах в качестве компонента для придания линзам асферической формы и в просветляющих покрытиях.

Скажем сразу - связываться с пластмассовой оптикой не следует категорически. Пластмассовые линзы очень термочувствительны. При повышении или понижении температуры форма линз меняется, соответственно меняются и оптические характеристики объектива. Причем, процесс этот совершенно непредсказуем. Кто станет специально рассчитывать пластмассовую оптику, если единственная цель, с которой она применяется, максимальное снижение стоимости фотоаппарата? Кроме всего прочего, пластмассовые линзы легко повреждаются и мутнеют. Срок службы пластикового объектива - два года от силы. Затем поверхность передней линзы мутнеет, и фотоаппарат перестает быть фотоаппаратом.

Отличить пластик от стекла можно при помощи лупы (объективы дешевых фотоаппаратов имеют очень небольшой диаметр). Если передняя линза выглядит прозрачной и светлой, значит, на ней нет просветляющего покрытия. Нет просветления - это пластмасса. Стекло без просветления в современных фотообъективах практически не встречается.

Вернемся к пропускной способности объектива, к его светосиле. Относительное отверстие самый убедительный показатель "зоркости" оптики, в том смысле, что светосильный объектив позволяет снимать в условиях недостаточной освещенности без применения дополнительных источников освещения, например, встроенной вспышки. Ряд показателей светосилы стандартизирован и имеет следующий вид - 0,7, 1, 1,4, 2, 2,8, 3,5, 4 и так далее. Легко заметить, что в этом числовом ряду отсутствуют числители. На самом деле светосила выражается соотношением внутреннего диаметра объектива к фокусному расстоянию и выглядит как 1:0,7, 1:1, 1:1,4 и так далее. Но для удобства числитель в обозначении обычно опускается и указывается только знаменатель. Чем меньше число, тем светосила объектива выше и тем большее количество света способны пропускать линзы объектива.

Казалось бы - зачем искусственно ограничивать светосилу объектива? Однако в каждом фотоаппарате есть механизм уменьшения светосилы объектива - диафрагма. Дело здесь в том, что с увеличением относительного отверстия объектива уменьшается глубина резкости - диапазон расстояний, в рамках которого все объекты получатся на снимке резкими. В обычном положении фокусировочной оправы объектив настроен на резкое изображение предметов, расположенных от нескольких метров от камеры до бесконечности. При приближении снимаемого объекта к камере объектив приходится выдвигать, чтобы изображение фокусировалось точно в фокальной плоскости фотоаппарата. При большом относительном отверстии зона резкого изображения (ГРИП) невелика. При максимально вдвинутом объективе - от нескольких метров (от 5-6) до "бесконечности", при максимально выдвинутом - несколько сантиметров (в макрорежиме эта зона исчисляется миллиметрами).

При уменьшении относительного отверстия зона резкого изображения расширяется. Причем, при максимальном диафрагмировании эта зона может простираться от метра до бесконечности. Увеличение глубины резкости - одна из функций механизма изменения относительного отверстия объектива, то есть диафрагмы.

В ходе эволюции фотоаппаратуры механизм диафрагмы принимал самые разные формы, но сегодня классическим решением является ирисовая лепестковая диафрагма, которая и применяется в большинстве моделей цифровых фотоаппаратов. Конструктивно диафрагма устроена следующим образом. На внутреннем ободке установлены оси, на которые насажен набор светонепроницаемых лепестков, удерживаемых в открытом положении пружинами. Лепестки приводятся в движение электромагнитом исполнительного механизма автоматического экспонометра камеры. В момент нажатия на спусковую кнопку электромагнит сдвигает лепестки к центру объектива. Лепестки уменьшают площадь внутреннего отверстия объектива на заданное автоматом значение, а затем, после срабатывания затвора, под действием пружин возвращаются в исходное открытое положение. Расположен механизм диафрагмы обычно в междулинзовом пространстве объектива. В ходе всего срока службы фотоаппарата он не требует какого бы то ни было обслуживания…

Мы уделили внимание внутреннему устройству объективов, хотя на практике нам вряд ли придется разбираться с линзами или механизмом диафрагмирования. Но есть у фотосъемочной оптики ряд характеристик, в которых мы, как фотолюбители, крайне заинтересованы. Например, такой показатель, как фокусное расстояние объектива.

Не надо быть специалистом, чтобы отличить камеру с фикс-фокусным объективом, фокусное расстояние которого не изменяется, от камеры, оснащенной объективом с переменным фокусным расстоянием или зум-объективом. Фикс-фокусные объективы устанавливаются на любительские камеры начального уровня и в дорогих моделях (в отличие от пленочной техники) не применяются.

Несмотря на внешнюю простоту фикс-фокусный объектив, если его линзы выполнены из стекла и имеют просветление, вполне полноценный инструмент для серьезной съемки. К сожалению, фикс-фокусные объективы с механизмом наведения на резкость (автоматическим) в компактных цифровых камерах не встречаются. Все объективы с неизменяемым фокусным расстоянием установлены на гиперфокальное расстояние и фокусировки на тот или иной объект не требуют. Почему "к сожалению"? Дело в том, что настроенная на максимальную глубину резкости оптика полностью исключает портретную съемку с эффектом размытого фона, подбор глубины резкости при макросъемке, акцентирование того или иного объекта выведением второстепенных деталей за рамки резкости. Все это сужает применение цифрового фотоаппарата, оставляя ему лишь фотографирование стандартных сцен "на память".

Однако для этой ложки дегтя есть и своя бочка меда. Фикс-фокусный объектив очень прост и по устройству, и в использовании. Значительное время в пресловутой задержке срабатывания затвора цифрового фотоаппарата приходится на механизм автоматической фокусировки объектива. Камера выбирает оптимальную резкость попадающих в кадр объектов, исполнительный механизм перемещает фокусировочную оправу объектива, и только потом закрывается диафрагма и срабатывает затвор. Нет автофокуса, нет и длительной задержки. А фотографу не приходится думать, что в кадре получится резко, а что нет. Установка объектива на гиперфокальное расстояние позволяет максимально расширить границы резкости изображения.

Второй плюс - простая механика объектива, а по сути, отсутствие какой бы то ни было механики. Фотоаппарат с фикс-фокусным объективом очень долговечен. Зависимость простая - чем проще, тем надежней.

Наконец, в ряде ситуаций фикс-фокусный объектив незаменим. Например, при подводной съемке. Особо защищенные фотоаппараты для подводной съемки и для работы в запыленной атмосфере снабжены объективами с неизменяемым фокусным расстоянием, установленным на гиперфокальное расстояние. В воде, которая имеет иной коэффициент преломления и оптическую плотность, нежели воздух, система автоматической фокусировки будет ошибаться (хотя эти ошибки из-за большой глубины резкости оптики вряд ли сильно скажутся на качестве снимков) - это первое. Второе - большое количество электромеханических узлов зум-объектива не позволяют надежно герметизировать корпус фотоаппарата. В упомянутых камерах (яркий пример - выпускавшаяся несколько лет назад камера Casio G. Bros GV-2) корпус герметизирован силиконовыми уплотнителями, объектив спрятан за стеклом, также имеющим надежное уплотнение. В результате фотоаппарат пригоден для съемки под водой без каких бы то ни было специальных боксов и иных средств защиты от воды.

Наконец, фотоаппараты с фикс-фокусными объективами дешевле камер с зум-объективами, а их оптические системы выглядят более предсказуемыми. Если в характеристиках камеры указано, что светосила фикс-фокусного объектива равна 2,8, то это именно так и никак иначе. Фотоаппарат с зум-объективом, имеющим светосилу 2,8 на "коротком" конце, на "длинном" конце обладает светосилой 4,5 (пример гипотетический, но справедливый для большинства моделей). Вопрос - какова светосила этого объектива при среднем значении фокусного расстояния?

Часто ли нам приходится использовать широкоугольный объектив? Гораздо реже, чем обычный, с нормальным углом зрения. Но про истинные характеристики вот этого "нормального" объектива, которым становится зум при среднем значении фокусного расстояния, мы как раз мало что знаем.

И все же подавляющее большинство любительских цифровых фотоаппаратов оснащаются объективами с переменным фокусным расстоянием. И это вполне оправдано, поскольку снимает проблему отсутствия сменной оптики у компактных цифровых камер.

В стандартный набор для пленочной дальномерной или зеркальной 35-мм пленочной (а сегодня уже и цифровой) камеры входит три основных сменных объектива. Широкоугольный объектив с фокусным расстоянием 28-35 мм, который используется для съемки внутри помещений. Нормальный объектив с фокусным расстоянием 45-55 мм, используемый в любых видах съемки - пейзажной, съемка натюрмортов, архитектурной и так далее. Длиннофокусный объектив 90-135 мм и более, для съемки портретов и удаленных объектов.

Перечислим характерные особенности этих объективов. У широкоугольного объектива самая большая глубина резкости, но они склонны к искажениям перспективы и дисторсии. Нормальные объективы можно назвать универсальными, они являются оптимальными для большинства вида съемок. Длиннофокусные объективы имеют малую глубину резкости, поэтому часто применяются в портретной съемке для размывания фона. Их недостатком является большой вес, а в случае с объективами с фокусным расстоянием от 200 мм и больше - необходимость обязательного применения штатива (иначе трудно зафиксировать положение камеры, при котором изображение в кадре будет стабильным).

Поскольку в области цифровой фотоаппаратуры нет общепринятого стандарта на размер сенсора (хотя подвижки в этой области очевидны), обозначение фокусного расстояния объектива в миллиметрах мало что говорит. Объектив с фокусным расстоянием в 5,6 мм для простейшей камеры с крошечным сенсором КМОП будет работать как нормальный (с углом обзора примерно в 45 градусов), а в камере с относительно большим по размеру сенсором ПЗС - как широкоугольный. Поэтому фокусное расстояние объективов для цифровой техники, как правило, обозначается в приведенном к 35-мм пленке значении. То есть фокусное расстояние 5,6-мм объектива во втором случае (камера с сенсором ПЗС) можно обозначить, как 28-мм объектив в приведенном к 35-мм пленке значении.

Так вот, зумы большинства любительских цифровых камер охватывают два диапазона фокусных расстояний - от 35 до 70 мм (двукратные зумы) и от 35 до 105 мм (трехкратные зумы). Встречаются и иные параметры, например, 28 - 70 мм или 35 - 200 мм. Впрочем, цифровая техника не стоит на месте. Компании Olympus и Matsushita выпускают камеры с особо мощными 10 и даже 12 кратными зумами (эти камеры именуют "суперзумами"). Оптика у этих фотоаппаратов просто отменная, но в практическом использовании эти фотоаппараты не так удобны, а их приобретение требует дополнительной мотивации (относительно крупные размеры, отсутствие оптического видоискателя, наконец, более высокая стоимость - и все это взамен не всеми востребованной возможности заглянуть подальше). Однако характеристики подобной оптики и ее качество впечатляют…

Объективы с изменяемым фокусным расстоянием имеют сложную конструкцию и подразделяются на несколько типов. Нам важно знать одну практически значимую подробность - есть объективы, в которых для изменения фокусного расстояния выдвигается-вдвигается тубус объектива, есть объективы, в которых для этих целей перемещается внутренний блок линз, и есть объективы, в которых использованы обе технологии. Чаще всего встречается оптика, построенная по гибридной технологии. С одной стороны это позволяет расширить диапазон фокусных расстояний, с другой - сделать тубус объектива и сам фотоаппарат компактным.