Akademik

ОБЪЕКТИВ

ОБЪЕКТИВ: (от лат. objectus — предмет), обращённая к объекту часть оптич. системы или самостоят. оптич. система, формирующая действительное изображение оптическое объекта. Это изображение либо рассматривают в окуляр, либо получают на плоской (реже на искривлённой) поверхности фотогр. светочувствит. слоя, фотокатода передающей телевиз. трубки или электронно-оптического преобразователя, матового стекла или экрана. Конструктивно О. делятся на три класса: наиб. распространённые линзовые (рефракторы, диоптрические) , зеркальные (рефлекторы, катоптрические), зеркально-линзовые (катадиоптрические; подробно о них см. в ст. (см. ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЕ СИСТЕМЫ)). По назначению О. разделяют на: О. зрительных труб и телескопов, к-рые дают уменьшенное изображение; О. микроскопов, дающие увеличенное изображение; фотогр. и проекц. О., дающие в зависимости от конструкции и способа применения уменьшенное или увеличенное изображение.

Важнейшими оптич. хар-ками О. являются: фокусное расстояние, к-рое при заданном удалении объекта от О. определяет увеличение оптическое О.; диаметр входного зрачка О.; относительное отверстие и выражающаяся через него светосила О.; поле зрения О. Кач-во формируемого О. изображения характеризуется разрешающей способностью О., коэфф. передачи контраста, коэффициентами интегр. и спектр. пропускания света, коэфф. светорассеяния в О., падением освещённости по полю изображения.

Объективы зрительных труб и телескопов. Расстояние до объектов, рассматриваемых в зрит. трубы и телескопы, предполагается очень большим. Поэтому объекты характеризуют не линейными, а угл. размерами. Соответственно хар-ками О. данной группы служат угл. увеличение g, УГЛ. разрешающая способность а и угол поля зрения 2w=2w'/g, где 2w' — угол поля зрения следующей за О. части оптич. системы (обычно окуляра). В свою очередь g=f1/f2, где f1 — фокусное расстояние О., f2 — переднее фокусное расстояние последующей части системы. Разрешающая способность О. в угл. секундах определяется по ф-ле: a"=120"/D, где D — выраженный в мм диаметр входного зрачка О.

О. измерит. и наблюдат. зрит. труб и геодезич. приборов имеют входные зрачки диаметром неск. (см. МАЛАЯ ВЕЛИЧИНА ПОЛЯ ЗРЕНИЯ) (не более 10— 15°, обычно меньше) большинства зрит. труб позволяет использовать О. сравнительно простых конструкций; напр., линзовые О. состоят, как правило, из двух склеенных линз (в них исправляют лишь сферическую аберрацию и хроматическую аберрацию), Менее употребительны О. из трёх и более линз, в к-рых устранены также кома и нек-рые др. аберрации оптических систем. С 70-х гг. 20 в. в геодезич. приборах начали использоваться менисковые системы. Относит. отверстия О. наблюдат. труб и геодезич. приборов варьируют в широких пределах (примерно от 1 : 20 до 1 : 5).

Диаметры линзовых и зеркально-линзовых О. телескопов =0,5—1 м (макс. D=l,4 м). В телескопах-рефракторах используются двухлинзовые О. (также с исправлением лишь сферич. и хроматич. аберраций); в астрографах, предназначенных для фотографирования звёздного неба,— трёх- и четырёхлинзовые О.; в астрографах, как правило, исправляются все аберрации, за исключением кривизны поля. Угол поля зрения О. астрографов достигает 6°; у двухлинзовых О. рефракторов он обычно тем меньше, чем больше их диаметр, составляя у самых больших менее 1°. Относит. отверстия больших рефракторов 1 : 20 — 1 : 10, у астрографов они больше и доходят до 1 : 1,4— 1 : 1,2. В телескопах, построенных по т. н. системе Шмидта, и в менисковых системах Максутова поле зрения достигает 5° при относит. отверстии = 1 : 3. Наибольший О. зеркального телескопа (рефлектор с параболич. зеркалом (БТА) Спец. астрофиз. обсерватории АН СССР на Сев. Кавказе) имеет D=6 м. Поле зрения О. самых больших рефлекторов не превышает неск. угл. минут; у О. рефлекторов, построенных по т. н. системе Ричи — Кретьена (с гиперболическим гл. зеркалом), поле зрения доходит до 1°. Аберрации подобных О. (кроме хроматических и сферических) значительны и исправляются введением дополнительных (коррекционных) линз и зеркал, т. н. компенсаторов.

К астр. О. относятся также О., применяемые в системах наблюдения за ИСЗ и для фотографирования метеоров. В них исправляются все аберрации, за исключением кривизны поля.

Фотографические объективы (к ним относятся и О., применяемые при киносъёмке и репродуцировании) отличаются от О. зрит. труб тем, что формируемые ими изображения должны быть резкими до края фотоплёнки (или иного приёмника), размеры к-рой могут быть сравнительно велики. Поэтому угол поля зрения резкого изображения у таких О. значительно

Рис. 1. Линзовые фотографические объективы .

больше, чем у О. зрит. труб и телескопов. Чтобы добиться резкости и высокого контраста неискажённого плоского изображения при больших углах поля зрения, необходимо тщательно исправлять все осн. аберрации, что усложняет О. На рис. 1 приведено неск. схем наиб. типичных линзовых фотообъективов.

По назначению фотогр. О. разделяют на О., используемые в любительской и профессиональной фотографии и кинематографии, репродукционные, телевизионные, аэрофото-съёмочные и др., а также О. для невидимых областей спектра — ИК и УФ. Среди О. одного и того же назначения различают нормальные (универсальные), светосильные, широкоугольные и длиннофокусные (телеобъективы). Наиболее распространены нормальные О., обеспечивающие резкое плоское изображение при умеренно больших относит. отверстии и поле зрения. Их фокусные расстояния =40—150 мм, относит. отверстия 1:4—1:1,8, угол поля зрения для О. с фокусным расстоянием =50 мм ок. 50°. Светосильные О. имеют относит. отверстия от 1:1,8 до 1:0,9. Угол поля зрения широкоугольных О. превышает 60° и доходит у нек-рых из. них до 180° (напр., показанный на рис. 1 объектив Гилля имеет поле зрения 180° при относит. отверстии 1 : 22). Особенно важную роль такие О. играют в аэрофотосъёмке. Фокусные расстояния широкоугольных О. обычно от 100 до 500 мм; их относит. отверстия характеризуются ср. и малыми значениями (1 : 5,6 и ниже). В них трудно исправлять такие аберрации, как дисторсия, кривизна поля и астигматизм. Значит. искажения эффекта перспективы характерны для изображений, формируемых такими О.

К длиннофокусным относят фотогр. О. с углом поля зрения обычно менее 30° и значениями фокусных расстояний =100—2000 мм. Такие О. применяют для съёмки удалённых объектов в крупном масштабе; их относит. отверстия не превышают 1:5,6—1:4,5.

Широко применяются т. н. панкратические О. с переменным фокусным расстоянием (таковы мн. киносъёмочные О.); изменение этого расстояния осуществляется перемещением отд. компонент О., при к-ром его относит. отверстие обычно остаётся неизменным. Подобные О., в частности, позволяют менять масштаб изображения без изменения положения объекта и плоскости изображения (при смещении компонент О. и изменении его фокусного расстояния меняется положение главных плоскостей О.; (см. КАРДИНАЛЬНЫЕ ТОЧКИ). По оптико-коррекционным св-вам панкратич. О. делятся на: 1) варио-объективы, оптич. схема к-рых корригируется в отношении всех аберраций как единое целое; 2) трансфокаторы — системы, состоящие из собственно О. и устанавливаемой перед ним афокальной насадки, аберрации к-рой исправляются отдельно. Получение изображений высокого кач-ва в панкратич. О. достигается за счёт увеличения числа линз и компонент. Такие О.— сложные системы, состоящие из 11—20 линз. Для уменьшения потерь света совр. фотогр. О. просветляют (см. ПРОСВЕТЛЕНИЕ ОПТИКИ).

Проекционные О. однотипны с фотографическими и отличаются от них в принципе лишь обратным направлением лучей света. Из них выделяют О. для диапроекции в проходящем свете и О. для эпипроекции в отражённом свете (см. ПРОЕКЦИОННЫЙ АППАРАТ). Особую подгруппу, также относимую к фотообъективам, составляют репродукционные О., применяемые для получения изображений плоских предметов, чертежей, карт и т. п. Проекционные О., репродукционные О. и фотообъективы в случаях, когда они расположены близко к объекту, характеризуют не угловым, а линейным увеличением (масштабом изображения в собственном смысле), линейными размерами поля зрения и числовой апертурой. В этом отношении они сходны с О. микроскопов.

Объективы микроскопов всегда находятся в непосредств. близости от объекта. Их фокусные расстояния невелики: от 30—40 мм до 2 мм. К основным оптич. хар-кам О. микроскопов относятся: числовая апертура А, равная n1sih1, где n1 — показатель преломления среды, в к-рой находится объект, u1 половина угла раствора светового пучка, попадающего в О. из точки объекта, лежащей на оптич. оси О.; линейное увеличение b; линейные размеры 2l поля зрения, резко отображаемого О.; расстояние от плоскости объекта до плоскости изображения. Значением А определяется как освещённость изображения, прямо пропорциональная А2, так и линейный предел разрешения микроскопа, т. е. наименьшее

Рис. 2. Типичная оптич. схема объектива микроскопа.

различаемое расстояние на объекте. Если объект находится в воздухе (n=1, «сухой» О.), то А не может превышать единицы (фактически не более 0,9). Помещая объект в сильнопреломляющую (n>1), т. н. иммерсионную, жидкость, примыкающую к поверхности первой линзы О., добиваются того, что А достигает значений 1,4—1,6 (см. ИММЕРСИОННАЯ СИСТЕМА). У совр. микроскопов b доходит до 90—100; полное увеличение микроскопа Г=bГ', где Г' — угл. увеличение окуляра. Линейное поле зрения 2l связано о диаметром D диафрагмы поля зрения окуляра соотношением 2l=D/b. По мере увеличения A и b растёт сложность конструкции О., т. к. требования к кач-ву изображения очень велики: разрешающая способность О. практически не должна отличаться от разрешающей способности для идеального (безаберрационного) О. Этому условию удовлетворяют конструкции наиб. совершенных О. микроскопов — т. н. планахроматов и планапохроматов. На рис. 2 показана типичная схема планапохромата.

Особые группы О. составляют: О. спектральных приборов, во многом близкие фотообъективам; спец. О. для использования с лазерами и т. д.

ОБЪЕКТИВ

(от лат. objectus - предмет)- оптич. система (или её часть), обращённая к объекту наблюдения или съёмкии создающая реальное, повёрнутое на 180° относительно объекта изображение. В зависимости от типа используемых оптич. деталей О. разделяют на линзовые, зеркальные, зеркально-линзовые и киноформные. Наиб. распространение получилилинзовые О., обладающие широкими возможностями для получения разнообразныххарактеристик, что достигается увеличением кол-ва линз. Преимуществом зеркальныхО. является принципиальное отсутствие хроматических аберраций и, как следствие, возможность использования для работы в области спектра, ограниченной лишь отражающей способностью зеркальных покрытий. Принципиальныйнедостаток зеркальных и зеркально-линзовых О. - экранирование (затенение)центр. части входного зрачка, за счёт чего ухудшается качество изображенияи возникают дополнит. потери света. В киноформных О. наряду с линзами изеркалами или без них используются киноформы - синтезиров. фазовыеголограммы, аналогичные по своим аберрац. свойствам в монохроматич. светелинзам с асферич. поверхностями. Хроматич. аберрации киноформов не зависятот свойств материала, из к-рого они выполнены, а определяются (аналогично дифракционным решёткам )пространственной частотой структуры и спектральнымдиапазоном. Необычные дисперсионные свойства киноформов позволяют в сочетаниис линзами, выполненными из обычных марок, оптических стёкол, получатьО. апохроматы, обладающие лучшим качеством изображения и более простойконструкцией, чем аналогичные О., содержащие кристаллич. среды и особыемарки оптич. стекла. Применение киноформных О., не содержащих обычных линзи зеркал, возможно лишь в сочетании с лазерами, обладающими высокой монохроматичностью.
Фотографический О. или аналогичные О. киносъёмочных и телевизионных камер, приборов ночного видения, тепловизоровсоздают преим. уменьшенные изображения удалённых объектов на слое светочувствит. материала или на фотоэлектрич. приёмнике - телевизионной трубке, матрицеили линейке фотоприёмников, фотокатоде электронно-оптич. прибора. Масштабизображения пропорционален f' - фокусному расстоянию О., а освещённостьобратно пропорц. квадрату диафрагменного числа К (К= f'/D, где D- диам. входного зрачка). Величину 1/К наз. относительным отверстием, а её квадрат - светосилой. Предельное значение диафрагменного числа, при к-ром возможно исправление аберраций, составляет K = 0,5, реальнодостигнутые значения K0,6,подавляющее большинство фотогр. О. имеют 3 > К 1,2.Фотогр. разрешающая способность N_ф фото- и кинообъективовзависит от коррекции аберраций, а также от разрешающей способности N_c светочувствит. слоя и может быть вычислена по приближённой ф-ле 1/N_ф1/N₀+ 1/N_c, где N₀ - визуальная разрешающаяспособность О. Для совр. фотообъективов N_ф достигает50 мм ^-1 в центре поля и 30 мм ^-1 для края при съёмкена фотоплёнке КН-1 (кинонегатив). Часть пространства или плоскости, точкик-рой изображаются О. с требуемым качеством, характеризуются угловым полем- плоским углом соответствующим телесному углу, соосному с оптич. осью и вершиной в центревходного зрачка. Угл. поле О. совр. фотоаппаратов составляет от 40° до70°, аэрофотосъёмочных О. достигает 140°. На рис. 1 представлена оптич. схема совр. О. "Минитар" (f' = 32 мм, К =2,8;=68°) малогабаритного фотоаппарата с форматом кадра 24 мм X 36 мм. О. телевизионныхкамер и приборов ночного видения не отличаются принципиально от фотообъективов. В О. тепловизоров, работающих в дальней (8 - 14 мкм) ИК-области спектра, используются оптич. материалы, обладающие показателями преломления .2 (германий, селенид цинка, халькогенидные стёкла), что позволяетуменьшить кол-во линз по сравнению с аналогичными по характеристикам О. для видимой или ближней ИК-областей спектра. Малая дисперсия Ge позволяетсоздавать О., все линзы к-рых выполнены из этого материала, не принимаяспец. мер для устранения хроматич. аберраций. Использование асферич. поверхностейгерманиевых линз позволяет сократить кол-во линз в О., имеющих К 1,5,до двух.

О. микроскопа - важнейшая часть его оптич. системы, создающая увелич. изображение объекта наблюдения в передней фокальнойплоскости окуляра. Масштаб изображения обратно пропорционален фокусномурасстоянию О. и составляет примерно от 1,5 до 100 крат. Предел разрешениямикроскопа - мин. расстояние между центрами светящихся точек объекта, видимых раздельно, определяется дифракц. явлениями в О. и вычисляется по ф-ле где А - числовая апертура О., равная произведению показателя преломлениясреды, находящейся между объектом и О., на синус апертурного угла. ДляО. микроскопов 0,03 А 1,4;диаметр поля изображения - от 18 мм до 32 мм. Простейшие О. микроскоповсоздают изображение, обладающее значит. кривизной, в результате чего припереходе от наблюдения центр. части поля к его краям необходима перефокусировка.
При фотографировании диаметр резкого изображениясокращается до 6 - 10 мм. Кривизну изображения в т. н. план-объективахустраняют существ. усложнением конструкции: на рис. 2 представлена схемавысокоапертурного ( А= 1,25) планахроматич. О. для металлографич. микроскопа.

Особую группу образуют панкратические О.(иногда неточно наз. трансфокаторами), фокусное расстояние к-рыхможет плавно изменяться в широких пределах путём перемещения отдельныхлинз или групп их вдоль оптической оси. Такие О. применяются в цветныхпередающих камерах телевидения, в кино- и видеокамерах, а также и в фотоаппаратах. Соотношение между макс. и мин. значениями фокусного расстояния достигает40 у О. телекамер, (6 - у О. кино- и видеокамер, 3 - у фотогр. О. Кол-волинз в панкратич. О. доходит до 30. Для уменьшения потерь света совр. О. просветляют (см. Просветление оптики).
О. зрительных труб, биноклей и телескоповсоздают промежуточное изображение удалённых объектов в передней фокальнойплоскости окуляра. При диаметрах О., не превышающих 100 мм, наиб. распространённымявляется О., состоящий из двух склеенных линз. При больших диаметрах линзыне склеиваются. Начиная с диам. 500 - 800 мм используются зеркальные О.,что обусловлено трудностями в получении однородных по показателю преломлениякрупных заготовок оптич. стекла. Макс. диаметр (6 м) имеет О. телескопаСпециальной астр. обсерватории АН СССР на Северном Кавказе. Диафрагменныечисла О. телескопов, как правило, К 3;угл. поля предел разрешения - мин. угол (всекундах) между светящимися равнояркими точками (напр., звёздами), к-рыевидны раздельно, определяется по ф-ле:=140/D, где D измеряется в мм.
Проекционные О. создают увелич. изображенияплоских объектов (кинокадров, слайдов, микрофильмов, кинескопов телевизоров)на отражающих и иросветных экранах. Оптич. системы этих О. аналогичны фотогр. О., но обычно обладают меньшими угл. полями и меньшими диафрагменными числами( К 1,8).
Репродукционные О., используемые в репрографиии для фотолитографии при произ-ве микроэлектронных схем, создают уменьш. изображения плоских оригиналов чертежей, текстов, рисунков, шаблонов; обладаютповышенной разрешающей способностью, определяемой дифракцией и достигающей1500 мм ^-1 для фотолитографич. О. и 150 мм ^-1 для репрографич. О.

Столь высокие значения достигаются у первыхза счёт существенного усложнения оптич. системы, у вторых за счёт сравнительномалых угл. полей и числовой апертуры. Оптическая схема О. для фотолитографиис разрешением ~ 1000 мм ^-1 на поле диам. 14 мм представлена нарис. 3.

Лит.: Тудоровский А. И., Теорияоптических приборов, 2 изд., ч. 1 - 2, М. - Л., 1948 - 52; Слюсарев Г. Г., Методы расчета оптических систем, 2 изд., Л., 1969.

А. П. Грамматин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.