бъективы.

1. Основные определения.

Объектив - оптическое устройство, проецирующее изображение на плоскость. В оптике рассматривается как равнозначное собирающей линзе, хотя может иметь иной вид, например см. «Камера-обскура». Обычно объектив состоит из набора линз (в некоторых объективах и зеркал), рассчитанных для взаимной компенсации аберраций и собранных в единую систему внутри оправы.

Основные характеристики объективов.

• Разрешающая способность
Разрешающая способность оценивается по наименьшему расстоянию между двумя точками, при котором их изображения разделяются по критерию Релея. Это расстояние выражается в линейных (мм) или угловых (угл. сек.) единицах и называются соответственно линейным или угловым разрешением.
В случае использования матричных приемников линейное разрешение стараются сделать не хуже, чем расстояние между соседними элементами (пикселами) матрицы.
• Поле зрения
Поле зрения - характеризует максимальные линейные размеры изображения (линейное поле), в пределах которого реализуется требуемое разрешение. Выраженное в угловых единицах оно называется угловым полем.
• Фокусное расстояние
Фокусное расстояние объектива - расстояние от фокуса до главной плоскости, Положение главной плоскости зависит от типа объектива: у нормальных объективов она находится недалеко от диафрагмы, у телеобъективов она расположена перед линзами, а у объективов с удлинённым главным отрезком - сзади них. Поэтому фокусное расстояние объектива нельзя определять от диафрагмы, так как это приводит для некоторых типов объективов к грубым ошибкам.
Фокусное расстояние определяет масштаб изображения при установке объектива на бесконечность. Чем больше фокусное расстояние, тем крупнее изображение объекта. Для источников на «бесконечности» размер изображения равен произведению углового размера источника на фокусное расстояние объектива.
• Светосила
Светосила - отношение квадрата эффективного диаметра объектива к квадрату его фокусного расстояния. Светосила определяет яркость изображения. При светосиле ~ 1, яркость изображения того же порядка, что и яркость объекта.

2. Некоторые особенности объективов.

Как правило, в технических устройствах лучшими считаются объективы, сочетающие высокое разрешение с большой светосилой и большим полем зрения. В последнее время к ним добавились еще и требования широкополосности, т.е. возможность работы одновременно как можно более в широком диапазоне длин волн.
Создание объективов с высокими оптическими характеристиками в любом случае зависит от искусства и разработчиков, и изготовителей. Однако есть свойства систем, которые определяются, прежде всего, составом элементов и принципом их работы. По этому признаку наиболее существенные отличия имеют линзовые и зеркальные системы.

Работа ЛИНЗОВЫХ ОБЪЕКТИВОВ, основана на эффекте преломления лучей на границе прозрачных сред с различными коэффициентами рефракции (n) (преломления). В качестве рабочих элементов используются линзы из прозрачных материалов, имеющих самые разные коэффициенты (n). Для видимого диапазона длин волн существуют более 200 видов таких материалов. Поэтому проблем выбора материала линз в этом диапазоне обычно не существует.
Недостатки линзовых объективов в видимой области спектра связаны с зависимостью коэффициента преломления от длины волны. Объектив, прекрасно работающий на одной длине волны, вовсе не обязательно будет давать хорошее изображение на любой другой длине волны.
Эффект расхождения лучей на различных длинах волн называется хроматической аберрацией. Используя различные комбинации материалов, иногда удается минимизировать этот эффект для 2х и даже 3х разнесенных длин волн видимого диапазона, что естественно ведет к дополнительному (порой существенному) увеличению числа элементов. Хуже обстоит дело на краях видимой области:
- во-первых, набор прозрачных материалов здесь резко сокращается;
- во-вторых, на краях прозрачности материалов зависимость коэффициентов преломления от длины волны столь высока, что компенсировать её за счет комбинирования материалов линз уже не удается.

Работа ЗЕРКАЛЬНЫХ ОБЪЕКТИВОВ основана на эффекте отражения света от поверхностей с высокими коэффициентами отражения. Поскольку прозрачности от подложки зеркала, не требуется, то ограничения, связанные с пропусканием материалов, отсутствуют. Отсутствуют и эффекты расхождения лучей различной длины волны, поскольку закон равенства углов отражения и падения одинаково соблюдается для всех длин волн (конечно, если не учитывать дифракцию). Как следствие, не требуется введение дополнительных элементов для компенсации хроматических аберраций.
Ограничения по ширине полосы у зеркальных объективов связаны с отражательной способностью зеркал на различных длинах волн. Однако, это ограничение гораздо менее существенно, чем ограничение по прозрачности в линзовых системах. Так например, отражающее покрытие из алюминия способно обеспечить высокую отражательную способность зеркал от жесткого ультрафиолета до радиоволн включительно, в том числе видимый, ИК, и другие длинноволновые диапазоны.
Поскольку в работе зеркала используется только его поверхность, а не весь объем, как это имеет место в линзах, то зеркало может иметь сотовую конструкцию, что позволяет существенно уменьшить вес объектива. Этот выигрыш особенно значителен для объективов с большой оптической апертурой.

Встает вопрос: почему же зеркальные объективы не нашли столь широкого распространения, как линзовые?
Есть несколько причин, в том числе и исторические:
- более позднее (по сравнению с видимой областью) освоение ИК и УФ диапазонов,
- получение изображений одновременно в широком диапазоне длин волн («техническое зрение») стало актуальным по историческим срокам относительно недавно.
Немаловажной причиной явилась и сложность борьбы с аберрациями путем наращивания числа оптических элементов, составляющих объектив. Поскольку линзы прозрачны, то увеличение их числа с целью уменьшения аберраций не ведет к существенным изменениям пропускающей способности объектива. Другое дело чисто зеркальные объективы. Хотя из-за отсутствия хроматических аберраций число элементов может быть существенно меньшим, в силу своей непрозрачности зеркала способны эффективно затенять друг друга и закрывать путь для прохождения лучей.
Долгое время считалось, что разработка зеркальных объективов с аберрационными характеристиками, конкурирующими с линзовыми, невозможна. В последнее время в решении этой проблемы достигнут значительный прогресс. Были разработаны алгоритмы расчетов, которые позволяют находить такие сочетания форм и расположения зеркал, при которых осуществляются эффективно и компенсация аберраций, и прохождение лучей.

3. Наиболее важные отличительные свойства линзовых и зеркальных систем.

Линзовыe объективы.

Недостатки:
- селективность пропускания, т.е. прозрачность только в определенной полосе оптических длин волн;
- наличие хроматических аберраций, компенсация которых требует увеличения числа элементов и ,следовательно габаритов и массы объектива. За пределами видимой области возможности компенсации хроматических аберраций еще более ограничены, поэтому на каждый интервал длин волн требуется разработка отдельного объектива;
- дороговизна или полное отсутствие материалов для некоторых интервалов длин волн УФ и ИК диапазонов.

Достоинства:
- меньшие математические сложности расчетов;
- более низкие требования к точности изготовления, к установке, юстировке и стабильности элементов (примерно в 3 раза);
- возможность совмещения функций защитного стекла и первой линзы.

Зеркальные объективы.

Недостатки:
- большие, по сравнению с линзовыми, объективами математические сложности расчетов;
- более высокие требования к точности изготовления, установке и юстировке элементов;
- требуется отдельный элемент (окно) для защиты внутренней полости объектива от внешних воздействий;
- габаритные размеры по диаметру, как правило, больше, чем у линзовых объективов.

Достоинства:
- отсутствие селективной непрозрачности;
- отсутствие хроматических аберраций;
- отсутствие ограничений на апертуры, связанные с размерами заготовок;
- меньшая длина и вес, выигрыш в массе особенно заметен для объективов диаметрами больше 200мм;
- универсальность для всего оптического диапазона длин волн;
- дешевизна используемых материалов.

Как видно, из-за различий в принципах работы, существуют значительные отличия в потребительских свойствах линзовых и зеркальных объективов. В какой-то мере они взаимно дополняют друг друга, позволяя занимать свою преимущественную нишу. В силу большей технологичности, линзовые объективы имеют преимущества в изделиях массового спроса. Это, прежде всего, объективы для фотокамер и других устройств бытового назначения. Отсутствие необходимости использования излучения за пределами видимого диапазона нивелирует, основной недостаток линзовых объективов их узкополосность.
Зеркальные объективы, практически универсальны по отношению к длинам волн, но технологически более сложны в изготовлении. Вследствие этого, по мере освоения современных алгоритмов расчета и технологий изготовления, зеркальные объективы, прежде всего, найдут применение для получения изображений за пределами видимой области в научных, технологических и специальных целях, для целей диагностики в медицине, а также в биологии, криминалистике и т.д. Кроме того, есть перечень задач, для решения которых линзовые объективы просто не применимы. Например, для жесткого ультрафиолета и дальней теплолокации (в силу отсутствия требуемого размера прозрачных в ИК-области линзовых материалов). Очевидно преимущество зеркальных объективов и для систем многоцветного распознавания, а также в устройствах так называемого «машинного зрения» и в робототехнике.