Как работает объектив

Начнём с того, что внутри. Перед вами стандартный объектив 50 мм f/2, собранный по классической схеме «двойной Гаусс»: шесть линз в четырёх группах, как у знаменитых Planar и «Гелиоса‑44». Модель можно вращать, разрезать пополам и разобрать на части. Лучи на ней не нарисованы на глаз: их ход рассчитан через все десять стеклянных поверхностей.

Покрутите кольцо фокусировки: оптический блок выезжает вперёд, и лучи от близкого предмета снова сходятся на матрице. Закройте диафрагму, и пучок света сузится. Шесть линз работают как одна: сводят лучи от каждой точки сцены в точку на матрице. Остальное в объективе нужно, чтобы держать линзы точно на своих местах и двигать их. Дальше по шагам разберёмся, почему это вообще работает.

Каждая точка шерсти кота рассеивает свет во все стороны: от кончика уха лучи летят и вверх, и вниз, и прямо к вам. Если поставить перед котом голую матрицу, на каждый её пиксель попадёт свет сразу от всех точек кота, от неба и от травы. Получится ровная засветка, а не картинка.

Самый простой способ навести порядок: спрятать матрицу в коробку и проделать в стенке маленькое отверстие. Теперь от каждой точки кота внутрь проходит только тонкий пучок, и он падает в своё место на задней стенке. Лучи от уха идут через отверстие вниз, от лап вверх, поэтому изображение получается перевёрнутым. Так устроена камера-обскура, по-латыни «тёмная комната».

Это главный компромисс камеры-обскуры. Чтобы картинка была резкой, отверстие должно быть крошечным, а значит, света проходит мало, и снимать приходится секундами и минутами. Совсем маленькое отверстие тоже не годится: свет начинает огибать его края, и резкость снова падает. Это дифракция.

Нужно устройство, которое пропустит широкий пучок света и всё равно сведёт его в одну точку. Нажмите «Вставить линзу» на рисунке: отверстие можно открыть широко, а изображение останется резким.

В стекле свет движется медленнее, чем в воздухе, примерно в полтора раза. Это отношение называют показателем преломления n. Когда луч входит в стекло под углом, он меняет направление, то есть преломляется. Углы связывает закон Снеллиуса: n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂. Углы отсчитывают от нормали, линии, перпендикулярной поверхности.

Линза — это стекло с изогнутыми поверхностями. У края выпуклой линзы поверхность наклонена сильнее, чем в центре, поэтому крайние лучи отклоняются сильнее центральных. В итоге параллельный пучок сходится в одну точку, фокус.

Поставьте кривизну побольше: крайние лучи пересекают ось ближе, чем центральные. Сферическая поверхность фокусирует неидеально, это сферическая аберрация. Включите «Белый свет»: синие лучи преломляются сильнее красных. К обоим недостаткам мы вернёмся в конце.

Вогнутая линза делает обратное и разводит лучи в стороны. В объективах такие линзы тоже есть: они исправляют недостатки собирающих.

Расстояние от линзы до точки, где сходятся параллельные лучи, называется фокусным расстоянием f. Это главная характеристика линзы и объектива.

Чтобы найти, где получится изображение, хватит трёх лучей от кончика уха. Луч, параллельный оси, после линзы проходит через задний фокус F′. Луч через центр линзы не отклоняется. Луч через передний фокус F выходит параллельно оси. Там, где они встречаются, будет изображение уха. Все остальные лучи от уха, прошедшие через линзу, придут туда же.

Отодвиньте кота подальше: изображение приблизится к фокусу и станет маленьким. Так и работает фотоаппарат: снимаемые предметы обычно далеко, и матрица стоит чуть дальше фокусного расстояния. Если поставить кота ближе двух фокусных расстояний, изображение станет больше самого кота, на этом основана макросъёмка.

Если поставить кота ближе фокуса, лучи после линзы расходятся, и настоящего изображения нет. Зато, глядя сквозь линзу, вы увидите увеличенного прямого кота. Это лупа.

В фотоаппарате матрица неподвижна. А по формуле линзы изображение близкого предмета получается дальше от линзы, чем изображение далёкого. Чтобы снять кота резко, объектив нужно поставить на правильном расстоянии от матрицы. Это и есть фокусировка: кольцо фокусировки выдвигает линзы вперёд или назад, всего на несколько миллиметров.

Если матрица стоит не там, где сходятся лучи, она перехватывает конус света до или после его вершины. Вместо точки получается кружок, его называют кружком нерезкости. Из таких кружков, наложенных друг на друга, и складывается размытая картинка.

Автофокус делает то же самое сам: двигает линзы, пока картинка не станет самой контрастной или пока фазовые датчики не покажут, что лучи сошлись на матрице.

Внутри объектива есть ирисовая диафрагма: несколько тонких лепестков, которые образуют отверстие регулируемого размера. Размер обозначают диафрагменным числом N = f / D, где D — диаметр отверстия. У объектива 50 мм при f/2 отверстие 25 мм, при f/8 — уже 6,25 мм.

Ряд 1,4 — 2 — 2,8 — 4 — 5,6 — 8 — 11 — 16 — 22 выбран не случайно. Каждое следующее число больше предыдущего в √2 раз, площадь отверстия уменьшается вдвое, и света проходит вдвое меньше. Такой шаг называют ступенью экспозиции.

У диафрагмы есть и второй эффект. Чем уже отверстие, тем уже конус света за объективом и тем меньше кружок нерезкости у всего, что не в фокусе. А форма кружка повторяет форму отверстия: отсюда шестиугольные или круглые пятна огней, их называют боке.

Строго резкой бывает только одна плоскость, на которую наведён фокус. Но кружок меньше определённого размера глаз не отличает от точки. Для полнокадровой матрицы обычно берут 0,03 мм, это примерно 1/1500 диагонали кадра. Всё, что даёт кружок меньше, считается резким. Зону от ближней до дальней границы резкости называют глубиной резко изображаемого пространства, сокращённо ГРИП.

ГРИП зависит от трёх вещей: диафрагмы (чем больше число, тем глубже зона), расстояния до объекта (чем дальше, тем глубже) и фокусного расстояния (чем оно длиннее, тем зона мельче).

Наведите на кота при f/1,4, а потом закройте диафрагму до f/16: фон проступит из размытия. Поэтому портретисты любят светосильные объективы, а пейзажи снимают на f/8–f/11.

Фокусное расстояние определяет, насколько крупным получится изображение. Посмотрите на матрицу из центра объектива: угол, под которым видны её края, и есть угол обзора. Чем дальше объектив от матрицы, то есть чем больше f, тем уже угол и тем крупнее предметы в кадре.

Для полного кадра 36×24 мм объектив 50 мм даёт около 40° по горизонтали. Объективы 14–24 мм называют широкоугольниками, 85–135 мм — портретными, от 200 мм — телеобъективами.

Включите «Сохранять размер кота». Камера отъезжает назад и одновременно увеличивает фокусное расстояние, так что кот остаётся того же размера, а фон то разбегается, то наплывает. Это и называют сжатием перспективы. На самом деле перспективу определяет только место, откуда снимают, а фокусное расстояние лишь выбирает, какую часть вида вырезать.

Одна линза никогда не фокусирует идеально. Свет разных цветов преломляется по-разному: синий сильнее, красный слабее. Это дисперсия. У одиночной линзы синий фокус ближе красного, и на контрастных краях появляется цветная кайма, хроматическая аберрация. К ней добавляется сферическая: крайние лучи фокусируются ближе центральных.

Исправляют это комбинацией стёкол. Ахроматический дублет склеивают из собирающей линзы из крона (стекла с малой дисперсией) и рассеивающей из флинта (с большой). Флинт мало ослабляет фокусировку, но разводит цвета в обратную сторону и сводит красный и синий фокус вместе.

Настоящие объективы состоят из 6–20 линз. Часть из них асферические, часть — из стёкол со сверхнизкой дисперсией. Каждая линза исправляет ошибки остальных, а вместе они ведут себя почти как та идеальная тонкая линза, с которой мы начали.

Теперь у вас в руках весь объектив: зум, фокусировка и диафрагма. Кадрируйте, наводите резкость нажатием на снимок и делайте кадры: они появятся на плёнке ниже вместе с параметрами съёмки.

Переключите матрицу на смартфонную. Чтобы получить тот же кадр, понадобится объектив в несколько раз короче, и при той же диафрагме фон почти перестаёт размываться. Поэтому телефоны размывают фон программно.