Сверхширокоугольный объектив

Согласно формуле Ламберта, одновременно с увеличением угла поля зрения снижается освещённость на краях поля изображения[18]. Это объясняется ростом разницы длины хода лучей к центру и краям изображения, а освещённость при этом изменяется пропорционально косинусу четвёртой степени[19][20]:

${\displaystyle E_{\omega '}=E_{0}\cos ^{4}\omega '}$

где ${\displaystyle E_{\omega '}}$ — освещённость, создаваемая пучками, наклонными к оптической оси под углом ${\displaystyle \omega '}$, а ${\displaystyle E_{0}}$ — освещённость, создаваемая осевым пучком. Равенство справедливо для любых объективов, но критическое значение приобретает для сверхширокоугольной оптики.

Так, для угла ${\displaystyle \omega '}$ в 23° (половина полевого угла 46°), характерного для большинства нормальных объективов, освещённость в углах кадра составит 0,72 от освещённости в центре. Для половины минимального полевого угла сверхширокоугольника, составляющей 45°, четвёртая степень косинуса равна 0,25, что соответствует четырёхкратному (на две экспозиционных ступени) снижению освещённости без учёта виньетирования. Дальнейшее увеличение полевого угла приводит к ещё более сильному затемнению. Например, расширение поля зрения всего на 10° приводит к снижению освещённости на краях кадра до 0,17 от его центра. Для компенсации затенения краёв снимка в ранней фотографии использовались различные механические оттенители, искусственно снижающие освещённость в центре кадра[18]. Иногда приходилось прибегать даже к таким ухищрениям, как установка в центре передней линзы вращающегося звездообразного оттенителя с пневматическим приводом[9][21][10].

Немецкий конструктор Адольф Мите решал проблему с помощью градиентного светофильтра, склеенного из плоско-выпуклой окрашенной линзы и прозрачной плоско-вогнутой[22]. Позднее на одну из линз объектива начали наносить полупрозрачное металлическое напыление[23]. Падение освещённости было практически неустранимым в сверхширокоугольных объективах симметричной конструкции, пригодных для установки на незеркальной фотокиноаппаратуре, например на дальномерных фотоаппаратах или метражных камерах[19]. Тщательный подбор линз с учётом аберрационного виньетирования позволял уменьшить степень косинуса до 3 («Руссар»)[24], а в лучших конструкциях до 2,5 («Zeiss Hologon»), однако равномерность экспозиции, даваемая сверхширокоугольными объективами, всё равно оставалась неудовлетворительной[25].

Появление оптики ретрофокусного типа, предназначенной для однообъективных зеркальных фотоаппаратов и кинокамер с зеркальным обтюратором, позволило частично решить проблему закона косинусов. Удлинённый задний отрезок таких объективов уменьшает их угол поля изображения, снижая разницу хода осевых и краевых пучков до значений, характерных для нормальных объективов. Дисторсирующие объективы типа «рыбий глаз» изначально строились по ретрофокусной схеме, и поэтому неравномерная освещённость по полю была для них нехарактерна. Равномерная освещённость и минимальное виньетирование достигаются в новейших сверхширокоугольниках за счёт частичной или полной телецентричности в пространстве изображений[26].

Не менее серьёзную проблему при конструировании сверхширокоугольных объективов составляют аберрации, резко усиливающиеся по мере отклонения пучков от оптической оси. Особенно резко возрастают астигматизм и хроматическая аберрация. Дисторсия практически полностью корригировалась уже в самых первых конструкциях за счёт их симметричности[27]. Внедрение компьютеров для расчёта оптических схем, а также распространение и удешевление асферических линз, позволили приблизить качество изображения сверхширокоугольных объективов ко всем остальным типам оптики.

Искажения азимутальной проекции, соответствующие искажениям большинства дисторсирующих сверхширокоугольников

Искажения гномонической проекции, соответствующие искажениям ортоскопических сверхширокоугольников

Как ортоскопические, так и дисторсирующие сверхширокоугольные объективы меняют форму отображаемых предметов, поскольку любая проекция сферического обзора на плоскость неизбежно приводит к искажениям[28]. При небольших полях зрения они малозаметны, но начинают проявляться с ростом угла обзора[29]. Дисторсирующие объективы дают наиболее яркую картину искажений, соответствующую азимутальной, ортографической или стереографической проекциям, в зависимости от оптической конструкции и величины дисторсии[30].

Прямые линии, не пересекающие оптическую ость, отображаются кривыми, степень выгибания которых возрастает по мере удаления к краю кадра. Горизонт преображается в дугу, выпуклость которой направлена в сторону, противоположную отклонению оптической оси от горизонтали[31]. Предметы, расположенные на краях поля зрения, сжимаются с интенсивностью, зависящей от реализованной проекции: сильнее всего сжатие проявляется в ортографической, а наименее заметно в стереографической[30]. Любой сюжет, снятый таким объективом, приобретает известную условность, которая может быть очень выразительна, но неприемлема в качестве постоянного изобразительного средства.

Искажения, привносимые ортоскопическими объективами, не так бросаются в глаза, но не менее существенны, соответствуя гномонической проекции. При небольших углах поля зрения эти искажения практически незаметны, проявляясь только в сверхширокоугольных объективах с большим наклоном боковых пучков в пространстве предметов. В предельном случае приближения к краям поля зрения в 180° площадь изображения предметов с конечными размерами стремится к бесконечности[32]. Поэтому даже при полном отсутствии дисторсии любая ортоскопическая оптика растягивает снимаемые объекты по мере удаления от центра кадра из-за косой проекции. Вследствие этого один и тот же объект на краях кадра выглядит более растянутым, чем в центре. В большинстве сюжетов это почти незаметно, однако проявляется на предметах, форма которых узнаваема или заведомо известна. Человеческое лицо, попавшее на край кадра, снятого сверхширокоугольником, растягивается в ширину, а иногда и перекашивается в направлении к углам изображения. По этой причине сверхширокоугольные объективы практически непригодны для портретной и групповой съёмки[33].

Неизбежность таких искажений при больших угловых полях в 1950-х годах привела к созданию панорамного кинематографа, где широкое поле зрения разбивается на три части, регистрируемые тремя повёрнутыми на соответствующий угол объективами[34]. Полученное таким способом изображение затем воссоздаётся тремя проекторами на сильно изогнутом экране цилиндрического профиля. Однако, панорамные киносистемы оказались слишком сложны и непригодны для постановочного кинематографа, уступив место широкоформатным и широкоэкранным. В кинематографе и телевидении искажения сверхширокоугольной оптики особенно заметны при панорамировании, и при этом выглядят как неестественное «перетекание» пространства от одного края кадра к другому с замедлением в его центре. По этой причине такие объективы предпочтительно использовать при неподвижной камере. В то же время, на движущемся изображении сверхширокоугольник подчёркивает приближение или удаление персонажей, менее заметные с другими объективами[35][36].

Небосвод с солнцем, снятые рыбьим глазом «Пеленг»

При большом угловом поле, особенно широком у объективов типа «рыбий глаз», создать эффективную бленду практически невозможно. Поэтому очень трудно избежать попадания в кадр источников света, дающих на изображении нежелательные пятна[38]. Избежать этого можно выбором соответствующих точек съёмки, а в некоторых случаях блики могут быть использованы, как изобразительный приём. У большинства сверхширокоугольных объективов бленда выполнена несъёмной, как часть оправы.

Ещё одна особенность сверхширокоугольных объективов всех типов заключается в невозможности установки светофильтров, в том числе защитных, перед передней линзой. В большинстве конструкций она обладает такими кривизной и диаметром, что оправа светофильтра неизбежно попадала бы в поле зрения. Поэтому как «фиксы», так и «зумы» этих диапазонов рассчитаны на применение светофильтров, устанавливаемых у задней линзы небольшого диаметра. В некоторых случаях для сохранения необходимых оптических характеристик, за последним компонентом предусматривается штатная плоскопараллельная пластина в соответствующей оправе. Замена её на светофильтр такой же толщины не приводит к изменению заднего отрезка, сохраняя оптические свойства объектива. Однако, чаще применяются желатиновые светофильтры на тонкой подложке, для вырубки которых в комплекте объектива предусматривается металлический шаблон. При использовании поляризационного или градиентного светофильтров со сверхширокоугольной оптикой следует учитывать, что поляризованный свет занимает только ту часть небосвода, где нет солнца, поэтому может появиться нежелательный градиент, который выглядит на снимке как неравномерность экспозиции[38].