Диафрагма - Aperture

Различная диафрагма объектива
Определения Aperture в 1707 Glossographia Anglicana Нова

В оптике , отверстие представляет собой отверстие или отверстие , через которое легкие путешествия. Более конкретно, диафрагма и фокусное расстояние из оптической системы определяют угол конуса пучка лучей , которые приходят 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 , кольцом или другим приспособлением, удерживающим оптический элемент на месте, или могут быть специальным элементом, таким как диафрагма, размещенная на оптическом пути для ограничения света, попадающего в систему. В общем, эти структуры называются стопами, а диафрагма - это стоп, который в первую очередь определяет угол конуса луча и яркость в точке изображения .

В некоторых контекстах, особенно в фотографии и астрономии , диафрагма относится к диаметру диафрагмы, а не к физическому упору или самому отверстию. Например, в телескопе диафрагмой обычно являются края линзы объектива или зеркала (или держателя, на котором оно держится). 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 другой фотографии это обычно выражается в виде отношения.

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. Слово «апертура» также используется для обозначения небольшого отверстия, похожего на смотровое отверстие. Например, с военной точки зрения отверстие в бункере означает небольшое отверстие для наблюдения, сделанное искусственно или естественным путем. Отверстие в бункере можно использовать для защиты тела от вражеского огня и обеспечения прямой видимости. (Бой пехоты / Стрелковый взвод / Джон Ф. Антал, стр.91)

заявка

Элвин Кларк полирует большой объектив Great Refractor обсерватории Йеркса с диаметром 40 дюймов 102 см в 1896 году.

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

  • Размер стопа - это один из факторов, влияющих на глубину резкости . Меньшие значения диафрагмы (большие числа f ) обеспечивают большую глубину резкости , позволяя 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 больший стоп и, следовательно, большую светосилу.
  • Остановка определяет, будет ли изображение виньетировано . Большие стопы могут привести к падению интенсивности, достигающей пленки или детектора, к краям изображения, особенно когда для точек вне оси диафрагмой становится другой стоп, так как отсекает больше света, чем это было у стопа, который был установлен. упор диафрагмы на оптической оси.
  • Для увеличения диафрагмы требуется оптика большего диаметра, которая тяжелее и дороже.

Помимо упора диафрагмы, фотографический объектив может иметь один или несколько упоров поля , которые ограничивают поле зрения 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 в глазу является его апертурой в оптике номенклатуре; радужная оболочка - это диафрагма, которая служит диафрагмой. Из-за рефракции в роговице эффективная апертура ( входной зрачок на языке оптики) немного отличается от физического диаметра зрачка. Входной зрачок обычно составляет около 4 мм в диаметре, 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 при конструкции телескопа . Как правило, желательно, чтобы апертура была как можно большей, чтобы собирать максимальное количество света от удаленных объектов. Однако на практике размер апертуры ограничен соображениями стоимости и веса, а также предотвращением аберраций (как упоминалось выше).

Апертуры также используются для управления энергией лазера, техники z-сканирования с малой апертурой , дифракции / структуры и очистки луча. Применения лазера включают пространственные фильтры, модуляцию добротности, контроль рентгеновского излучения высокой интенсивности.

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

В фотографии

Ограничение диафрагмы фотографического объектива можно отрегулировать для управления количеством света, попадающего на пленку или датчик изображения . В сочетании с изменением скорости затвора размер диафрагмы будет регулировать степень воздействия света на пленку или датчик изображения . Как правило, для быстрого затвора требуется большая диафрагма, чтобы обеспечить достаточную освещенность, а для медленного затвора требуется меньшая диафрагма, чтобы избежать чрезмерной экспозиции.

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

Устройство, называемое диафрагмой, обычно служит ограничителем диафрагмы и регулирует диафрагму. Мембранные функционирует так же, как радужной оболочки глаза в глаза  - он контролирует эффективный диаметр отверстия объектива. Уменьшение размера диафрагмы (увеличение числа f) обеспечивает меньшее количество света для датчика, а также 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 фотография «одна диафрагма» относится к фактору 2 (прибл. 1,41) изменение диафрагменного числа, которое в свою очередь соответствует коэффициенту 2 изменения интенсивности света.

Приоритет диафрагмы - это полуавтоматический режим съемки, используемый в камерах. Это позволяет фотографу выбрать настройку диафрагмы и позволить камере определять выдержку, а иногда и 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 отверстий , используемые в фотографиях около F /2.8- F / 22 или е / 2- е / 16, охватывающих шесть остановок, которые могут быть разделены на широкий, средний и узкие из двух остановок каждый, грубо ( 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 различаются.

Максимальные и минимальные отверстия

Спецификации для данного объектива обычно включают максимальный и минимальный размеры диафрагмы, например, f /0.95– f / 22. В этом случае f / 0,95 в настоящее время является максимальной диафрагмой (самое широкое отверстие в полнокадровом формате для практического использования), а f / 22 - минимальное отверстие (наименьшее отверстие). Максимальное отверстие диафрагмы обычно 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 50-мм объектива Minolta, f / 1,4 – f / 16

Объективы с отверстием диафрагмы f / 2,8 или более называются «светосильными», хотя конкретная точка со временем менялась (например, в начале 20 века отверстия диафрагмы шире f / 6 считались светосильными. Самые светосильные объективы для стандартный 35-миллиметровый формат пленки в обычном производстве имеет диафрагму f /1.2 или f /1.4, с большей апертурой при f /1.8 и f /2.0, и многие при f /2.8 или более медленнее; f /1.0 необычен, хотя находит некоторое применение .При сравнении "светосильных" объективов необходимо учитывать используемый формат изображения . Объективы, предназначенные для малого формата, такого как полукадр или APS-C, должны проецировать гораздо меньший круг изображения, чем объектив, используемый для широкоформатной фотографии. Таким образом, оптический 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 светосилы: 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. Дешевле альтернативы появились в последние годы, такие как Косина Voigtländer 17.5мм е /0.95 25мм е /0.95 и 42,5 е /0.95 ручной фокусировкой для Micro Four Thirds-системы . Долгое время быстрое значение диафрагмы f / 0,95 для полнокадрового просмотра останавливалось на фокусном расстоянии 50 мм или больше. До 2021 года производитель объективов Venus Optics ( Laowa ) анонсировал Argus 35mm f / 0.95 FF. В настоящее время это самый светосильный объектив с фокусным расстоянием 35 мм и самый широкий объектив с диафрагмой f / 0,95.

У профессиональных объективов для некоторых кинокамер число f составляет всего 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 увеличения. Более типичный потребительский зум будет иметь переменную максимальную относительную диафрагму, поскольку сложнее и дороже поддерживать максимальную относительную диафрагму, пропорциональную фокусному расстоянию при больших фокусных расстояниях; От f / 3,5 до f / 5,6 - это пример обычного диапазона переменной диафрагмы в потребительских зум-объективах.

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 более низкую резкость из-за дифракции, в то время как дополнительная глубина резкости, как правило, бесполезна, и поэтому от использования таких диафрагм обычно мало пользы. Соответственно, объективы DSLR обычно имеют минимальную диафрагму f / 16, f / 22 или f / 32, в то время как большой формат может уменьшаться до f / 64, что отражено в названии группы f / 64 . Однако глубина резкости является серьезной проблемой в макросъемке , и там можно увидеть меньшие диафрагмы. Например, Canon MP-E 65 мм может иметь эффективную диафрагму (из-за увеличения) всего лишь f / 96. Обскура оптический для Lensbaby творческих линз имеет апертуру только ф / 177.

Площадь апертуры

Количество света, улавливаемого линзой, пропорционально площади диафрагмы, равной:

Там , где две эквивалентные формы связаны через диафрагменное число N = F / D , с фокусным расстоянием F и отверстием диаметра D .

Значение фокусного расстояния не требуется при сравнении двух объективов с одинаковым фокусным расстоянием; значение 1 может быть использован вместо этого, и другие факторы могут быть удалены, а, в результате чего площадь пропорционально обратной квадрату диафрагменного числа N .

Если две камеры разного формата и фокусного расстояния имеют одинаковый угол обзора и одинаковую площадь диафрагмы, они собирают одинаковое количество света от сцены. Однако в этом случае относительная освещенность в фокальной плоскости будет зависеть только от числа f N , поэтому в камере с большим форматом, большим фокусным расстоянием и большим числом f 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 для широкоформатной зеркальной камеры Graflex автоматическое управление диафрагмой, не все ранние 35-миллиметровые зеркальные камеры с одним объективом 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 автоматический контроль диафрагмы ( Miranda T 'Pressure Automatic Diaphragm' и другие решения на Exakta Varex IIa и Praktica FX2 ), позволяющий просматривать при максимальной диафрагме объектива, останавливая объектив до рабочей диафрагмы на момент экспозиции, а затем вернув объектив на максимальную диафрагму. Первые зеркальные камеры с внутренними ( «через объектив» или «TTL» ) измерителями (например, Pentax Spotmatic ) требовали, чтобы объектив был остановлен до рабочей диафрагмы при снятии показаний измерителя. Последующие модели вскоре включали механическое соединение между объективом и корпусом камеры, указывающее рабочую диафрагму камеры для экспозиции, позволяя объективу иметь максимальную диафрагму для композиции и фокусировки; эта функция стала известна как замер с открытой апертурой .

Для некоторых объективов, включая несколько длинных телеобъективов , объективов, установленных на сильфоне , и объективов с управлением перспективой и наклоном / сдвигом , 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, одно из которых 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 объективов Canon TS-E с функцией наклона / сдвига. Объективы Nikon PC-E с управлением перспективой, представленные в 2008 году, также имеют электромагнитные диафрагмы, которые в 2013 году расширились до линейки E-type.

Оптимальная диафрагма

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

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

Что касается производительности, линзы часто не работают оптимально при полном открытии и, следовательно, обычно имеют лучшую резкость при остановке некоторых - 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 оптимальна, 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 имеет.

Хотя оптимальная диафрагма может быть определена механически, требуемая резкость зависит от того, как будет использоваться изображение - если конечное изображение просматривается в нормальных условиях (например, изображение 8 ″ × 10 ″ просматривается на 10 ″), этого может быть достаточно. для определения числа f с использованием критериев минимально необходимой резкости, и может не быть практической пользы от дальнейшего уменьшения размера пятна размытия. 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 критическую резкость .

Эквивалентный диапазон диафрагмы

В цифровой фотографии диапазон диафрагмы, эквивалентный 35 мм, иногда считается более важным, чем фактическое число f. Эквивалентная диафрагма - это число f, отрегулированное таким образом, чтобы соответствовать числу f для абсолютного диаметра диафрагмы того же размера 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 меньшим эквивалентным числом f, чем некоторые другие камеры с диафрагмой f / 2,8 с меньшими сенсорами.

При сканировании или выборке

Термины сканирование апертуры и выборка диафрагмы часто используются для обозначения отверстия , через которое изображение дискретизированное или сканированное, например , в виде сканере барабана , с датчиком изображения или телевизионное устройством для съемки. Апертура дискретизации может быть буквальной оптической апертурой, то есть небольшим отверстием в пространстве, или апертурой временной области для дискретизации формы сигнала.

Например, зернистость пленки определяется количественно как зернистость посредством измерения флуктуаций плотности пленки, наблюдаемых через апертуру дискретизации 0,048 мм.

Смотрите также

использованная литература

  • 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. Фототехника , март / апрель 1996 г., стр. 54–57. Доступно в виде изображений GIF на странице большого формата .

внешние ссылки