Симметричные анастигматы
Основное преимущество всех симметричных анастигматов – практически полное отсутствие дисторсии, при почти плоском поле изображения. Если обе половины симметричного анастигмата совершенно одинаковы и расположены на одинаковом расстоянии от диафрагмы, то объектив называется симметричным. Если в конструкциях половин имеется различие в радиусах кривизны поверхностей линз, в сортах стекол или в расположении линз, то объектив называется полусимметричным. Если все линзы каждой из половин склеены в одну, то объектив называют склеенным. Если же кроме склеенных линз есть линзы, отделенные от других воздушными промежутками, то объектив называют полусклеенным. Если в объективе нет склеенных линз, то его называют несклеенным.
рис.1
Симметричные склеенные анастигматы
Анастигматы этого типа состоят из двух разделенных диафрагмой линз, которые, со своей стороны, состоят снова из трех или четырех отдельных линз, склеенных друг с другом при помощи канадского бальзама. Первый тип такого анастигмата был рассчитан научным сотрудником фирмы Герца (Goerz) Е. Хегом в 1892 году. Этот анастигмат с относительным отверстием f/7.7, носящий название двойной «Дагор» (Dagor) (рис. 1), представляет собою значительное усовершенствование в том отношении, что каждая его половина отдельно исправлена и может использоваться в качестве самостоятельного объектива, имеющего двойное фокусное расстояние и приблизительно половинную светосилу сравнительно с симметричным оригиналом.
В «Дагорах» хорошо исправлены все аберрации, особенно дисторсия. При довольно большом угле изображения (70 – 80 град.) и при относительном отверстии f/7.7, они дают высокую резкость изображения по всему полю. При меньших относительных отверстиях угол изображения может быть доведен даже до 90 - 100 град., лишь при незначительном снижении резкости в краевых частях поля. Поскольку в объективах типа «Дагор» имеется только четыре границы стекло - воздух, в них почти не наблюдается светорассеяния, и они дают очень сочное изображение, даже в отсутствии «просветляющих» покрытий. Это их свойство было большим преимуществом при съемках с источниками света или бликующими поверхностями в кадре. Это свойство в сочетании с большим углом охвата пространства при отсутствии дисторсии для целого ряда работ гораздо более существенно, чем высокая светосила. Поэтому объективы этого типа часто использовались для технических съемок, для съемок внутри помещений с большими контрастами и бликующими деталями (музеи, выставки и т. п.), для съемки архитектуры и особенно рекомендовались для репродукционных работ и макросъемок.
рис. 2. Steinheil-Beck Orthostigmat f/6.8
Почти одновременно, независимо друг от друга, Р. Штейнгель и Д. Кемпфер рассчитали симметричный анастигмат, каждая половина которого состояла тоже из трех стекол, но расположенных в другом порядке. Этот анастигмат был выпущен фирмой Штейнгель с f/6,8 под названием «Ортостигмат» (Orthostigmat), а фирмой Фохтлендер (Voigtländer) - под названием «Коллинеар» (Kollinear) (f/6,3; f/6,8) На рис. 2 изображён Steinheil-Beck Orthostigmat f/6.8. Название компании-изготовителя сегодня звучит необычно. Дело в том, что известная фирма Steinheil, Мюнхен, для воплощения части своих разработок на рубеже IXX –XX в.в. использовала мощную производственную базу своего английского компаньона - R. and J. Beck, London, UK. Отсюда и возник такой конгломерат - Steinheil-Beck. Затем в 1894 году П. Рудольф выпустил серию линз под названием «Протар-линзы», которые могли служить либо каждая отдельно, либо в соединении попарно в качестве симметричного двойного анастигмата (рис. 3). Позже ряд оптических фирм изготовил под разными названиями серии двойных симметричных анастигматов, относительные отверстия которых лежали в пределах от f/4,2 до f/7,2.
рис. 3. Двойная «Протар-линза» П. Рудольфа
Симметричные полусклеенные анастигматы
В 1896 году сотрудником фирмы К. Цейсс - П. Рудольфом был рассчитан очередной анастигмат большой светосилы f/3,5 для портретных съемок и выпущен в продажу под названием «Планара» (Planar). Объектив отличался исключительно плоским полем проекции, отличным контрастом, правда, был несколько мягок при полной апертуре, что, впрочем, особенно привлекало портретистов. Надо заметить, что жанр портрета был самым популярным в среде фотографов. И не то, что бы он был самым притягательным, просто выезд на пленер, или в дальнюю поездку с громоздким арсеналом фотографа был затруднителен.
рис. 4. Два ранних анастигмата Цейсса, изготовленные по схеме «Планара»: 1 – Planar 160mm f/3.8; 2 - Unar 145mm f/4.7
Окрылённый невероятным успехом объектива, несколькими годами позже, Цейсс выпустил целую линейку «Планаров» f/3.5 - f/5.0 на разные форматы (рис. 4) Новый объектив из-за большого диаметра линз был тяжёл и дорог. Иногда его можно встретить с названиями «Unar» или «Protar IIa». В 1902 г., сотрудник фирмы Мейер Г. Арбейт рассчитал анастигмат «Эйриплан» (оптическая формула подобна Планару), который был выпущен в трех сериях с относительными отверстиями f/4,5, f/6 и f/7. Наконец, та же фирма Гуго Мейера выпустила в 1902 г., рассчитанный П. Рудольфом, прекрасный портретный объектив «Двойной Плазмат» с относительным отверстием f/4 (рис. 5).
рис. 5. Топология портретного объектива П. Рудольфа «Двойной Плазмат»
рис. 6. Разновидности Goerz Celors 180mm f/4.8 180mm f/4.8; 150mm f/4.8.
Кроме вышеприведенных объективов, в 1900 г. фирма Герц (Goerz, Berlin) выпускает в продажу симметричные несклеенные анастигматы по расчету своего научного сотрудника Е. Хега, каждая половина которых состояла из двух отдельно стоящих линз: положительной и отрицательной. Этот тип анастигмата, известный под названиями «Целор» и «Синтор», с относительными отверстиями f/4,5 и f/6,8 (Celor f/4.5; Syntor f/6.8), отличается своим компактным строением, однако, каждая их половина отдельно не исправлена.(рис. 6 и рис. 7) Предтечей «Целора» была классическая структура, предложенная немецким математиком Гауссом, и затем положенная П. Рудольфом в основу цейссовского «Планара». Из «Целора» развился целый ряд конструкций, более или менее напоминающих «Целор», при чем относительные отверстия их заключены в пределах от f/3,9 до f/7,7. К этой же группе принадлежит и выпущенный в 1925 году фирмой Роденшток объектив «Эйринар» (Eurynar) с относительным отверстием f/3,5 (рис. 8). Позже он выпускался в диапазоне фокусных расстояний до 150mm.
рис. 7. Goerz Syntor 150mm и 125mm.
рис. 8. Rodenstock Eurynar 36cm f/4.5
Полусимметричные анастигматы
Набор оптических блоков неодинаковых фокусных расстояний для компонентов анастигмата симметричного типа позволяет расширить возможности объектива, сохраняя за ним его положительные качества симметричного типа. Еще больше расширяются возможности при наличии трёх компонентов, используемых раздельно или в комбинациях по два компонента. Таким образом, идея полусимметричного анастигмата приводит к так называемому наборному объективу, смысл которого заключается и том, что для удешевления комплекта объективов и уменьшения их веса в комплект входит одна оправа с диафрагмой, а иногда и с затвором и три или четыре компонента одинаковой конструкции, но с различным фокусным расстоянием. Комбинируя эти компоненты, можно иметь значительное разнообразие фокусных расстояний при незначительном весе и стоимости комплекта. К группе полусимметричных склеенных анастигматов принадлежат большей частью наборные анастигматы, подобные «Пантару» (Pantar) Герца (рис. 9).
Следующую группу образуют так называемые: Полусимметричные несклеенные анастигматы, к которым можно отнести вычисленный Г. Колльморгеном и выпущенный в 1900 году фирмой Гуго Мейер анастигмат «Аристостигмат» (Aristostigmat) с относительным отверстием f/5,5 (рис. 10). Этот тип отличается от «Целора» нарочно введенным незначительным отклонением от симметрии. «Аристостигмат» надолго стал одним из наиболее популярных брэндов Мейера. Сюда же относится вычисленный сотрудником фирмы Герц — Чокке известный тип анастигмата «Догмар» (рис. 11).
рис. 10. Meyer Aristostigmat 3.1in f/9 и 135mm f/9
рис. 11. Goerz Dogmar 15cm f/4.5
Несимметричные анастигматы
Переходя теперь к несимметричным полусклеенным анастигматам, являющимся высшим достижением фотографической оптотехники, следует отметить объектив, носящий название «Триплета с собирающими склеенными поверхностями», который получился из так называемой «Куковской линзы» (будет рассмотрена в одной из следующих групп) введением двух собирающих склеенных поверхностей. Конструкция его принадлежит Г. Гартингу, работавшему в фирме Фохтлендер, выпустившей этот объектив в 1902 г. под названием «Гелиар» (Heliar) (рис. 12), с относительным отверстием f/4,5 и затем с f/3,5.
рис. 12. Voigtlander Heliar 1 – 24cm f/4.5 и 42cm f/4.5
В 1904 году тип «Гелиара» был переделан Гартингом так, что в середине его оказались три рассеивающие линзы, и в этом виде он получил название «Динар» (рис. 13). В 1902 г. К. Цейсс выпустил по расчету П. Рудольфа свой знаменитый первоклассный анастигмат «Тессар» с f/6,3 до f/3,5 (рис. 14, 15), который впоследствии был еще усовершенствован Е. Вандерслебом. Сравнивая «Тессар» с портретником Петцваля, можно убедиться, что оба они состоят из 4-х линз, но зато при одинаковых условиях в «Тессаре» уничтожен астигматизм и выровнено поле изображения. Совершенный тип анастигмата К. Цейса вызвал множество подражаний, как, например, «Ксенар» Шнейдера и т. д. Сюда же относится «Триплар» Штейнгеля с относительным отверстием f/3,8, в котором склеенная линза стоит впереди. По разрешающей силе и совершенству изображения, при относительной простоте конструкции, «Тессар» оказался одним из самых удачных объективов. «Тессар» вызывал нескончаемое количество подражаний и копирований. Он до настоящего времени является наиболее распространенной конструкцией универсального фотообъектива, изготовляемого в многочисленных вариантах с относительным отверстием от f/2.7 до f/8 и всевозможными фокусными расстояниями.
рис. 13. Voigtlander Dynar 12cm f/6 и 18cm f/6.
Необходимо отметить высокое качество объективов небольшой группы несимметричных склеенных анастигматов. Один из примеров этой конструкции - «Протар» Цейса, вычисленный П. Рудольфом, с относительным отверстием f/9 (рис. 16). Группа несимметричных несклеенных анастигматов объединяет объективы, представляющие разновидность рассчитанной в 1894 году Г. Тейлором знаменитой «Куковской линзы», состоящей из трех отдельно стоящих линз, из которых обе внешние - собирающие, а внутренняя - рассеивающая.
рис. 14. Прадед «Тессара». Структура и конструкция
рис. 15. Варианты ранних «Тессаров» Цейсса
Простой триплет
Это несимметричные объективы, составленные из трех компонентов, причем компонентами могут являться как отдельные линзы, так и группы линз. Простой несклеенный триплет состоит из двух положительных линз, заключающих между собой третью, отрицательную линзу. Диафрагма располагается позади отрицательной линзы, т. е. между вторым и третьим компонентами
Средняя, отрицательная, линза в триплетах выполняет многозначную роль: во-первых, она, исправляя астигматизм, выравнивает поле изображения, во-вторых, исправляя хроматические аберрации обеих положительных линз, в значительной мере исправляет и сферическую аберрацию системы, причем не только для точек на оси, но и для косых пучков и, наконец, при соответствующем подборе радиусов поверхностей способствует получению изображения с весьма незначительными дисторсионными искажениями. Здесь следует иметь в виду, что вследствие несимметричности конструкции лучшее исправление дисторсии достигается для несимметричного расположения объекта и изображения. В универсальных объективах дисторсия обычно наиболее исправлена для удаленных объектов и наименее исправлена для близлежащих (т. е. при наводке на близкие дистанции), или, другими словами, обратно тому, как она исправляется в объективах симметричных конструкций.
рис. 16. Структура «Протара» Цейса
Таким образом, имея несложную конструкцию, простой триплет дает при относительных отверстиях f/4,5 и даже f/3,5 довольно резкое изображение в пределах угла до 40 град. «Триплет», обладая многими недостатками, может быть использован только при сравнительно небольших отверстиях; однако в свое время этот объектив являлся выдающимся достижением, так как он при очень простой и удобной конструкции давал лучшие снимки, чем известные тогда симметричные анастигматы. В последующие годы этот тип был улучшен А. Зоннефельдом, применившим к нему асферические поверхности, получив, таким образом, прекрасный объектив для астрономической фотографии, выпущенный фирмой К. Цейса в 1924 г. под названием «Астротриплет». Удобная конструкция триплета была широко использована оптическими фирмами, в результате появились «Глаукары» Буша с f/3,1 (рис. 17), «Гипары» Герца с f/3,5, и «Радионары» Шнейдера с f/6,3.
рис. 17. «Глаукар» Буша с f/3,1
Усложнение простого триплета проводилось путем замены простых линз сложными, состоящими из двух, трех пли даже четырех линз вместо одной, при этом получались новые конструкции, иногда очень сильно отличающиеся от исходной. Один из вариантов такого усложнения – уже рассмотренный «Гелиар» с относительным отверстием f/4,5 (рис. 12). «Гелиар» представляет собой триплет, в котором первая и третья линзы, взамен простых, выполнены в виде склеенных из двух стекол. В сущности легендарный «Тессар» (рис. 14) - тоже триплет, с усложненной задней линзой-склейкой.
Светосильные анастигматы
Начало 1925 года в Германии ознаменовалось исключительными достижениями в области фотографической оптики. Наиболее известные фирмы предложили объективы с необыкновенной светосилой и прекрасными качествами, которые с большим успехом стали применять как в фотографии, так и в кинематографии. Фирма К. Цейсса почти одновременно выпустила два светосильных объектива: «Тессар» f/2,7 с фокусным расстоянием 100 мм. и рассчитанный сотрудником Мерте светосильный объектив «Биотар» с относительным отверстием f/1,8 и углом около 52град. (рис. 18).
рис. 18. Топология «Биотара»
В то же время Мейер выпустил разработанный П. Рудольфом анастигмат чрезвычайной для тех времён светосилы f/1,5, названный «Киноплазматом» (рис. 19). Рекордной светосилы достигла фирма Эрнеманн в своем «Эрностаре» (рис. 20). Наконец, необходимо упомянуть о выпущенном фирмой Астро в Берлине объективе «Тахар» с относительным отверстием f/1,8 и объективе Фохтлендера «Гелиостигмате» с относительным отверстием f/2,5, рассчитанным Дезером. Погоня за светосилой сделалась настолько энергичной, что Дальмайер в Лондоне уже приготовил объектив со светосилой f/1,2. Заметьте, что это было лишь начало прошлого века. Сегодня объектив с относительным отверстием f/1,0 уже не вызывает ни у кого удивления. Мы постарались проследить, какой путь прошла фотооптика, прежде чем она подарила миру современные шедевры. Немцам понадобилось для завоевания мировой известности и мирового рынка много труда, времени и средств. Конкурировать с ними в то время было немыслимо.
рис. 19. 1 – KinoPlasmat 50mm f/2.7; 2- Trioplan 105mm f/4.5; 3 - KinoPlasmat 50mm f/1.5
В дореволюционной России практически совершенно отсутствовало производство фотообъективов, а вся оптическая промышленность была сосредоточена в нескольких мастерских Обуховского завода, где занималось изготовлением самых простых оптических военно-морских инструментов, используя при этом зеркальное или импортное оптическое стекло. Правда, в самом начале 900-х в России, до войны с Германией, существовали две фирмы, изготовлявшие фотообъективы, а именно «Фос» в Варшаве и «Лоренц» в Москве. «Фос» пользовался готовыми немецкими расчетами и стеклом, обрабатывая его и монтируя в оправу с надписью «Планистигмат» Фоса в Варшаве. Московский «Лоренц» использовал готовый немецкий, реже французский материал, монтируя его в оправу с надписью «Каэлар» Лоренц. С началом же русско-германской войны эти фирмы автоматически остановили своё производство. После окончания германской, а затем гражданской войн, несколько учреждений молодой России, заинтересованных в производстве фотографической оптики пробовали начать копирование существующих типов зарубежных объективов, но, к сожалению, положительных результатов этих экспериментов получить не удалось. Начавшиеся еще в 1914 - 1915 гг. опыты варки отечественного оптического стекла, в послевоенные годы, дали определённые результаты. Освоение своего «стекольного» ассортимента принесло плоды к середине 20 - х годов.
По счастливой случайности для молодой России и, наверное, к своему несчастью, в Союзе оказался известный ученый, профессор Владимир Сергеевич Игнатовский, проработавший более двадцати лет на крупных германских оптических заводах. Его пригласили возглавить работы по расчётам оптических систем в Тресте Оптико-Механического Производства (ТОМП). Из группы своих учеников профессор В. С. Игнатовский в 1925 году создал Научный Отдел для расчёта и изготовление фотографических объективов. Уже через несколько лет, разработанные отделом Игнатовского и изготовленные ТОМП\'ом опытные образцы «перископа», «апланата» и «кукленза» были продемонстрированы. Позже увидели свет прототипы советских анастигматов из отечественного стекла, вполне достойного качества. «Тессар» и «Целор».
рис. 20. Ernemann Ernostar l -125mm f/1.8; 2 - 85mm f/1.8; 3 - 100mm f/2
Тессар был в те времена одним из лучших объективов. Светосила Советского аналога сначала составляла f/6,3, затем была доведена до f/4,5, f/3,5 и затем, до f/2.7. Конструкция тессара впоследствии была использована при изготовлении целого ряда других Советских объективов (в том числе выпущенного Гос. оптическим заводом ВООМТ в Ленинграде объектива «Ортагоз» 13,5 см f/4,5). Серьёзное, серийное производство отечественной оптики началось лишь в конце 20 -х годов прошлого столетия. Достаточно заметить, что например объективов «Ортагоз» было выпущено до второй мировой войны больше миллиона экземпляров.
Вот примерный структурный скелет оптических конструкций прошлого века, который, обрастая новыми идеями, совершенными технологиями и головокружительными компьютерными раскладками, пришёл в наши дни. Мы не ставили своей задачей рассмотрение, каких то отдельных групп современных объективов: зумов, телевиков, широкоугольников, специальных объективов и пр. В конце концов, все они построены на принципах, в основе которых лежат оптические формулы их прародителей - анастигматов, о которых нам лишь хотелось напомнить читателю.