Объективы. История создания и развития

24.05.2014 15645 Фотомузей 0
Объектив современных фотоаппаратов развивался вместе со становлением физики, которая изучала и систематизировала знания об увеличении и исправлении искажений. Именно объективам, истории их создания и посвящен новый стенд нашего виртуального фотомузея. Это совершенно уникальный материал, собранный по крупицам со всего интернет-пространства, гордость нашей коллекции.

А начиналось все так…

Во все времена человек интересовался окружающим его миром. Настал момент, когда мир старого мировоззрения начал разрушаться. Границы его расширились. Ученые доказали, что Земля круглая. Люди пришли в шок, узнав, что живут на небесном теле, на «звезде». Начался переворот в науке. Джордано Бруно (1548-1600) по приказу «отцов церкви» был сожжен на костре за то, что он в том числе фактически первым написал множество страниц про оптические свойства линз, описав первый телескоп. 
 
 
На основании этих сведений, из изготовленных разными шлифовальщиками линз и торговцами очков, уже в 1607 году великий Галилео Галилей (1564-1642) самостоятельно изготовил свой первый, еще не вполне совершенный, телескоп: 
 
"Сначала я сделал себе свинцовую трубу, по концам которой я приспособил два оптических стекла, оба с одной стороны плоские, а с другой первое было сферически выпуклым, а второе - вогнутым; приблизив затем глаз к вогнутому стеклу, я увидел предметы достаточно большими и близкими; они казались втрое ближе и в девять раз больше, чем при наблюдении их простым глазом. После этого я изготовил другой прибор, более совершенный, который представлял предметы более чем в шестьдесят раз большими. Наконец, не щадя ни труда, ни издержек, я дошел до того, что построил себе прибор до такой степени превосходный, что при его помощи предметы казались почти в тысячу раз больше и более чем в тридцать раз ближе, чем пользуясь только природными способностями. Сколько и какие удобства представляет этот инструмент как на земле, так и на море, перечислить было бы совершенно излишним. Но, оставив земное, я ограничился исследованием небесного...
 
 
Дальнейшее победное шествие науки в ХVII и ХVIII веках неотделимо от успехов теоретической и практической механики. Оно представлено величайшими умами, составившими гордость и славу человечества, творившими в разных странах: Иоганн Кеплер - в Германии, Рене Декарт - во Франции, Исаак Ньютон - в Англии, Христиан Гюйгенс - в Голландии, Михаил Ломоносов - в России. В момент, когда фотография впервые заявила о себе - оптические приборы уже были достаточно совершенны. Именно телескопы стали родителями оптических устройств, предназначенных для создания действительного фотографического изображения.
 
Началось развитие фотообъективов, конструкции основных 6 типов которых были разработаны в 1850-1920-х годах. 
 
Первые линзы были довольно простыми. Линза Мениск показала, что «изгиб» простой линзы может исправить большую часть сферической аберрации и кривизны поля, что собственно и было у выпуклой и вогнутой линзы. Ахроматический дублет показал, что пары линз из стекла на различных индексах преломляющих дисперсий, может уменьшить хроматические аберрации.
 

Мениск (слева) и ахроматический дублет (справа)

После изобретения объектива камеры Daguerrotype, объективы начали быстро улучшаться, и буквально сотни фотографических объективов появились на рынке в начале 1900-х. Большинство из них были «тупиковыми», но шесть объективов (пять из которых были разработаны к 1900 году) трансформировались в новые модели, которыми мы пользуемся и сегодня! Шестой объектив был придуман уже после 1920-х годов для кинокамеры, а к 1930-му и для первой зеркальной камеры - это так называемый ретрофокус или по простому - обратный телефото.
 

Схемы 6 линз, которые являются предками всех современных объективов


Какие же объективы были первыми? 

Объектив Петцваля, разработанный в 1850 году, был очень важной частью портретной фотографии на протяжении полувека. Малая часть современных объективов даст Вам возможность проследить свою родословную, тем не менее, линзы типа Петцваля использовались в большинстве слайд проекторов до 1950 года. Они стали основой для объектива Kodak F1.9 Cine, которые были установлены на тысячи кинокамер Kodak 16мм. Некоторые телеобъективы, изготовленные до 1950 года, были на основе технологии Петцваля. 

Преимущества: отличная резкость по центру с достаточно широкой апертурой, низкое виньетирование.
Недостатки: астигматизм и кривизна поля, ограниченный и довольно узкий угол обзора.
 
 Объектив Петцваля 

 

Двухлинзовый (симметричный)  - быстрый и прямой объектив, разработанный в 1860-х годах, симметричный (линзы с одинаковыми элементами по обе стороны), с хорошим оптическим качествами. Широкоугольники без искажений, объективы для пейзажа и архитектуры. Современные объективы основаны на этой же технологии, но стекло, из которого они изготавливаются, имеет высокие и низкие индексы светопропускания и улучшенные характеристики кривизны поля, для уменьшения астигматизма, корпус прямолинейный, что делает их еще лучше. 

Преимущества: симметричный дизайн - полное устранение искажений и боковых хроматических аберраций.
Недостатки: тенденция к сферической аберрации, кривизна поля и астигматизм, который ограничивает их до умеренного на диафрагме f/2.8 или меньше. При умеренной апертуре эта конструкция требует дополнительных элементов для современного объектива, а это сложно и дорого, т.к. объектив имеет симметричное строение.
 
Симметричные объективы

 

Zeiss Protar (первоначальное название: анастигмат), симметричный объектив, разработанный в 1890 году, считается первым современным объективом для фотокамеры. За многие годы, создатели объективов увеличили количество элементов, размеры передних и задних линз, но общая симметрия в центре была сохранена. Объективы Schneider, Angulon и Leica Super Angulon являются прямыми потомками Protar.
 
Zeiss Protar


Zeiss первыми обнаружили, что если закрепить неподвижно переднюю линзу, то можно сократить большую часть аберраций. Десятки прекрасных объективов являются просто модификаций  Protar: Leitz Elmar, Zeiss Sonnar, Kodak Ektar, Schneider Xenar, Voigltander Heliostigmat и Skopar, и даже Nikon 50mm f/1.8 - очередные вариации конструкции Protar. Если у вас есть объективы от 35 до 110 мм, с максимальными диафрагмами порядка f/2.8, то это прямые потомки Protar.
 
 
Планар — тип фотографического объектива. Рассчитан Паулем Рудольфом (нем. Paul Rudolph) для Carl Zeiss Jena и запатентован в 1897 году. Базовая схема состоит из 6 линз в 4 группах. Современные объективы этой схемы могут включать в себя до 9 линз в 9 группах.

Согласно классификации, принятой, как в западноевропейской, так и в американской оптической литературе (включая патентную), этот тип объектива именуется Double-Gauss lens (двойной объектив Гаусса). Планары же рассматриваются, как одна из модификаций этой схемы.

Следует также отметить, что название Planar® до сих пор является собственностью фирмы Zeiss AG.

Конструктивно, Планар относится к менисковым анастигматам. Первоначально, схема строилось на основе объектива предложенного Карлом Гауссом ещё в начале XIXв, в качестве объектива телескопа, и состоящего из двух менисков — «силового» положительного и отрицательного корректирующего. Двойной же объектив Гаусса представляет собой симметричную конструкцию из двух таких объективов, с диафрагмой посередине. Подобный вариант был рассчитан Элвеном Кларком (Alvan G. Clark), запатентован в 1889 г. и выпускался фирмой Bausch & Lomb. Базируются на симметрии, чтобы сгладить кривизну поля и уменьшить аберрации, с объединёнными положительными и отрицательные элементами, мениски вогнуты к центру и устанавливаются с пробелами между элементами, они не закреплены намертво. 

Преимущества: более широкая дырка, чем у других объективов, особенно важно для тех объективов у которых элементы расположены не симметрично.
Недостатки: имеют тенденцию к сферическим аберрациям и астигматизму. По началу их разрешающая способность была очень низка.

 
Две производные от объектива системы Гаусса

В 1920-х дизайнер Тейлор Хобсон считал, что объектив не должен быть идеально симметричным и начал изменять тип стекол и элементы, что позволило ему создать объектив OPIC с относительным отверстием F:2, который в свою очередь привел к развитию таких объективов, как Schneider Xenon и Zeiss Biotar. В мире кино стекла Cooke Speed Panchro, Angenieux S-type и производные объективов Planar. Вторая производная от объектива Гаусса имеет уже 6 элементов, этого достаточно для диафрагмы f2.0, более широкая дырка требует 7-го элемента или 8-го, которые снижают аберрации и астигматизм. Если Вы снимаете крутыми объективами с широкой апертурой, то все шансы что они созданы по конструкции Гаусса. 
 
Спустя всего пять лет, в 1925 году, Альбрехт Тронниер (Albrecht Wilhelm Tronnier) из Schneider Kreuznach рассчитывает Ксенон (Xenon). А ещё через два года (1927 год) Вилли Мертэ (Willy Merté) из Carl Zeiss разрабатывает линейку фото- и киносъёмочных Биотаров (Biotar). Эти объективы, отличавшихся заметным отступлением от симметрии, и имевшие в заднем компоненте, сравнительно «толстую», плоско-выпуклую (Xenon) или двояко-выпуклую (Biotar) линзу, в свою очередь послужили базой для многочисленных модификаций. К 1930 году Хорес Ли (Horace William Lee) рассчитывает шестилинзовый Speed Panchro, ставший одним из лучших объективов 1930-х — 1940-х годов. 
 
Leica 50mm f/0,95

Объективы Leica 50mm f/0,95, Canon 50mm f/1.0 и легендарный Zeiss 75mm f/0.85 являются конструкций такого типа. Многие объе-ктивы Summarits Leica, Summicrons и Noktilux, почти каждый полтинник, сделанный любым производителем, а также множество других современных объективов, это в основном измененный Planar.

Если у Вас есть полтос или 85-ка, скорее всего - это объектив созданный по системе двойных линз Гаусса. Посмотрите ниже, приведены несколько очевидных примеров из современных объективов. Два объектива на левом фланге являются Canon 50mm f/1.4 (вверху) и f/1.2 (внизу). В центре находятся 50 мм f/1.4 объективы от Sigma (вверху) и Nikon (внизу). В каждом из них Вы уловите сходство центральных элементов, и они похожи на OPIC (Тейлора Хобсона) - и конечно друг с другом. Дизайнеры изменяли кривые элементов, тип стекла, и всячески уменьшали аберрации природных линз по разному. Объективы, не основанные на линзах Гаусса, на правой верхней части рисунка расположен 24мм, а в нижней правой - 135мм.

Не удивительно, что каждая из 50-мм линз имеет некоторые общие характеристики (нечеткую картинку в центре, немного кривое поле, по краям астигматизм и др.). Объективы 24 мм и 135 мм, как видно на картинке, получили наследие от различных типов объективов, которые совершенно очевидно видны, если сравнить их схемы.
 
Четыре светосильные линзы 50 мм (слева) по сравнению с 24 мм f/2.8 (справа вверху) и 135mm f/2 (внизу справа). 

Телеобъективы –  были разработаны одновременно в 1880-х годах известными британскими и немецкими оптиками. Существует легенда, что первые телеобъективы использовали днище от бутылок виски. Конечно, они были не высокого качества, но в 1920-х годах добавление дополнительных двояковыпуклых элементов с низкой дисперсии стекла к заднику объектива с воздушным пространством, может уменьшить искажения и уменьшить хроматические аберрации. Эти усовершенствования значительно повысили качество теле объективов.

 
 Zeiss Tele-Tubus 

Создатели объективов начали быстро исправлять свои же ошибки, одним из первых объективов на новой системе линз был Zeiss Tele-Tubus 1901 года. Система - передние положительные, задние отрицательные, но с уменьшением контраста - так и не могли бороться, склеенные элементы не могли противостоять свету, специальные покрытия для стекла изобрели позже. Все телеобъективы имеют одинаковую структуру: мощный передний положительный элемент и отрицательные задние, которые распространяют сфокусированный луч света и увеличивают изображение.

Преимущества: телеобъектив!
Недостатки: искажения; группа линз в телефото уменьшает количество света, который должен достичь сенсора, и эта группа линз не обладает естественным широким отверстием. Преодолеть их можно только путем увеличения передней линзы. Основная проблема телефото - продольная хроматическая аберрация. Отрицательный задний элемент усиливает любые аберрации и особенно хроматические. Теряет цвета во всем RGB-спектре, что делает изображение с размытым фоном – бокэ. Именно по этой причине все телеобъективы высокого качества имеют одну или несколько линз с низкой дисперсией.

Посмотрите внимательней на современные телефотообъективы: простые положительные и отрицательные элементы всегда разделены на несколько отдельных элементов, иногда с парой дополнительных элементов для контроля аберраций (теперь есть антибликовое покрытие линз, нет никакой необходимости, чтобы они были закреплены намертво, как в прошлом). Есть и дополнительные линзы для уменьшения задних искажений, но базовая конструкция все та же: положительные (выпуклые) элементы в передней, отрицательные (вогнутых) элементы в задней части объектива.

Три схемы телеобъективов - положительный фронт, отрицательный тыл и использование низкодисперсных линз (цветные) в положительных элементах

Обратный телефотообъектив (ретрофокус) -  был впервые разработан в 1920 г. для киноиндустрии, которая требовала объективы с длинным бэк фокусом (расстояние от задней линзы до датчика). 

Достоинства: дает более короткое широкоугольные фокусное расстояние, относительно высокая диафрагма с широким углом, минимальное виньетирование и редко имеет сферические аберрации.
Недостатки: кривизна поля в фокусе, аберрации фокуса. Боковые хроматические аберрации на широких углах требуют дополнительных элементов, чтобы исправить все проблемы. Искажения бывают полезны, если мы используем обратное теле фото в виде конструкции рыбий глаз с очень широким полем обзора. Ретрофокус обычно больше стандартного объектива.

 


Схема оригинального Angenieux ретрофокус-объектива показывает отрицательный элемент в передней части, положительный в тылу и несколько корректирующих элементов между ними

Когда зеркальные камеры были впервые выпущены в 1930-х годах, не было никаких широкоугольных объективов, потому что зеркальная камера требует задней линзы, расположенной достаточно далеко от плоскости байонета, чтобы обеспечить опрокидывание зеркала во время экспозиции. В ранних зеркальных фотокамерах использовать линзы с ФР до 40 мм. 
 

Поперечное сечение камеры Exacta SLR 1940 года, демонстрирует заднюю линзу (зеленая стрелка), которая должна быть на достаточном удалении от зеркала (красная стрелка), чтобы работал подъем зеркала в момент съемки

Сегодня любой объектив для SLR 40 мм шире оригинального ретрофокус-объектива. Негативные элементы передней почти всегда согнуты в формы мениска, их обычно два или более. Форма мениска помогает исправить кривизну поля и некоторые аберрации. Существует, как правило, два или более позитивных элемента в задней части объектива, с несколькими другими элементами между ними. Почти каждый современный, высококачественный широкоугольный  обратный телеобъектив будет иметь, по крайней мере, один асферический элемент.
Вы можете видеть из трех приведенных примеров, ретрофокус объективы, становятся сложнее и их фокусное расстояние становится шире.
 
Три ретрофокус-объектива от Canon. 35 мм f/1.4, 24 мм f/1.4 и 14mm f/2.8

Часть элементов необходима не только для формирования изображения, но для исправления аберраций другая часть Число элементов и сама конструкция объясняет нам, почему 24 мм f/1.4, как правило, более дорогие и физически больше, чем 50 мм f/1.4. Посмотрите на разрезе объектив Zeiss 21mm f/2.8 ниже. Обратите внимание не только на число элементов, но на несколько групп, прокладок и прочее. Сложно не заметить, что некоторые элементы не лежат четко по центру, а некоторые наклонены. Широкоугольные объективы - сложный продукт, в котором главное резкость тонких и мелких деталей на широком угле.

 
Разрез объектива Zeiss 21mm f/2.8 объясняет его высокую стоимость


Объективы Триплет. Дэннис Тейлор разработал триплет-линзы в 1890-х годах, и они были произведены компанией Тейлор Хобсон, как и многими другими производителями. Триплет - простейшая конструкция, которая может исправить все 7 основных аберраций.  Деннис Тейлор понял одно из преимуществ его линз, что их очень просто сделать в разных фокусных расстояний. Перемещение центрального элемента ближе к передней или задней линзе и дало так называемый точный зум. Разделение переднего и заднего элемента триплета увеличили апертуру и привели к уникальным продуктам Zeiss Sonnar и Leitz Elmar. Большинство оригинальных объективов Leica были модификациями триплета. Триплеты были установлены в подавляющее большинство видео камер, и мыльниц. Даже сегодня объективы с ФР от 50 до 150 мм сохраняют триплет основу, хотя передние и задние элементы, как правило, разделены или изменены. За долгие годы более чем 80 различных патентов было выдано на изменённый дизайн линз триплета.  

 
Объектив системы Триплет

Достоинства: простой и недорогой в производстве. Дает достаточно хорошее исправление всех аберраций. Светосильные элементы требуют очень точной настройки и жесткие производственные допуски. 

На протяжении 1900-х годов классический триплет заменяют другими типами объективов для зеркальных фотокамер. Тем не менее, триплет породил гораздо больше вариаций объективов, чем все вместе взятые другие системы линз. 
 
Перемещение центрального элемента ближе к передней или задней линзе и дало так называемый точный зум

Зум-объектив предназначен для различных фокусных расстояний. Хотя патент был выдан в 1901 году для триплетного объектива с подвижным центральным элементом, который дал миру зум эффект и официальное название «регулируемый объектив», нужно было повысить точность изменения фокусного расстояния. В 1930-х годах компания Тейлор Хобсон (изготовитель триплета) выпустила видеообъектив  Varo, который объединил отрицательный элемент передний (обратный телефото), отрицательный элемент задний (как у телефото), а в центре был размещен двойной Гаусс-объектив (похож на центральный элемента триплет). Перемещая центр линзы по отношению к передним и задним элементам, объектив мог изменить ФР с 40 мм до 120 мм. Varo был размещена в квадратном корпусе из алюминия и весил 7 фунтов. Такую бандуру, конечно, не возможно было с собой таскать. Прошло 20 лет и в 1950 г. Voigtlander выпустил первый зум-объектив для зеркальных камер, Zoomar 36-82мм.

 
Первый SLR зум-объектив

Глядя на сложные конструкции современных зум объективов, довольно трудно увидеть их наследие, но иногда можно. Генеалогию широкоугольного зума легче всего увидеть: он должен быть обратным телеобъективом. Действительно, большинство широкоугольных зумов похожи, так как у них обратная конструкция телефото, с отрицательными элементами передними и положительными элементами задними. У них также разделены передние, центральные и задние группы линз, что позволяет использовать их для увеличения (группы сдвигаются по отношению друг к другу).
 
Nikon 14-24, Sigma 8-16 и Tamron 16-35 – ретрофокусное наследие

Широкоугольные зумы -  с обратным телефото - склонны к искажению и другим аберрациям, в них, скорее всего, есть несколько асферических элементов, которые исправляют ситуацию. Ну и конечно, они будут иметь элементы с низкой дисперсией для контроля хроматической аберрации. У всех телеобъективов есть двояковыпуклые линзы в одной из задних групп, чтобы бороться с искажениями.
 
Tamron 200-500, 120-300 Sigma и Nikon 80-400 - телефото зумы

Стандартный зум диапазон 24-70, как правило, имеет конструкцию обратного телефото, с отрицательными передним и задним положительным элементом. Лучшие из них содержат асферические элементы с низкой дисперсией.
 
Никон (слева) и Canon 24-70, отрицательный фронт и положительный задний, асферические элементы с низкой дисперсией необходимые для стандартного зум объектива

Суперзумы, от 10х и выше, созданы при помощи компьютера, тут идет явное смешение всех технологий, для того чтобы создать устройства повышенного класса качества. Определить происхождение таких объективов довольно сложно, но некоторые элементы поддаются анализу, такие как ретрофокус.
 
Суперзумы: Nikon 28-300, Tamron 18-270 и Canon 18-200 - все имеют положительный фронтальные и положительные задние линзы

Сегодня объективы разрабатывают при помощи компьютерных программ, но вы, как и я, наверное, были удивлены, обнаружив что практически все они сделаны не "с нуля". Конструкторы начинали с существующего объектива и дорабатывали его. 
 
И какими бы сложными компьютерными программами не разрабатывались новые типы объективов, они будут построены на тех же принципах, что и объективы в прошлом. Поэтому всегда Ваш зум объектив будет иметь все те же искажения на широком и длинном "концах" зума, что и спроектированный десятилетия назад обратный телефото.  
 
Надеюсь, наш рассказ не сильно утомил вас и был познавателен. Всего вам фотографического и до встречи в залах нашего фотомузея dphotoworld.net!


Читайте также:
Комментарии
avatar