Как работает объектив с точки зрения оптики

Есть у операторов и фотографов расхожее выражение – «Снимает не камера, а объектив». И это совершенно справедливо. В самой камере располагается светочувствительный элемент, на который именно объектив проецирует исходное изображение. А сама камера работает исключительно с электрическими сигналами, не имеющими никакого прямого отношения непосредственно к объекту съемки. Светочувствительный элемент прошел огромный эволюционный путь развития – стеклянные пластины с нанесенным на них светочувствительным слоем и сложным многоступенчатым фотохимическим процессом получения изображения впоследствии сменились фото-кино пленкой.

И только совсем недавно наибольшую популярность получили светочувствительные матрицы с преобразованием света в электрический сигнал. Объектив же остался по сути своей неизменным во времени. Потому что это – базовое понятие для любой камеры – как фото, так и видео. Именно от него зависит, что и как увидит наша камера. А точнее, что мы увидим посредством камеры. И базовыми понятиями надо владеть обязательно, чтобы весь процесс - и видеонаблюдения, и видеосъемки, и фотографии - носил всегда осмысленный со стороны оператора характер. Что же касается инсталлятора видеонаблюдения, то незнание базовых законов построения изображения в принципе не позволит грамотно спроектировать систему, а потребитель окажется обманутым в своих ожиданиях.

Но даже, если вы просто увлекаетесь фотографией или видеосъемкой, незнание базовых принципов мгновенно выдаст в операторе дилетанта. Поэтому, эти знания могут оказаться полезными и просто тем, кому данная тема интересна исключительно на любительском уровне.
На самом деле все нижеизложенное – материал средней школы. Другое дело, что не во всякой школе это было подано в доступной форме, в результате далеко не у всех это отложилось в памяти. Но с нами вы поймете все. Это мы обещаем.

Ну, и конечно вот вам очень показательный маркер для оценки и инсталлятора, и производителя, и поставщика всего того, что относится к видеонаблюдению – задайте своему подрядчику очень простой вопрос: «Что такое фокус?». И сопоставьте то, что услышите в ответ с тем, что прочтете ниже.

Если внятного ответа не будет, бегите от такого подрядчика, потому что он в принципе не представляет то, что вам предлагает. Вот с фокуса и начнем.

Самое главное, что надо понимать – это понятие касается исключительно объектива, и к собственно камере не имеет никакого отношения. Поэтому сейчас оставим камеру в покое и будем говорить только об объективе.

Второй принципиальный момент – объектив работает, как идеальная линза. То, что приличный объектив в действительности состоит из целого набора линз, сути не меняет. Делается это исключительно для того, чтобы приблизить его именно к идеальной линзе – с одинаковой разрешающей способностью по периферии и в центре, минимумом световых потерь в стекле, минимальными искажениями и т.п.

Прежде, чем переходить непосредственно к линзе, рассмотри прохождение светового луча через призму (рис.1)

Луч ABCD, входя в призму, испытывает преломление в точке B. Кроме того, он испытывает и отражение от поверхности, приводящее к потерям световой энергии. С подобными потерями в оптике борются с помощью т.н. просветления – нанесения на поверхность специального покрытия. Но нас в данном случае вопрос потерь не интересует. Только преломление. Входя из менее плотной среды в более плотную, световой луч приближается к нормали к поверхности разграничения сред. В данном случае луч входит из воздушной среды в стекло, то есть из менее плотной в более плотную. Если в точке входа В провести нормаль к поверхности призмы, и рассмотреть углы, образованные лучом с нормалью N1, то получим, что α1 > α2.

Далее луч идет в теле призмы до точки С, в которой при выходе из более плотной среды – стекла – в менее плотную - воздушную, снова испытывает и отражение, и преломление, увеличивая в воздушной среде угол с нормалью N2. То есть β2<β1. Таким образом, световой луч, имея изначально направление вверх от основания призмы, после прохождения сквозь нее оказывается направленным вниз к основанию, испытав двойное преломление. Линзу можно представить, как фигуру вращения призмы вокруг ее основания, и в любом ее сечении плоскостью, проходящей через ось вращения, будет иметь место подобная картина. Точнее, две такие призмы с общим основанием, симметричные друг другу.

В действительности, в сечении линзы мы увидим не прямые, а дуги в качестве сторон симметричных треугольников, но на общее понимание вопроса это не повлияет.

Главное, стало ясно, почему лучи, после прохождения линзы, собираются к центральной оси симметрии.

Теперь переходим непосредственно к линзе.

Вместо того, чтобы отдельно рассматривать преломление луча при входе в тело линзы и при выходе из него, мы будем считать, что луч преломляется на общий угол при прохождении условной плоскости – угол β для луча ABC (Рис.2). Эта условная плоскость называется плоскостью линзы. Кроме того, существует точка, как правило, совпадающая с центром симметрии линзы, проходя через которую световой луч не испытывает преломления и проходит через тело линзы без искажений.

Рис 2. Схема линзы с оптическим центром O и лучом AD
Точка, при прохождении через которую луч не испытывает преломления, называется оптическим центром линзы. Обозначается буквой «О».

На рис. 2 луч AD проходит через оптический центр линзы О без преломления.

А теперь настала пора определиться с самим фокусом линзы.

В самом начале представлена фотография. Вот так мальчишки 60-70-х годов прошлого века занимались выжиганием. Выжигательный прибор был дорогой – 6 рублей, а солнце разадет энергию бесплатно. Достаточно иметь линзу. С приходом первых теплых весенних дней это занятие наблюдалось повсеместно. Зимой выжигать не получалось – тепловой энергии не хватало. И любой мальчишка очень наглядно представлял, что это такое – фокусное расстояние, хотя само определение мог и не знать.

Солнце находится от нас очень и очень далеко. Смело можно считать, что в бесконечности.
Определение:

На фотографии Солнце отображается точкой в центре. Если отклонить оптическую ось от направления на объект, точка будет вырождаться в эллипс. Если приблизить или отдалить линзу от плоскости отображения, точка буде вырождаться в пятно с увеличивающимся по мере удаления или приближения диаметром. Но точное отображением объекта, находящегося в бесконечности, может быть представлено исключительно в виде точки.

Кроме светового излучения видимого спектра линза преломляет и инфракрасную его часть. Помимо света происходит и концентрация тепловой энергии, способной вызвать возгорание легковоспламеняющихся материалов – бумаги, дерева и т.п.

Отображение будет также на главной оптической оси, но с другой стороны линзы.

От находящегося на оптической оси в бесконечности объекта все лучи будут идти параллельно этой оси. (Рис.3.) И пройдя через линзу, все они пересекутся в одной точке – точке фокуса - по определению.

Точка фокуса обозначается буквой f.

Расстояние от оптического центра линзы до точки фокуса называется фокусным расстоянием и такжетобозначается прописной латинской буквой f.

Следует заметить, что в технических характеристиках объективов на рынке технических средств безопасности в последнее время довольно часто можно встретить обозначение фокусного расстояния заглавной буквой F. Однако, так всегла было принято обозначать светосилу объектива. Бороться с этим невозможно. Поэтому, следует руководствоваться наименованием единицы измерения величины. Фокусное расстояние измеряется в миллиметрах. И если величина F имеет наименование в миллиметрах, значит, имеется ввиду фокусное расстояние.

Светосила наименования не имеет, поскольку представляет собой отношение одноименных величин.

На представленной в самом начале фотографии фокусное расстояние линзы составляет примерно 85 мм.

А что и как будет отображаться на матрице в зависимости от фокусного расстояния и какие практические выводы, и знания нам дает информация о фокусном расстоянии объектива, мы подробно рассмотрим в следующей части.

А пока запоминаем, что:

• луч, идущий параллельно главной оптической оси, после преломления в линзе обязательно пройдет чрез точку фокуса;
• луч, проходящий через оптический центр линзы, не меняет свое направление;
• фокусное расстояние – это конкретная характеристика самой линзы (объектива), зависящая только от ее формы.

Расхожее выражение «изображение в фокусе» на самом деле будет справедливо только для случая, когда сам объект находится в бесконечности. И никак по-другому, что подробно разберем в следующей части.

• Часть 2 - Как «видит» камера и основная формула линзы
• Часть 3 - Светосила объектива: что важно знать, чтоб не обмануться