ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ОПТИКА

Объективом назовем оптическую систему, образующую проективное изображение плоских или протяженных предметов на плоскол (иногда искривленной) поверхности приемника: фотографическом слое, фотокатоде телевизионной трубки или электронно-оптического преобразователя и т. п.

Оптические системы приборов как визуальных, предназначенных для совместной работы с глазом наблюдателя (микроскопы, зрительные трубы), так и объективных, предназначенных для работы с различными приемниками оптических изображений или световых сигналов, содержат объектив, оптические характеристики которого зависят от назначения и условий работы оптического прибора.

Развитие современной техники автоматического наблюдения, контроля и фиксации изображений или световых сигналов имеет тенденцию автоматизировать оптические приборы, заставив их работать без участия глаза человека. В подобных приборах решающим оптическим элементом подчас оказывается объектив. Тем большее значение приобрета-тают проблемы создания и совершенствования объективов различного назначения. Объективостроение становится одним из центральных разделов прикладной оптики.

Трудности разработки современных высококачественных объективов определяются прежде всего тем, что, в отличие от некоторых других классов оптических систем, объектив обычно корригируется в отношении всех аберраций. Корригируются аберрации, определяющие качество оптического изображения в центральной области поля, - сферическая и . хроматическая, сферохроматическая и вторичный спектр, аберрация комы; аберрации, влияющие на качество изображения в пределах всего поля зрения, - астигматизм и кривизна поверхности изображения, монохроматические и хроматические аберрации широких наклонных пучков лучей, расположенных как в меридиональном, так и во внемеридиональном сечениях. Решение последней задачи, требующей выполнения большого объема вычислений, оказалось особо эффективным и возможным благодаря применению электронных быстродействующих цифровых вычислительных машин (ЭВМ).

Предположим, что объектив является идеальным, т. е. безаберрационным. Даже в этом случае изображения объективом в плоскости приемника различных частей пространства предметов приводят не только к некоторой неустранимой нерезкости изображений предметов, расположенных на различных расстояниях, но и к специфическим остаточным искажениям изображений, являющимся причиной неполного соответствия впечатлений, получаемых от рассмотрения изображений, образуемых объективом, и непосредственного визуального наблюдения тех же предметов в натуре.

Объектив образует на плоском светочувствительном слое приемника обычно уменьшенное перспективное изображение части пространства, в котором расположены объекты разных размеров и на различных расстояниях. Из возможных способов изображения пространства объектив дает, по-видимому, наиболее простое и наглядное решение - он образует перспективное изображение пространства. При этом характерно уменьшение масштаба изображения по мере увеличения расстояния до предметов. Как известно, о размерах предметов мы судим по тому углу, под которым они видны: предмет виден под большим углом, когда он находится вблизи, и под малым углом - при значительно^ удалении.

Чтобы по плоскому перспективному изображению получить правильное представление об изображаемом пространстве, необходимо рассматривать рисунок из той точки, в которой был расположен при съемке центр выходного зрачка объектива: в этом случае угловые размеры всех деталей изображения будут такими же, какими они были при непосредственном наблюдении пространства предметов из так называемого центра проекции - точки, в которой при съемке располагался центр входного зрачка объектива. Если же изображение с негатива, как это часто имеет место в малоформатной фотографии, печатается с увеличением, то расстояние до рисунка при его наблюдении должно быть увеличено соответственно кратности увеличения негатива при печати. В противном случае будет некоторое перспективное искажение изображаемого пространства, т. е. не вполне правильное восприятие пространственных соотношений между отдельными частями изображаемого пространства.

Нетрудно сообразить, что при заданном положении центра проекции каждому предмету соответствует определенная перспектива, однако одной и той же перспективе может соответствовать не один, а несколько удаленных предметов, различающихся формами и размерами. Следовательно, правильное представление о соотношении видимых форм, размеров и взаимном расположении отдельных частей изображенного пространства можно получить при рассмотрении плоского перспективного изображения не только из центра перспективы, но если при этом известен хотя бы один из изображенных предметов; в последнем случае представляется возможным опознать истинные размеры изображенного.

ГЛАВА I

СВОЙСТВА ИДЕАЛЬНОГО ОБЪЕКТИВА

Рассмотрим основные оптические и фотометрические свойства идеального объектива и особенности образования им перспективного изображения.

§ 1. ОБЛАСТЬ ПАРАКСИАЛЬНОЙ ОПТИКИ

Теория оптических приборов в основном построена на законах геометрической (лучевой) оптики. Однако отдельные вопросы могут быть правильно объяснены только на основе физической (волновой) оптики; к ним относятся вопросы, связанные с явлениями интерференции и дифракции света, с поглощением света в прозрачных средах и т. д.

Задача геометрической оптики в узком смысле заключается в указании простейших способов определения хода лучей световых пучков через оптическую систему и путей расчета и проектирования новых оптических систем, удовлетворяющих поставленные заранее требования; в последнем - практическое значение этой отрасли прикладной физики.

Положения и следствия геометрической оптики основываются на известных теоремах геометрии и на пяти экспериментально установленных физических законах. Последние исходят из понятия светового луча и касаются законов его распространения.

В геометрической оптике световым лучом иногда называют линию, вдоль которой распространяется световая энергия. Однако если ввести такое представление, то объемная плотность этой энергии окажется бесконечно большой и световой луч в таком понимании в действительности существовать не может.

Процесс переноса световой энергии протекает в пространстве, которое назовем световым полем. Физический световой луч в световом поле имеет поперечные размеры - является некоторой световой трубкой. Под световой трубкой будем понимать часть светового поля, ограниченного боковой линейчатой поверхностью и бесконечно малыми поперечными сечениями dS4 и dS2 в любом месте трубки, образованной