Введение в оптику

3. Физическая оптика

Дисторсия (искривление прямых линий). При фотографировании точных чертежей одной линзой нетрудно обнаружить, что на изображении нарушается подобие фигур. Такое искажение обусловлено дисторсией, присущей линзам.

Если сфотографировать сетку квадратов с помощью простой линзы, можно наблюдать две разновидности дисторсии в зависимости от взаимного расположения диафрагмы и линзы (рис. 20). Размещение диафрагмы перед линзой приводит к тому, что квадрат изображается фигурой, напоминающей бочку (бочкообразная дисторсия). Диафрагма, расположенная за линзой, искажает фигуру в противоположном направлении (подушкообразная дисторсия).

Рис. 20. Дисторсия: а - бочкообразная; б - подушкообразная; в - устранение дисторсии в симметричном объективе

Устранить дисторсию можно, поместив диафрагму между линзами. Тогда подушкообразные искривления первой линзы компенсируются бочкообразными искривлениями второй линзы.

У всех современных фотографических объективов диафрагма расположена между линзами, благодаря чему дисторсия в значительной мере исправлена. Объективы с исправленной дисторсией называются ортоскопичными. Требования ортоскопичности, неискаженности геометрических форм в изображении несущественны в любительской, репортажной и портретной съемке, но в высокоточной фотографии, в частности при точном репродуцировании, ортоскопичность приобретает первостепенное значение. Объективы для работ такого рода проверяются на остаточную дисторсию по всему полю кадра с точностью до 0,001 мм (до 1 микрометра). Как видно из рис. 20, дисторсия неравномерна по полю: в центре она почти не ощущается, к краям увеличивается, а при срединном положении диафрагмы иногда меняет знак. К высокоточным объективам всегда прилагается график распределения остаточной дисторсии по кадровому полю.

Астигматизм. Слово "астигматизм" происходит от греческих слов "а" - не (отрицание) и "стигма" - точка и в переводе означает "бесточие".

Рис, 21. Астигматизм в косом пучке

Не резкость, обусловленная астигматизмом, также обнаруживается в косых пучках лучей, идущих наклонно к оптической оси. Чем дальше от центра кадра располагается изображение точки, тем больше оно размыто вследствие влияния астигматизма. При построении изображений астигматизм заключается в том, что на краях изображения невозможно получить одновременно резкими вертикальные и горизонтальные линии. Действие астигматизма поясняется на рис. 21.

Объект съемки представляет собой резко очерченное перекрестие двух взаимно перпендикулярных линий, расположенных горизонтально и вертикально. Точка пересечения линий удалена от оптической оси настолько, что луч, идущий от нее к центру линзы, составляет с оптической осью большой угол. Построим изображение точки пересечения дважды: один раз - пользуясь лучами, идущими в горизонтальной плоскости, и второй раз - используя лучи в вертикальной плоскости. Горизонтальная плоскость пересечет линзу не по наибольшему кругу, образующему сферическую поверхность линзы, а по кривой меньшего радиуса r. В пространстве изображений мы получим изображение горизонтальной линии предмета на некотором расстоянии от линзы. Вертикальная плоскость, в которой строится изображение вертикальной линии предмета, пересечет поверхность линзы по наибольшему кругу, образующему сферическую поверхность линзы, так как проходит через центр этой сферы. При этом горизонтальная и вертикальная плоскости пересекут линзу при разных радиусах кривизны (чем меньше кривизна линзы, тем больше ее фокусное расстояние). Поэтому вертикальная линия предмета изобразится на большем расстоянии от линзы, чем горизонтальная. Если поместить экран в пространстве изображений ближе к линзе, горизонтальная линия изобразится резко, а вертикальная нет; по мере удаления экрана изображение горизонтальной линии начнет расплываться, а резкость вертикальной линии будет возрастать.

При расчете конструкции оптической системы объектива стараются уменьшить влияние астигматизма. Разработаны конструкции объективов, которые получили название анастигматов. Все современные фотографические объективы являются анастигматами. Создание анастигматов дало возможность построить высококачественные широкоугольные объективы, роль которых в фотографии очень велика.

Астигматизм свойствен и глазу человека. Люди, страдающие астигматизмом, вынуждены пользоваться очковыми линзами, у которых вертикальный и горизонтальный радиусы кривизны различны.

Мы рассмотрели недостатки (аберрации) линз, сущность которых состоит в том, что вследствие той или иной причины точка предмета изображается в виде некоторого кружка размытости, что приводит уменьшению общей резкости изображения.

Успехи физической оптики свели к минимуму остаточные влияния аберраций, в результате чего оказалось возможным создать совершенные фотографические объективы. Современный фотографический объектив представляет собой сложную оптическую систему из четырех-шести и более линз. Параметры этой системы линз подобраны в результате сложнейших расчетов, выполняемых квалифицированными специалистами с помощью электронных вычислительных машин.

Продолжение