Диафрагма

редактировать
Отверстие или отверстие, через которое проходит свет

Различные значения диафрагмы линзы Определения диафрагмы в Glossographia Anglicana Nova 1707 года

В оптике апертура представляет собой отверстие или отверстие, через которое проходит свет. Более конкретно, апертура и фокусное расстояние оптической системы определяют угол конуса пучка лучей, которые попадают в фокус в плоскости изображения .

Оптическая система обычно имеет множество отверстий или структур, которые ограничивают пучки лучей (пучки лучей также известны как пучки света). Эти структуры могут быть краем линзы или зеркала, или кольцом или другим приспособлением, удерживающим оптический элемент на месте, или могут быть специальным элементом, таким как диафрагма, размещенная на оптическом пути, чтобы ограничить свет, попадающий в систему. В общем, эти структуры называются стопами, а диафрагма диафрагма - это стоп, который в первую очередь определяет угол конуса луча и яркость в точке изображения .

В некоторых контекстах, особенно в фотографии и астрономии, апертура относится к диаметру диафрагмы, а не к физическому упору или самому отверстию. Например, в телескопе диафрагма обычно является краями линзы объектива или зеркала (или держателя, на котором оно крепится). Затем говорят, что телескоп имеет, например, 100-сантиметровую апертуру. Обратите внимание, что диафрагма не обязательно является самой маленькой диафрагмой в системе. Увеличение и уменьшение с помощью линз и других элементов может привести к тому, что относительно большой упор будет упором диафрагмы для системы. В астрофотографии апертура может быть задана как линейная мера (например, в дюймах или мм) или как безразмерное отношение между этой мерой и фокусным расстоянием. В других фотографиях это обычно выражается в соотношении.

Иногда упоры и диафрагмы называют апертурами, даже если они не являются диафрагмами системы.

Слово апертура также используется в других контекстах для обозначения системы, которая блокирует свет за пределами определенной области. В астрономии, например, фотометрическая апертура вокруг звезды обычно соответствует круглому окну вокруг изображения звезды, внутри которого предполагается интенсивность света.

Содержание

  • 1 Применение
  • 2 В фотографии
    • 2.1 Максимальная и минимальная диафрагма
    • 2.2 Площадь диафрагмы
    • 2.3 Регулировка диафрагмы
    • 2.4 Оптимальная диафрагма
  • 3 Эквивалентный диапазон диафрагмы
  • 4 При сканировании или выборке
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

Приложение

Элвин Кларк полирует большой объектив обсерватории Йеркса Great Refractor с объективом 40 дюймов 102 см в диаметре, 1896 год.

Диафрагма - важный элемент в большинстве оптических конструкций. Его наиболее очевидная особенность заключается в том, что он ограничивает количество света, которое может достичь плоскости изображения / пленки. Это может быть либо неизбежным, как в телескопе, где нужно собрать как можно больше света; или умышленно, чтобы предотвратить насыщение детектора или передержку пленки. В обоих случаях размер диафрагмы ограничен другими факторами, кроме количества пропускаемого света; однако:

  • Размер остановки является одним из факторов, влияющих на глубину резкости. Меньшие остановки (большие числа f ) обеспечивают большую глубину резкости, что позволяет объектам, находящимся на широком диапазоне расстояний от зрителя, быть в фокусе одновременно.
  • Стоп ограничивает влияние оптических аберраций. Если стоп будет слишком большим, изображение будет искажено. Более сложные конструкции оптических систем могут смягчить эффект аберраций, обеспечивая более крупный стоп и, следовательно, большую светосилу.
  • Остановка определяет, будет ли изображение виньетировано. Более крупные ступени могут привести к падению интенсивности, достигающей пленки или детектора, по направлению к краям изображения, особенно когда для точек вне оси диафрагмой становится другая ступень, поскольку отсекает больше света, чем это было при остановке. упор диафрагмы на оптической оси.
  • Для большего упора диафрагмы требуется оптика большего диаметра, которая тяжелее и дороже.

Помимо упора диафрагмы, фотографический объектив может иметь один или несколько упоров поля, которые ограничивают поле обзора системы. Когда поле зрения ограничено полевой диафрагмой в объективе (а не на пленке или датчике) возникает виньетирование ; это проблема только в том случае, если результирующее поле зрения меньше желаемого.

биологический зрачок глаза - это его апертура в оптической номенклатуре; ирис - это диафрагма, которая служит диафрагмой. Из-за преломления в роговице эффективная апертура (входной зрачок на языке оптики) немного отличается от физического диаметра зрачка. Входной зрачок обычно имеет диаметр около 4 мм, хотя он может варьироваться от 2 мм (f / 8,3 ) в ярко освещенном месте до 8 мм (f / 2,1) в темноте.

В астрономии диаметр диафрагмы (называемый апертурой) является критическим параметром в конструкции телескопа. Как правило, желательно, чтобы апертура была как можно больше, чтобы собирать максимальное количество света от удаленных объектов. Однако на практике размер апертуры ограничен соображениями стоимости и веса, а также предотвращением аберраций (как упомянуто выше).

Апертуры также используются в управлении энергией лазера, в технике z-сканирования с малой апертурой , дифракции / структурах и очистке луча. Лазерные применения включают пространственные фильтры, модуляцию добротности, контроль рентгеновского излучения высокой интенсивности.

В световой микроскопии слово «апертура» может использоваться по отношению к конденсору (изменяет угол света на поле образца), полевой диафрагме (изменяет область освещения) или, возможно, линзе объектива. (формирует первичный образ). См. Оптический микроскоп.

В фотографии

Диафрагму фотообъектива можно отрегулировать для управления количеством света, достигающего пленка или датчик изображения. В сочетании с изменением выдержки, размер диафрагмы будет регулировать степень экспозиции фотопленки или датчика изображения. Обычно для быстрого затвора требуется большая диафрагма, чтобы обеспечить достаточную световую экспозицию, а для медленного затвора требуется меньшая диафрагма, чтобы избежать чрезмерной экспозиции.

Диаграмма уменьшения размеров диафрагмы (увеличение числа f ) для приращений «полная ступень» (коэффициент площади апертуры два на ступень)

Устройство, обычно называемое диафрагмой служит ограничителем диафрагмы и управляет диафрагмой. Диафрагма работает так же, как радужная оболочка глаза глаза - она ​​контролирует эффективный диаметр отверстия объектива. Уменьшение размера диафрагмы увеличивает глубину резкости, которая описывает степень, в которой объект, расположенный ближе или дальше от фактической плоскости фокуса, оказывается в фокусе. Как правило, чем меньше диафрагма (чем больше f-число), тем на большем расстоянии от плоскости фокуса может находиться объект, который все еще остается в фокусе.

Диафрагма объектива обычно указывается как число f, отношение фокусного расстояния к эффективному диаметру апертуры. Объектив обычно имеет набор отмеченных «диафрагм», на которые можно установить диафрагменное число. Меньшее число f означает большее отверстие диафрагмы, что позволяет большему количеству света попадать на пленку или датчик изображения. Термин «одна диафрагма» в фотографии относится к коэффициенту √2 (примерно 1,41) изменения числа f, что, в свою очередь, соответствует изменению интенсивности света в 2 раза.

Приоритет диафрагмы - это полуавтоматический режим съемки, используемый в камерах. Это позволяет фотографу выбрать настройку диафрагмы и позволить камере определять выдержку, а иногда также чувствительность ISO для правильной экспозиции. Это также называется автоматической экспозицией с приоритетом диафрагмы, режимом A, режимом AV (режим значения диафрагмы) или полуавтоматическим режимом.

Типичные диапазоны значений диафрагмы, используемые в фотографии, составляют примерно f / 2,8 – f / 22 или f / 2 – f / 16, охватывая шесть ступеней, которые можно разделить на широкую, среднюю и узкую, по две ступени каждая, примерно (с использованием круглых чисел) f / 2 – f / 4, f / 4 – f / 8 и f / 8 – f / 16 или (для более светосильного объектива) f / 2.8 – f / 5.6, f / 5.6 – f / 11 и f / 11 – f / 22. Это не резкие деления, и диапазоны для конкретных линз могут быть разными.

Максимальная и минимальная диафрагма

Спецификации для данного объектива обычно включают максимальный и минимальный размеры диафрагмы, например, f / 1,4 – f / 22. В этом случае f / 1,4 - это максимальная диафрагма (самое широкое отверстие), а f / 22 - это минимальное отверстие (самое маленькое отверстие). Максимальное отверстие диафрагмы, как правило, представляет наибольший интерес и всегда учитывается при описании объектива. Это значение также известно как «светосила» объектива, поскольку оно влияет на время экспозиции. Диафрагма пропорциональна квадратному корню из пропускаемого света и, таким образом, обратно пропорциональна квадратному корню из требуемого времени экспозиции, так что диафрагма f / 2 позволяет выдерживать время в четверть от f / 4.

Диапазон диафрагмы объектива Minolta 50 мм, f / 1,4 – f / 16

Объективы с отверстием диафрагмы f / 2,8 или более называются «светосильными» объективами, хотя конкретная точка со временем менялась (для Например, в начале 20-го века отверстие диафрагмы шире f / 6 считалось быстрым). Самые светосильные объективы для стандартного формата 35-мм пленки в массовом производстве имеют диафрагму f / 1,2 или f / 1,4, с большей диафрагмой при f / 1,8 и f / 2,0, а многие - при f / 2,8 или меньше; f / 1.0 необычный, хотя и находит применение. При сравнении «светосильных» объективов необходимо учитывать используемый формат изображения . Объективы, предназначенные для малого формата, такие как полукадр или APS-C, должны проецировать гораздо меньший круг изображения, чем объектив, используемый для большого формата фотография. Таким образом, оптические элементы, встроенные в объектив, могут быть намного меньше и дешевле.

В исключительных случаях объективы могут иметь еще более широкую диафрагму с числом f меньше 1,0; см. подробный список в светосиле: светосильные линзы. Например, как нынешний Leica Noctilux-M 50mm ASPH, так и 50-миллиметровый дальномер Canon 1960-х годов имеют максимальную диафрагму f / 0,95. В последние годы появились более дешевые альтернативы, такие как Cosina Voigtländer 17,5 мм f / 0,95, 25 мм f / 0,95 и 42,5 мм f / 0,95 с ручной фокусировкой для объектива Micro Four-Thirds System <264.>Профессиональные объективы для некоторых кинокамер имеют значение f, равное f / 0,75. В фильме Стэнли Кубрика Барри Линдон есть сцены, снятые при свечах с помощью NASA / Zeiss 50mm f / 0.7, самого светосильного объектива в истории кино. Помимо стоимости, эти объективы имеют ограниченное применение из-за соответственно меньшей глубины резкости - сцена должна быть либо неглубокой, сниматься с большого расстояния, либо она будет значительно расфокусирована, хотя это может быть желаемым эффектом.

Зум-объективы обычно имеют максимальную относительную диафрагму (минимальное число f) от f / 2,8 до f / 6,3 во всем диапазоне. Объективы высокого класса будут иметь постоянную диафрагму, например f / 2,8 или f / 4, что означает, что относительная диафрагма останется неизменной во всем диапазоне масштабирования. Более типичный потребительский зум будет иметь переменную максимальную относительную диафрагму, так как сложнее и дороже поддерживать максимальную относительную диафрагму, пропорциональную фокусному расстоянию при больших фокусных расстояниях; От f / 3,5 до f / 5,6 - это пример стандартного диапазона переменной диафрагмы в потребительском зум-объективе.

Напротив, минимальная диафрагма не зависит от фокусного расстояния - она ​​ограничена тем, насколько узко закрывается диафрагма, а не конструкцией объектива - и вместо этого обычно выбирается исходя из практичности: очень маленькие диафрагмы имеют меньшую резкость из-за дифракции, тогда как дополнительная глубина резкости обычно бесполезна, и, следовательно, обычно мало пользы от использования таких апертур. Соответственно, объективы DSLR обычно имеют минимальную диафрагму f / 16, f / 22 или f / 32, тогда как большой формат может быть уменьшен до f / 64, что отражено в названии Group f. / 64. Однако глубина резкости является существенной проблемой в макросъемке, и там можно увидеть меньшие диафрагмы. Например, Canon MP-E 65mm может иметь эффективную диафрагму (из-за увеличения) всего лишь f / 96. Оптика pinhole для творческих объективов Lensbaby имеет диафрагму всего f / 177.

Площадь диафрагмы

Количество света, захваченного объективом, пропорционально площадь апертуры, равная:

A rea = π (D 2) 2 = π (f 2 N) 2 {\ displaystyle \ mathrm {Area} = \ pi \ left ({D \ over 2} \ right) ^ {2} = \ pi \ left ({f \ over 2N} \ right) ^ {2}}\ mathrm {Area} = \ pi \ left ({D \ over 2} \ right) ^ {2} = \ pi \ left ({f \ over 2N} \ right) ^ { 2}

Где две эквивалентные формы связаны через f-число N = f / D, с фокусным расстоянием f и диаметром апертуры D.

Значение фокусного расстояния не требуется при сравнении двух объективов с одинаковым фокусным расстоянием; вместо этого можно использовать значение 1, а другие коэффициенты также можно опустить, оставив площадь, пропорциональную квадрату, обратному квадрату f-числа N.

Если две камеры с разными размерами формата и фокусными расстояниями имеют с одинаковым углом обзора и той же площадью апертуры они собирают одинаковое количество света от сцены. В этом случае относительная освещенность фокальной плоскости, однако, будет зависеть только от числа f N, поэтому в камере с большим форматом, большим фокусным расстоянием и большим f-числом она меньше.. Это предполагает, что обе линзы имеют одинаковый коэффициент пропускания.

Управление диафрагмой

Механизм диафрагмы объектива Canon 50mm f / 1.8 II с пятью лопастями

Хотя еще в 1933 году Торкель Корлинг изобрел и запатентовал Широкоформатная зеркальная камера Graflex с автоматической регулировкой диафрагмы, не все ранние 35-мм однообъективные зеркальные камеры имели эту функцию. При небольшой диафрагме это затемняло видоискатель, что затрудняло просмотр, фокусировку и композицию. Конструкция Korling позволяла просматривать изображение с полной апертурой для точной фокусировки, закрываясь до предварительно выбранного отверстия диафрагмы при срабатывании затвора и одновременно синхронизируя срабатывание вспышки. С 1956 года производители зеркальных фотоаппаратов отдельно разработали автоматическое управление диафрагмой (Miranda T 'Pressure Automatic Diaphragm' и другие решения для Exakta Varex IIa и . Praktica FX2 ), позволяющий просматривать с максимальной диафрагмой объектива, останавливая объектив до рабочей диафрагмы в момент экспонирования и возвращая объектив на максимальную диафрагму после этого. Первые зеркальные камеры с внутренним («сквозным» или «TTL» ) измерителем (например, Pentax Spotmatic ) требовали, чтобы объектив был остановлен до рабочей диафрагмы. при снятии показаний счетчика. Последующие модели вскоре включали механическое соединение между объективом и корпусом камеры, показывающее рабочую диафрагму камеры для экспозиции, позволяя объективу находиться на максимальной диафрагме для композиции и фокусировки; эта функция стала известна как замер с открытой диафрагмой.

. Для некоторых объективов, включая несколько длинных телеобъективов, объективов, установленных на сильфоне, и управление перспективой и Наклон / сдвиг механическое соединение было непрактичным, а автоматическое управление диафрагмой не предусматривалось. Многие такие объективы включают в себя функцию, известную как «предустановленная» диафрагма, которая позволяет устанавливать объектив на рабочую диафрагму, а затем быстро переключаться между рабочей диафрагмой и полной диафрагмой, не глядя на элемент управления диафрагмой. Типичная операция может заключаться в создании приблизительной композиции, установке рабочей диафрагмы для замера, возвращении к полной диафрагме для окончательной проверки фокуса и композиции, а также фокусировке и, наконец, возвращении к рабочей диафрагме непосредственно перед экспонированием. Хотя это немного проще, чем замер с остановкой, работа менее удобна, чем автоматический режим. Предустановленные элементы управления диафрагмой имеют несколько форм; наиболее распространенным было использование, по существу, двух колец диафрагмы объектива, при этом одно кольцо устанавливает диафрагму, а другое служит ограничителем при переключении на рабочую диафрагму. Примерами объективов с таким типом управления предустановленной диафрагмой являются Nikon PC Nikkor 28 mm f / 3.5 и SMC Pentax Shift 6 × 7 75 mm f / 4.5. Объектив Nikon PC Micro-Nikkor 85 mm f / 2.8D оснащен механической кнопкой, которая устанавливает рабочую диафрагму при нажатии и восстанавливает полную диафрагму при втором нажатии.

Объективы Canon EF, представленные в 1987 году, имеют электромагнитные диафрагмы, устраняющие необходимость в механическом соединении между камерой и объективом и позволяющие автоматически регулировать диафрагму с помощью наклона Canon TS-E / сдвиг линз. Объективы Nikon PC-E с регулировкой перспективы, представленные в 2008 году, также имеют электромагнитные диафрагмы, функция которых была расширена до их диапазона E-type в 2013 году.

Оптимальная диафрагма

Оптимальная диафрагма зависит как от оптики. (глубина сцены в зависимости от дифракции) и от характеристик объектива.

Оптически, когда объектив остановлен, размытость расфокусировки в пределах глубины резкости (DOF) уменьшается, но размытие дифракции увеличивается. Присутствие этих двух противоположных факторов подразумевает точку, в которой объединенное пятно размытия сводится к минимуму (Gibson 1975, 64); в этот момент число fявляется оптимальным для резкости изображения, для данной глубины резкости - более широкая диафрагма (меньшее число f) вызывает большую расфокусировку, а более узкая диафрагма (большее число f) вызывает большую дифракцию.

Что касается производительности, линзы часто не работают оптимально при полном открытии, и поэтому обычно имеют лучшую резкость при остановке - обратите внимание, что это резкость в плоскости критического фокуса, не говоря уже о глубине резкости. За пределами определенной точки остановка резкости не приводит к дальнейшему увеличению резкости, и дифракция становится значительной. Соответственно, есть золотая середина, обычно в диапазоне от f / 4 до f / 8, в зависимости от объектива, где резкость является оптимальной, хотя некоторые объективы предназначены для оптимальной работы при широко открытой диафрагме. Насколько это важно для разных объективов, и мнения расходятся о том, какое практическое влияние это оказывает.

Хотя оптимальную диафрагму можно определить механически, требуемая резкость зависит от того, как будет использоваться изображение - если конечное изображение просматривается в нормальных условиях (например, изображение размером 8 ″ × 10 ″ просматривается при 10 ″), Может быть достаточно определить число fс использованием критериев минимально необходимой резкости, и дальнейшее уменьшение размера пятна размытия может не принести практической пользы. Но это может быть неверно, если конечное изображение просматривается в более сложных условиях, например, очень большое конечное изображение просматривается с нормального расстояния или часть изображения увеличена до нормального размера (Hansma 1996). Хансма также предполагает, что размер конечного изображения может быть неизвестен при съемке фотографии, а получение максимально возможной резкости позволяет принять решение о создании большого конечного изображения позже; см. также критическая резкость.

Эквивалентный диапазон диафрагмы

В цифровой фотографии эквивалентный 35-мм диапазон диафрагмы иногда считается более важным, чем фактическое число f. Эквивалентная диафрагма - это число f, скорректированное таким образом, чтобы соответствовать числу f для того же размера абсолютного диаметра диафрагмы на объективе с эквивалентным фокусным расстоянием 35 мм. Ожидается, что меньшие эквивалентные числа f приведут к более высокому качеству изображения, основанному на большем количестве общего света от объекта, а также приведут к уменьшению глубины резкости. Например, в Sony Cyber-shot DSC-RX10 используется 1-дюймовый сенсор, 24–200 мм с максимальной постоянной диафрагмы по всему диапазону увеличения; f / 2,8 имеет эквивалентный диапазон диафрагмы f / 7,6, что является меньшее эквивалентное число f, чем у некоторых других камер f / 2,8 с меньшими сенсорами.

При сканировании или выборке

Термины сканирующая диафрагма и апертура выборки часто используются для обозначения отверстия, через которое изображение дискретизируется или сканируется, например, в барабанном сканере, датчике изображения или в телевизионном приемном устройстве. Апертура выборки может быть буквальной оптической апертурой, то есть небольшое отверстие в пространстве, или это может быть апертура временной области для выборки формы сигнала.

Например, зернистость пленки количественно определяется как зернистость посредством измерения колебаний плотности пленки, видимых через отверстие для отбора проб 0,048 мм.

См. также

Ссылки

  • Гибсон, Х. Лу. 1975. Макро-фотография и фотомакрография. 2-е объединенное изд. Публикация Kodak № N-16. Рочестер, штат Нью-Йорк: Компания Eastman Kodak, Том II: Фотомакрография. ISBN 0-87985-160-0
  • Хансма, Пол К. 1996. Просмотр фокусировки камеры на практике. Фототехники, март / апрель 1996 г., стр. 54–57. Доступно в виде изображений GIF на странице большого формата.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-11 20:19:29
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте