Параметры объективов для видеокамер

Физика8 класс

§ 68. Линзы. Оптическая сила линзы

Для того чтобы управлять световыми пучками, т. е. изменять направление лучей, применяют специальные приборы, например лупу, микроскоп. Основной частью этих приборов является линза.

Линзами называются прозрачные тела, ограниченные с двух сторон сферическими поверхностями.

Линзы бывают двух видов — выпуклые и вогнутые.

Линза, у которой края намного тоньше, чем середина, является выпуклой (рис. 151, а).

Рис. 151. Виды линз:
а — выпуклые; б — вогнутые

Линза, у которой края толще, чем середина, является вогнутой (рис. 151, б).

Прямая АВ, проходящая через центры С₁ и С₂ (рис. 152) сферических поверхностей, ограничивающих линзу, называется оптической осью.

Рис. 152. Оптическая ось линзы

Направив на выпуклую линзу пучок лучей, параллельных оптической оси линзы, мы увидим, что после преломления в линзе эти лучи пересекают оптическую ось в одной точке (рис. 153). Эта точка называется фокусом линзы. У каждой линзы два фокуса — по одному с каждой стороны линзы.

Рис. 153. Собирающая линза:
а — прохождение лучей через фокус; б — изображение ее на схемах

Расстояние от линзы до её фокуса называется фокусным расстоянием линзы и обозначается буквой F.

Если на выпуклую линзу направить пучок параллельных лучей, то после преломления в линзе они соберутся в одной точке — F (см. рис. 153). Следовательно, выпуклая линза собирает лучи, идущие от источника. Поэтому выпуклая линза называется собирающей.

При прохождении лучей через вогнутую линзу наблюдается другая картина.

Пустим пучок лучей, параллельных оптической оси, на вогнутую линзу. Мы заметим, что лучи из линзы выйдут расходящимся пучком (рис. 154). Если такой расходящийся пучок лучей попадёт в глаз, то наблюдателю будет казаться, что лучи выходят из точки F. Эта точка находится на оптической оси с той же стороны, с какой падает свет на линзу, и называется мнимым фокусом вогнутой линзы. Такую линзу называют рассеивающей.

Рис. 154. Рассеивающая линза:
а — прохождение лучей через фокус; б — изображение её на схемах

Линзы с более выпуклыми поверхностями преломляют лучи сильнее, чем линзы с меньшей кривизной (рис. 155).

Рис. 155. Преломление лучей линзами различной кривизны

Если у одной из двух линз фокусное расстояние короче, то она даёт большее увеличение (рис. 156). Оптическая сила такой линзы больше.

Рис. 156. Увеличение линзы

Линзы характеризуются величиной, которая называется оптической силой линзы. Оптическая сила обозначается буквой D.

Оптическая сила линзы — это величина, обратная её фокусному расстоянию.

Оптическая сила линзы рассчитывается по формуле

D = 1 / F

За единицу оптической силы принята диоптрия (дптр).

1 диоптрия — это оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой равно 1 м.

Собирающая линза

Если фокусное расстояние линзы меньше 1 м, то оптическая сила будет больше 1 дптр. В случае, когда фокусное расстояние линзы больше 1 м, её оптическая сила меньше 1 дптр. Например,

если F = 0,2 м, то D = 1 / 0,2 м = 5 дптр,
если F = 2 м, то D = 1 / 2 м = 0,5 дптр.

Поскольку у рассеивающей линзы фокус мнимый, то условились считать её фокусное расстояние отрицательной величиной. Тогда и оптическая сила рассеивающей линзы будет отрицательной.

Оптическую силу собирающей линзы условились считать положительной величиной.

Вопросы

1. Как по внешнему виду линз можно узнать, у какой из них короче фокусное расстояние?
2. Какая из двух линз, имеющих разные фокусные расстояния, даёт большее увеличение?
3. Какую величину называют оптической силой линзы?
4. Как называется единица оптической силы?
5. Оптическая сила какой линзы принимается за единицу?
6. Чем отличаются друг от друга линзы, оптическая сила одной из которых равна +2,5 дптр, а другой -2,5 дптр?

Упражнение 48

1. По рисунку 155 сравните оптические силы изображённых на нём линз.
2. Оптическая сила линзы равна -1,6 дптр. Каково фокусное расстояние этой линзы? Можно ли с её помощью получить действительное изображение?

Особенности телеобъективов

Телеобъективы отличаются от другой оптики отнюдь не только тем, что они способны приближать удаленные объекты. Одна из ключевых особенностей телеобъектива состоит в том, что он имеет малый угол зрения, вследствие чего относительные размеры и расстояние для близких и дальних объектов нормализуются. То есть применение длиннофокусной оптики позволяет добиться такого эффекта на фотоизображении, при котором ближние к камере объекты кажутся по своим размерам примерно равными удаленным. Все дело в том, что когда угол зрения узок, удаленные объекты заполняют гораздо более весомую часть кадра.

На практике телеобъектив оказывает непосредственное влияние на перспективу. Нормализация относительных размеров ближних и дальних объектов съемки может использоваться фотографом для придания ощущения масштаба. Для усиления этого эффекта понадобится лишь отдалиться от ближайшего объекта съемки настолько, насколько это возможно и, соответственно, приблизить его телеобъективом, если это необходимо. Сокращение соотношения размеров объектов и дистанции между ними может быть выгодно для создания ощущения плотности или акцентирования на многочисленности предметов в кадре, однако чрезмерная нормализация относительных размеров может и испортить фотографию, сделав сцену слишком статичной, плоской и неинтересной.

Фокусное расстояние 222 мм. Диафрагма 6.3

Учитывая потрясающие возможности по приближению удаленных объектов и в то же время узкий угол зрения, при использовании длиннофокусной оптики следует четко выбирать качество содержания кадра. Другими словами, необходимо проявлять определенную избирательность. Телеобъектив может идеально запечатлеть простую, но хорошо сфокусированную композицию

Например, при съемке дикой природы можно приблизить животное небольшого размера, которое находится далеко, точно передавая в кадре его форму и уделяя особое внимание различным мелким деталям. Применяя мощную длиннофокусную оптику, можно снимать не только диких животных в их естественной среде обитания, но и такие опасные и масштабные явления природы, как извержение вулканов

Малая величина ГРИП. Фокусное расстояние 300 мм. Диафрагма 6.3

Следующая особенность телеобъективов – они  уменьшают глубину резкости при неизменной дистанции фокусировки

Важно подчеркнуть, что сами по себе телеобъективы не отличается меньшей глубиной резкости. При использовании длиннофокусной оптики фотографы чаще всего значительно сильнее увеличивают объект съемки, чем, например, с применением более широкоугольных объективов

То есть они обычно не удаляются от предметов съемки, вследствие чего заполняют кадр сильнее, что приводит к уменьшению глубины резкости.

Учитывая эту особенность телеобъектива, а так же то обстоятельство, что удаленные объекты не в фокусе визуально кажутся значительно больше, что усиливает их размытие, существенно возрастает необходимость в достижении предельной точности фокусировки в выбранной точке. Малейшая ошибка в фокусировке при использовании телеобъектива может привести к размытию отдельных деталей фотоизображения. В большинстве случаев, применяя длиннофокусную оптику, лучше задействовать для фокусировки центральную точку, а затем скорректировать композицию кадра по своему усмотрению, не беспокоясь об изменении дистанции фокусировки. Касаясь темы фокусировки, стоит отметить, что на светосильных длиннофокусных объективах фокусировка, так или иначе, связана с перемещением массивных линз. Это, разумеется, несколько уменьшает скорость и точность автоматического наведения на резкость.

Чтобы исключить размытие фотоизображения при использовании камеры с громоздкой длиннофокусной оптики, необходимо обязательно использовать штатив. Однако снимать с рук также возможно. Только для минимизации размытия кадра, вызванного дрожанием рук, потребуется либо сократить время выдержки по мере увеличения фокусного расстояния, либо стабилизировать каким-то образом положение фотоаппарата в пространстве. Чаще всего при съемке с рук приходится задействовать и тот и другой способ.

Для сокращения выдержки Вам нужно шире открыть диафрагму или повысить значение чувствительности ISO в настройках цифрового фотоаппарата. Будьте аккуратны – повышение чувствительности ISO увеличивает вероятность возникновения шумов на фотографии, а раскрытие диафрагмы, в свою очередь, уменьшает глубину резкости. Стабилизировать же камеру при съемке с рук можно прислонив свое тело или сам телеобъектив к какому-либо неподвижному объекту, например, к стене или дереву. Так же можно попробовать снимать сидя, придерживая телеобъектив одной рукой.

Характеристики широкоугольников

Чтобы ответить на вопрос — широкоугольный объектив для чего нужен, необходимо разобраться в его возможностях. Такие оптические приборы имеют преувеличенную перспективу и предметы, которые захватываются при фотографировании, находятся в некотором отдалении, чем на самом деле.

Подобный эффект достигается благодаря проецированию сцены на плоскости, и все изображения получаются непривычными для человеческого глаза

Если изучить потенциал широкоугольников, с помощью умело сделанных фотографий можно максимально захватывать внимание зрителей

Кроме того, с помощью них фотографы добиваются большой глубины изображаемого пространства. Причем в этой глубине предметы изображаются с приличным уровнем резкости, что позволяет пользователю создавать оригинальные композиции.

Виды и конструкция телеобъективов

Строго говоря, телеобъективом уже можно назвать оптику, фокусное расстояние которой превышает 70 мм (для полного кадра). Впрочем, к «полноценной» длиннофокусной оптике сегодня принято относить объективы, фокусное расстояние которых не превышает 135 мм, что соответствует углу зрения по широкой стороне кадра не более 15 градусов. В любом случае телеобъективы отличаются тем, что их внутренняя конструкция позволяет эффективно увеличивать фокусное расстояние. Это дает отличные возможности при съемке что называется «с расстояния». Причем чем больше фокусное расстояние, тем сильнее проявляются уникальные свойства телеобъектива, о которых мы поговорим далее.

Простейшая конструкция телеобъектива с одной длиннофокусной линзой обладает очень большими габаритами и невысоким качеством изображения. Поэтому в настоящее время применяется другая оптическая схема, включающая в себя собирающую и рассеивающую линзы, а также дополнительные группы линз, изготовленные из стекла с разными оптическими свойствами для уменьшения аберраций и реализации дополнительных функций, в частности, стабилизации картинки.

Между группами линз размещается диафрагма, изменяющая количество проходящего через оптику света и глубину резко изображаемого пространства (ГРИП). Форма размытия в зоне нерезкости представляет собой как раз изображение отверстия диафрагмы. Увеличение фокусного расстояния и обеспечение достаточной светосилы телеобъективов требует использования линз большего диаметра. Вследствие этого увеличиваются вес и габариты длиннофокусной оптики, а, в конечном, счете, и цена на такие телеобъективы.

Качественный объектив с большим фокусным расстоянием просто невозможно сделать легким и компактным. Например, телеобъектив с фокусным расстоянием 200 мм и светосилой f/2.8 уже тяжело удерживать в руках вместе с камерой в течение длительного времени, поэтому приходиться пользоваться штативом. Телеобъективы с еще большим фокусным расстоянием зачастую по габаритным размерам корпуса превосходят профессиональные зеркальные фотоаппараты.

Правда, в современных моделях телеобъективов производители стараются применять дорогостоящее оптическое стекло с очень высоким показателем преломления или дифракционную оптику, чтобы несколько уменьшить общую длину и массу конструкции. Но в любом случае нужно понимать, что длиннофокусная оптика – это практически всегда крупное и достаточно тяжелое фотооборудование.

В настоящее время, исходя из эффективного фокусного расстояния, принято различать три вида телеобъективов:

— Короткие телеобъективы

Canon EF 85mm f/1.8 USM

Это оптика, имеющая фокусное расстояние от 85 до 135 мм. Короткие телеобъективы имеют самый малый вес и самую доступную стоимость среди всех своих собратьев. Они используются, в частности, в портретной и свадебной фотографии, когда фотограф находится в непосредственной близости от снимаемого объекта, но при этом старается не вмешиваться в происходящее.

— Средние телеобъективы

Nikon 200mm f/4D ED-IF AF Micro-Nikkor

К средним телеобъективам относится оптика с фокусным расстоянием от 135 до 300 мм. Такие объективы довольно часто применяются для фотографирования быстродвижущихся объектов, например, при съемке спортивных соревнований. Благодаря телеобъективу в этом случае фотография лишается размытия.

— Супер телеобъективы

Canon EF 600mm f/4L IS USM

Сверхдлиннофокусная оптика обладает фокусным расстоянием, превышающим 300 мм. Такие объективы отличаются большим весом и серьезной стоимостью. Применяются они, в первую очередь, там, где нельзя подойти к объекту съемки на достаточно близкое расстояние. В частности, при съемке диких животных, которые при фотографировании вблизи могут просто убежать из-за одного неловкого движения фотографа.

Carl Zeiss Apo Sonnar T* 4/1700

Кстати, самый большой на сегодняшний день телеобъектив был изготовлен компанией CarlZeiss, он имеет фокусное расстояние 1700 мм и запредельный вес в 256 килограмм. Этот уникальный телеобъектив был выпущен в единственном экземпляре для одного любителя съемки мира живой природы с больших расстояний.

Телеобъективы

Для съёмки удаленных объектов наилучшим образом подходит телеобъектив. Его используют для съемки репортажей, так как он позволяет вести съемку происходящих событий на расстоянии. Размытый задний план боке, получаемый при съемке телеобъективом, выгодно смотрится на портретах и художественных фото. Начинающие фотографы, которые пока не в состоянии купить специализированный портретный объектив, могут пользоваться телеобъективом. От качества телеобъектива зависит его стоимость. Диапазон их качества, а соответственно и цены, достаточно широк. У тех и других может быть одинаковой протяженность расстояний, их главным отличием является светосила и оптическое качество. Дорогие телеобъективы оборудованы встроенными скоростными моторами автофокуса, бюджетные отличаются медленным фокусированием. Для начинающих фотографов подойдут телеобъективы с диапазоном от 55 до 200 мм. Таким объективам доступны 90% решаемых задач. Для съемки при недостаточном освещении, при необходимости быстрой фокусировки и для обеспечения высокого качества съёмки потребуется объектив среднего или топового уровня по стоимости соизмеримый со стоимостью самой камеры. (подробнее)