Изобретение фотографии в начале XIX века повлекло за собой создание целого ряда объективов, предназначенных специально для фотоаппарата. Главные проблемы, которые при этом решали конструкторы, заключались в получении резкого изображения не только вблизи оптической оси, чего было достаточно в наблюдательных приборах, а на большой площади фотоматериала при как можно более высокой светосиле. Поэтому наиболее интенсивный прогресс связан именно с фотографией, для которой потребовались объективы более высокого качества, чем в телескопах и микроскопах. Ещё одним толчком в совершенствовании стало расширение в XX веке области применения фотографических объективов, связанное с появлением новейших технологий отображения и наблюдения, таких как аэрофотосъёмка, телевидение, кинематограф, аппаратура ночного видения и прочие сферы.

Первые фотообъективы Исследователи, причастные к изобретению фотографии — Луи Дагер, Нисефор Ньепс и Фокс Тальбот (, ) — в своих первых опытах использовали камеру-обскуру с простейшей двояковыпуклой линзой, уже знакомой художникам, рисовавшим с её помощью с натуры. К тому времени были хорошо известны недостатки такого объектива, дающего сравнительно резкое изображение лишь в центре из-за астигматической кривизны поля и других аберраций. Более того, из-за выраженной хроматической аберрации, точная фокусировка была затруднена, поскольку «химический» фокус сине-фиолетовых лучей, к которым были чувствительны первые фотоматериалы, не совпадал с визуальным фокусом жёлто-зелёных, наиболее ярких для зрения. Разработанные тогда же приспособления для коррекции «кассетной разницы» фокусов синих и жёлтых лучей оказались малоэффективны. Французский оптик Шарль Шевалье (), снабжавший оборудованием Дагера и Ньепса, в 1829 году поставлял им объектив-ахромат, состоящий из двух склеенных линз, изготовленных из разных сортов оптического стекла. Одна из этих линз положительная и сделана из кронгласса с повышенным коэффициентом преломления. Стекло с низкой дисперсией – флинтглас – используется для второй отрицательной линзы. Такое устройство давно применялось в качестве объектива телескопов, а Шевалье приспособил его для камеры-обскуры, совместив фокус фиолетовых лучей с наиболее видимыми жёлто-зелёными. 22 июня 1839 года Дагер заказал своему родственнику Альфонсу Жиру () первую камеру для дагеротипии формата 16×22 сантиметра. Устройство комплектовалось перевёрнутым ахроматом Шевалье с фокусным расстоянием 40 сантиметров и светосилой f/15.

Ландшафтная линза

В 1804 году Уильям Волластон () обнаружил, что положительный выпукло-вогнутый мениск в сочетании с расположенной в центре кривизны апертурной диафрагмой даёт более качественное изображение, чем обычная двояковыпуклая линза. Это объяснялось частичным устранением астигматизма за счёт сильного удаления входного зрачка. 8 лет спустя он использовал такой мениск в качестве объектива для камеры-обскуры, развернув её вогнутой поверхностью вперёд. Такой объектив, получивший название «Монокль», обеспечивал удовлетворительную резкость в пределах сравнительно небольшого углового поля 25° при светосиле f/16. Ньепс начал использовать «Монокль» в 1828 году. Дагер делал свои ранние эксперименты таким же объективом, но хроматическая аберрация затрудняла фокусировку на синечувствительных дагеротипных пластинках.

К концу 1839 года Шевалье изготовил ахроматическую версию монокля, позволяющую частично скорригировать кривизну поля и устранить хроматическую аберрацию для двух участков спектра. Вогнутая поверхность переднего отрицательного элемента из стекла флинт была обращена к снимаемому объекту, а перед ней в центре кривизны устанавливалась диафрагма с относительным отверстием f/16. Покрываемое таким объективом с удовлетворительным качеством угловое поле достигло 50°, чего было вполне достаточного для любых задач тех лет. Конструкция быстро стала общепринятой у большинства производителей оптики. Из-за большого поля зрения и невысокой светосилы, требующей получасовой выдержки даже вне помещения, объектив оказался пригоден в основном, для пейзажной съёмки, получив название «Французская ландшафтная линза», или просто «ландшафтная линза».

Портретный объектив Пецваля

Недостаточная для портретной фотографии светосила ахроматического мениска побудила Французское Общество Содействия Национальной промышленности () объявить конкурс на создание светосильного объектива. Одним из участников стал житель современной Словакии Йозеф Пецваль (), работавший профессором математики без какого-либо оптического опыта. Однако с помощью нескольких вычислителей, нанятых из Австро-венгерской армии, ему удалось рассчитать два объектива, один из которых оказался пригодным для съёмки дагеротипных портретов.

В 1840 году с помощью своего друга, немецкого оптика Петера Фогтлендера (), Пецваль изготовил первый образец четырёхлинзового объектива, состоящего из двух модифицированных ахроматов Шевалье. Из них передний был склеенным, а между положительным и отрицательным менисками заднего был небольшой воздушный промежуток. При рекордной для своей эпохи светосиле f/3,6 объектив позволял сократить выдержку вне помещения до одной-двух минут, совершив прорыв в портретной фотографии. Фотопортрет перестал быть техническим достижением и превратился в выгодную коммерцию. Более светочувствительный мокрый коллодионный процесс, появившийся в 1850-х годах, позволил снимать таким объективом портреты даже в помещении. Несмотря на очевидное превосходство над другими участниками конкурса, Пецваль стал лишь серебряным призёром, уступив платиновую медаль Шевалье, ахроматы которого были признаны основой нового объектива.

В 1841 году Фогтлендер начал комплектовать объективом Пецваля цельнометаллическую «Ganzmetallkamera» своей компании Voigtländer, снимавшую круглые дагеротипы. Эта камера стала первым в истории фотоаппаратом, заменившим унаследованные от художников камеры-обскуры. Объектив Пецваля доминировал в портретной фотографии больше столетия, обеспечивая достаточное качество изображения. Несмотря на остаточную кривизну поля, снижавшую чёткость к краю кадра, в пределах 10° обеспечивалась отличная резкость. Её падение к углам было даже на руку портретистам, получавшим красивое размытие вокруг ясного изображения лица в центре. Объектив быстро стал массовым и копировался большинством производителей оптики, поскольку Пецвалю удалось запатентовать его только в Австрии. Отношения с Фогтлендером испортились после того, как он перевёл производство в немецкий Брауншвейг, куда авторские права изобретателя не распространялись. В итоге Пецваль практически ничего не заработал на своём выдающемся объективе, и умер в бедности.

Тем не менее, объектив Пецваля стал первым в истории, спроектированным не путём эмпирического подбора линз, а на основе строгих математических расчётов. Пецваль, фактически, создал первую теорию фотообъектива, ставшую основой для дальнейших исследований основателя современной вычислительной оптики Филиппа Зейделя.

Симметричные объективы Одним из самых заметных недостатков ландшафтного «Ахромата» была дисторсия, из-за которой прямые линии, не пересекающие оптическую ось, отображались изогнутыми. Проблема оказалась особенно актуальной из-за растущей популярности видовых открыток и стереофотографий, изображавших архитектуру разных стран. На снимках зданий дисторсия особенно заметна, а её возрастание по мере расширения поля зрения делало ландшафтную линзу непригодной в качестве широкоугольника.

Уже к середине XIX века выяснилось, что наилучшим способом устранения дисторсии и других нечётных аберраций является симметричная конструкция объектива, состоящего из двух одинаковых менисков. Диафрагма при этом служит своеобразной плоскостью симметрии, располагаясь посередине между обращёнными в разные стороны половинами. Этим же способом устраняются кома и поперечный хроматизм, а также маскируются неточности сборки. Простейший симметричный фотообъектив «Перископ» составлен Хуго Штайнхелем () из двух повёрнутых друг к другу вогнутыми поверхностями «Моноклей». Он появился в 1865 году, как дешёвая версия первых объективов, пригодных для широкоугольной съёмки.

Тремя годами ранее американцы Чарльз Харрисон и Джозеф Шнитцер () запатентовали первый широкоугольный «Глобус» со скорригированными дисторсией, комой и хроматической аберрацией. Он обеспечивал ортоскопическое изображение с полем зрения более 80° при светосиле f/11. Как и простейший «Перископ», новый объектив составлен из двух линз, в качестве которых использованы склеенные ахроматы. Название отражало интересную особенность: если продолжить и объединить крайние поверхности передней и задней линз, они образуют сферу. Идея «Глобуса» была подхвачена многими оптиками из разных стран, в 1865 году аналогичный объектив «Pantoskop» начала выпускать фирма немца Эмиля Буша (). В Российской Империи подобные конструкции называли «шаровыми объективами» из-за сферообразной геометрии.

Однако, до совершенства идея симметричного широкоугольника доведена в двух других разработках: немецкий «Апланат» Штайнхеля и английский «Рапид» () Далльмейера. Независимо друг от друга Хуго Штайнхель и Джон Далльмейер () в 1866 году пришли к почти идентичным конструкциям, в главном повторяющим «Глобус» и состоящим из четырёх линз в двух симметричных группах. Оба объектива успешно корригировали большинство аберраций, за исключением сферической и астигматизма вплоть до светосилы f/8. Главным открытием стала идея использовать в склеенных компонентах стёкла с максимальной разницей показателей преломления при одинаковой дисперсии. «Рапид» и «Апланат» свободно масштабировались для любых фокусных расстояний и угловых полей, на полстолетия завоевав место стандартного объектива средней светосилы.

Интересная особенность всех симметричных конструкций тех лет заключалась в возможности полноценного использования объектива как целиком, так и его половины. Оправа была разборной, предоставляя фотографам возможность вместо одного объектива получить сразу два с разными фокусными расстояниями. Задняя часть «Апланата» Штайнхеля с диафрагмой вполне пригодна как ландшафтная линза, а половина «Перископа» неплохо работала в качестве «Монокля». Объективы такого типа могли даже собираться из отдельных готовых модулей, выпускавшихся целыми наборами. Линзовые блоки в резьбовых или байонетных оправах соединялись в произвольных сочетаниях, образуя разные объективы.

Регулировка диафрагмы

Ещё в XVI веке было хорошо известно, что наличие апертурной диафрагмы улучшает качество изображения, даваемого объективом. Происходит это из-за ограничения диаметра широких наклонных пучков, отвечающих за поперечные аберрации: астигматизм, кривизну поля, кому, дисторсию и хроматизм положения. Улучшение происходит по мере уменьшения отверстия до тех пор, пока дифракция на краях диафрагмы не начнёт ухудшать изображение сильнее, чем аберрации.

Таким образом, даже простейший мениск нуждается в диафрагме. Тем не менее, в фотообъективах первых лет диаметр её отверстия не регулировался. При ничтожной светочувствительности дагеротипных пластин светосила и без диафрагмирования была недостаточна, требуя выдержек, исчисляемых минутами. Дагеротипистам нужен был весь свет, проходящий через объектив, и даже его было мало. Лишь с распространением мокрого коллодионного процесса выдержки резко сократились, позволив закрывать диафрагму и потребовав её специального устройства. Первым способом регулировки относительного отверстия в 1858 году стали сменные диафрагмы Уотерхауса, названные в честь разработавшего их астронома Джона Уотерхауса (). Диафрагмы представляли собой набор латунных пластин с калиброванными отверстиями разных диаметров. Пластины вставлялись в боковую щель оправы объектива между его линзами, и ограничивали диаметр световых пучков.