История фотографического объектива не менее увлекательна, чем история радио. Первым устройством для рассматривания плоского изображения окружающего мира явилась камера-обскура, с появлением светочувствительных материалов превратившаяся в фотоаппарат.
Чтобы сделать камеру-обскуру, необходимо в светонепроницаемом ящике сделать отверстие в передней стенке, а заднюю стенку заменить матовым паронепроницаемым экраном (матовым стеклом, калькой, просто листом бумаги).
Лучи света, распространяющиеся прямолинейно (в соответствии с представлениями геометрической оптики), проходя через отверстие, создают на противоположной стенке перевернутое изображение, которое можно наблюдать с внешней стороны. Заменив матовое стекло на пластинку или пленку со светочувствительным материалом, можно получить фотографическое изображение.
Отверстие камеры-обскуры и можно считать первым фотографическим объективом. Разберем все его достоинства и недостатки.
1. Отверстие не обладает каким-либо "фокусным расстоянием", или за фокусное расстояние можно считать расстояние от отверстия до экрана.
2. Отверстию не присущи большинство свойственных объективу искажений (сферическая аберрация, кома, астигматизм, дисторсия). Единственным видом искажения является хроматическая аберрация и искажения вследствие дифракции.
Четкость изображения определяется диаметром отверстия. При относительно большом отверстии (несколько миллиметров) можно не считаться с дифракцией света, и считать размер пикселя на экране равным диаметру отверстия.
Фотолюбители иногда, кто из любопытства, а кто в силу приверженности к фотографиям подобного рода, делают фотоаппараты типа "стеноп" из зеркальных камер, заменив объектив на оправу с отверстием, получая необычные и оригинальные фотографии. Ряд стенопов выпускается промышленностью, в расчете на любителей подобных необычных снимков. Под заголовком фотография подобного стенопа Canon.
Также, стенопы еще называются лох-камерами. Это не то, что вы подумали, по немецки Loch - это отверстие. По английски подобный фотоаппарат называется Pinhole Camera. Не следует путать пинхоул-камеру (с отверстием вместо объектива) с камерой с пинхоул-объективом (который является настоящим объективом с вынесенным зрачком, предназначенным для скрытого видеонаблюдения; продажа подобных объективов и устройств с ними с 2000 года запрещена, поскольку подобные устройства относятся к специальным техническим средствам).
Возьмем наверняка у многих читателей еще сохранившийся в качестве реликвии зеркальный фотоаппарат "Зенит", рассчитанный на кадр 24х36 мм и объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Заменив объектив на установленное на расстоянии 50 мм от пленки отверстие диаметром 0,8 мм, получим размер пикселя 0,8 мм, и изображение в 1350 пикселей (30 х 45 элементов).
Можно подсчитать относительное отверстие этого "объектива" как 0,8/50 = 1:62,5. При такой диафрагме можно снимать с относительно короткой выдержкой, но изображение будет эквивалентно телевизионному изображению с разрешением 30 строк. Ну и что? Первые системы механического телевидения 1920-х годов с диском Нипкова разлагали изображение на 30-120 строк, и это считалось техническим прогрессом.
Четкость изображения можно повысить, уменьшив диаметр отверстия. Но с уменьшением диаметра отверстия связано явление дифракции - лучи света перестают подчиняться законам геометрической оптики и начинают отклоняться от прямолинейного пути, что приводит к размытию изображения.
Круглое пятно с четкими границами превращается в пятнышко с размытыми границами и концентрическими кругами по площади пятна. Чем меньше отверстие, тем более размыты границы пятна. Тем самым, если при диаметре отверстия, значительно большем длины волны света, четкость изображения увеличивается с уменьшением диаметра отверстия, предел подобному улучшению поставлен волновыми свойствами света, дифракцией, поскольку, начиная с некоторого диаметра отверстия, с дальнейшим его уменьшением световое пятно начинает увеличиваться и превышает диаметр отверстия.
Венгерский математик, физик и изобретатель Йозеф Пецваль
(автор портретного объектива Пецваля, о котором непременно нужно поговорить в дальнейшем) рассчитал диаметр отверстия, дающего наилучшее изображение, с учетом противоречивых к нему требований.
d = 2*√(F*L)
где F - расстояние от отверстия до экрана, L - длина волны света. Для Зенита при F=50 мм и зеленого света с длиной волны 550 нм получаем d = 0,33 мм. Неплохо, 73 строки изображения (первые телевизоры были хуже) и матрица в 8 килопикселей.
Ниже селфи, сделанное стенопом. Чтобы увеличить разрешение в пикселях, необходимо увеличивать расстояние от отверстия до экрана, что позволяет увеличить и диаметр отверстия.
Отверстие не обязательно должно быть круглым, правильное изображение получится при отверстии любой формы. Также, вместо одного отверстия можно применить две щели, расположенные на определенном расстоянии одна от другой, и проектирующие изображение на общий экран.
Подобные 2 щели - аналог анаморфотного объектива, преднамеренно изменяющего изображение с различным масштабом по вертикали и горизонтали. В результате анаморфирования изменяются пропорции изображения: квадрат превращается в прямоугольник, а окружность в эллипс.
Коэффициент анаморфирования (коэффициент анаморфозы , анаморфотный фактор ), или отношение масштабов по двум взаимно перпендикулярным направлениям, будет равен отношению расстояний от каждой из щели до экрана.
Опубликована статья об объективах мениск и ахромат.
