Что такое фокусировка

Объектив — составная часть многих оптических приборов: фотоаппаратов, подзорных труб, телескопов. Обычно объектив представляет собой линзу или набор линз, собранных в единую систему внутри оправы. Основная задача объектива — собирать и фокусировать свет.

Из школьного курса физики многие помнят, что линза - это оптическое устройство, которое состоит из изогнутого материала, преломляющего свет. За счет кривизны поверхности угол преломления светового луча будет зависеть от того, в какой точке он попал на поверхность линзы. В зависимости от формы, линза может либо собирать, либо рассеивать световые лучи. Если на выпуклую собирающую линзу направить пучок света параллельно главной оптической оси (горизонтальная ось симметрии), то после прохождения лучей через линзу они пересекутся в одной точке, которая называется фокусом линзы (Рис. 1). Фокусное расстояние (FL — focus length) — длина отрезка между фокусом линзы и главной оптичесокй остью. Значение FL зависит исключительно от физических характеристик линзы — материала и кривизны поверхности.

Рис. 1

По этому же принципу работает объектив оптического прибора. Система линз объектива фокусирует свет на плоскости изображения (это может быть фотоплёнка, матрица, сенсор или Ваш глаз — в зависимости от типа прибора). «Сгибая» таким образом свет, объектив умещает изображение больших объектов на маленьком участке окуляра или датчика камеры.

Основной характеристикой любого объектива, как и отдельной линзы, является фокусное расстояние (FL) — расстояние между объективом и точкой, в которой после прохождения объектива собираются параллельные пучки света. Чем меньше фокусное расстояние, тем сильнее линза преломляет свет и тем бóльшие объекты могут поместиться в кадр (широкоугольные объективы), а чем больше фокусное расстояние - тем ближе объектив приближает удаленные предметы.

Если фокусное расстояние — неизменная характеристика, как оптический прибор может фокусироваться на разноудаленных предметах, например на прутьях решетки, котороя окружает секретную военную базу, или на саму базу за ней? Дело в том, что фокусное расстояние линзы (объектива) характеризует расстояние до точки, в которой фокусируются параллельные лучи света. Такое возможно только в математической модели — в случае бесконечно удаленного объекта. Любой реальный объект окружающего нас мира отражает свет во всех направлениях, поэтому на линзу объектива пучки приходят под разными углами (Рис. 2) и не являются параллельными как того требует модель. А значит и фокусироваться будут на большем расстоянии от объектива, чем в случае гипотетического бесконечно удаленного объекта. Поэтому если мы поместим плоскость изображения (наш глаз или плёнку) на расстоянии, равном фокусному расстоянию объектива, и посмотрим на реальный объект или сфотографируем его, то вместо четкого, сфокусированного изображения, увидим лишь его размытый образ.

Рис.2 Движение параллельных и непараллельных пучков света через объектив с разным значением фокусного расстояния (FL).

Вращая настройку фокуса на приборе, наблюдатель двигает линзы объектива или фокусер окуляра ближе-дальше от плоскости изображения, манипулируя таким образом положением плоскости изображения относительно точки, в которой фокусируются лучи от наблюдаемого объекта (в более сложных приборах процесс выглядит сложнее, с участием системы призм и зеркал, но смысл остаётся). Когда плосткость изображения совпадает с точкой фокусировки, наблюдатель видит четкий образ этого объекта.

Рисунок 3. Как фокусируется свет от разноудаленных объектов.

Так, меняя настройку фокусировки и передвигая плоскость изображения относительно объектива, Вы можете навести резскость либо на решётку (желтая точка на Рис. 3), либо на секретный объект за решеткой (синяя точка на Рис. 3), либо сфокусироваться на бегущем в Вашу сторону охраннике (красная точка на Рис. 3).

Интересно отметить, что наш глаз работает по другому принципу. Хрусталик представляет собой биологическую линзу, собирающую свет от окружающих объектов так, что их изображение может поместиться на задней поверхности глаза. Но в отличие от оптических приборов, расстояние между хрусталиком (линзой) и задней поверхностью глаза (плоскостью изображения) не может изменяться (Рис. 4).

Рисунок 4. Фокусировка зрения.

Поэтому с помощью специальной мышцы (показано красным на Рис. 4) хрусталик сжимается или растягиваятся, меняя таким образом свои физические характеристки, а именно фокусное расстояние. Так мы можем фокусировать взгляд на близких или дальних объектах.