Диафрагма - Aperture

Различная апертура объектива
Определения Диафрагма в 1707 г. Глоссография Anglicana Nova[1]

В оптика, отверстие это отверстие или отверстие, через которое свет путешествия. В частности, диафрагма и фокусное расстояние из оптическая система определить угол конуса пучка лучи которые приходят к фокус в плоскость изображения.

Оптическая система обычно имеет множество отверстий или структур, которые ограничивают пучки лучей (пучки лучей также известны как карандаши света). Эти структуры могут быть краем линза или зеркало, или кольцо или другое приспособление, которое удерживает оптический элемент на месте, или может быть специальным элементом, таким как диафрагма размещены на оптическом пути для ограничения света, попадающего в систему. В общем, эти конструкции называются остановками,[2] и диафрагма остановка, которая в первую очередь определяет угол конуса луча и яркость на точка изображения.

В некоторых контекстах, особенно в фотография и астрономия, отверстие относится к диаметр диафрагмы, а не физического упора или самого отверстия. Например, в телескоп, диафрагма обычно находится на краях объектив или зеркало (или крепления, на котором оно держится). Затем говорят, что телескоп имеет, например, 100-сантиметровую отверстие. 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 астрофотография апертура может быть указана в виде линейной меры (например, в дюймах или мм) или в виде безразмерного отношения между этой мерой и фокусное расстояние. В другой фотографии это обычно выражается в виде отношения.

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

Слово отверстие также используется в других контекстах для обозначения системы, которая блокирует свет за пределами определенной области. В астрономии, например, фотометрический отверстие вокруг звезда обычно соответствует круглому окну вокруг изображения звезды, внутри которого предполагается интенсивность света.[3]

заявка

Элвин Кларк полирует большое Обсерватория Йеркса Великий рефрактор объектив диаметром 40 дюймов 102 см, 1896 год.

Ограничитель диафрагмы - важный элемент в большинстве оптических конструкций. Его наиболее очевидная особенность заключается в том, что он ограничивает количество света, попадающего на изображение /фильм самолет. 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 стопа - это один из факторов, влияющих на глубина резкости. Меньшие остановки (большие f числа ) производят более длительный глубина резкости, позволяя объектам на широком диапазоне расстояний от зрителя быть в фокусе одновременно.
  • Стоп ограничивает действие оптического аберрации. 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 виньетированный. Большие стопы могут привести к падению интенсивности, достигающей пленки или детектора, к краям изображения, особенно когда для точек вне оси диафрагмой становится другой стоп, поскольку отсекает больше света, чем это было в предыдущей. упор диафрагмы на оптической оси.
  • Для увеличения диафрагмы требуется оптика большего диаметра, которая тяжелее и дороже.

Помимо диафрагмы, фотографический объектив может иметь один или несколько полевые остановки, которые ограничивают поле зрения. Когда поле зрения ограничено ограничителем поля в объективе (а не пленкой или датчиком) виньетирование Результаты; это проблема только в том случае, если результирующее поле зрения меньше желаемого.

В биологический ученик из глаз его апертура в номенклатуре оптики; радужная оболочка - это диафрагма, которая служит ограничителем диафрагмы. Преломление в роговица вызывает эффективную апертуру ( вступительный ученик на языке оптики) немного отличаться от физического диаметра зрачка. Входной зрачок обычно составляет около 4 мм в диаметре, хотя он может составлять от 2 мм (ж/8.3 ) в ярко освещенном месте до 8 мм (ж/2.1) в темноте.

В астрономии диаметр диафрагмы (называемый отверстие) является критическим параметром при проектировании телескоп. Как правило, хотелось бы отверстие быть как можно большим, чтобы собрать 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, закрытая апертура техника z-сканирования, дифракции / картины и очистка луча.[4] Лазерные применения включают пространственные фильтры, модуляцию добротности, контроль рентгеновского излучения высокой интенсивности.

В световой микроскопии слово диафрагма может использоваться по отношению к конденсатор (изменяет угол падения света на поле образца), диафрагму поля (изменяет область освещения) или, возможно, линзу объектива (формирует первичное изображение). Увидеть Оптический микроскоп.

В фотографии

Апертурная диафрагма фотографический объектив можно отрегулировать, чтобы контролировать количество свет достижение фильм или датчик изображений. В сочетании с вариацией Скорость затвора, размер диафрагмы будет регулировать степень сжатия пленки или датчика изображения. воздействие зажечь. Обычно для быстрого затвора требуется большая диафрагма, чтобы обеспечить достаточную световую экспозицию, а для медленного затвора требуется меньшая диафрагма, чтобы избежать чрезмерной экспозиции.

Схема уменьшения размеров диафрагмы (увеличение f-числа ) для приращений "полная остановка" (коэффициент площади апертуры два на ступень)

Устройство под названием диафрагма обычно служит диафрагмой и регулирует диафрагму. Диафрагма работает так же, как и Ирис из глаз - контролирует эффективную диаметр отверстия линзы. Уменьшение размера апертуры увеличивает глубина резкости, который 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 f-число, соотношение фокусное расстояние 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 фактору 2 (примерно 1,41) изменение числа f, что, в свою очередь, соответствует двукратному изменению силы 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.[5]

Типичные диапазоны диафрагм, используемых в фотографии, составляют около ж/2.8–ж/ 22 или ж/2–ж/16,[6] покрытие шести остановок, которые можно условно разделить на широкие, средние и узкие, по две остановки каждая (с использованием круглых чисел) ж/2–ж/4, ж/4–ж/ 8 и ж/8–ж/ 16 или (для более светосильного объектива) ж/2.8–ж/5.6, ж/5.6–ж/ 11, и ж/11–ж/ 22. Это не резкие деления, и диапазоны для конкретных линз могут быть разными.

Максимальные и минимальные отверстия

Спецификации для данного объектива обычно включают максимальный и минимальный размеры диафрагмы, например: ж/1.4–ж/ 22. В таком случае, ж/1.4 - максимальная диафрагма (самое широкое отверстие), а ж/ 22 - минимальное отверстие (наименьшее отверстие). Максимальное отверстие диафрагмы, как правило, представляет наибольший интерес и всегда учитывается при описании объектива. Это значение также известно как линза "светочувствительность", так как это влияет на время экспозиции. Апертура пропорциональна квадратному корню из пропускаемого света и, следовательно, обратно пропорциональна квадратному корню из требуемого времени экспозиции, так что апертура составляет ж/ 2 позволяет выдерживать время в четверть от ж/4.

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

Линзы с открывающейся диафрагмой ж/2,8 или больше называются «светосильными» линзами, хотя конкретная точка со временем менялась (например, в начале 20-го века отверстие диафрагмы шире, чем ж/ 6 считались быстрыми[нужна цитата ]). Самые светосильные линзы для обычных 35 мм пленка формат в общем производстве имеют апертуры ж/1.2 или ж/1.4, а больше на ж/1.8 и ж/2.0, и многие на ж/2.8 или медленнее; ж/1.0 необычный, хотя и находит применение. При сравнении «светосильных» объективов формат изображения необходимо учитывать. Линзы, предназначенные для малого формата, например половина кадра или APS-C нужно проецировать гораздо меньший круг изображения чем линза, используемая для большой формат 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; увидеть светосила: светосильные линзы для подробного списка. Например, как нынешний Leica Noctilux-M 50mm ASPH, так и дальномерный объектив Canon 50mm 1960-х годов имеют максимальную диафрагму ж/0.95.[7] В последние годы появились более дешевые альтернативы, такие как Косина Фойгтлендер 17,5 мм ж/0.95, 25 мм ж/0,95 и 42,5 мм ж/0,95 линзы с ручной фокусировкой для Система Micro Four-Thirds.[8][9][10]

У профессиональных объективов для некоторых кинокамер f-число составляет всего ж/0.75. Стэнли Кубрик фильм Барри Линдон есть сцены, снятые при свечах на NASA / Zeiss 50mm f / 0.7,[11] самый светосильный объектив 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) ж/2,8 до ж/6.3 через их диапазон. Объективы высокого класса будут иметь постоянную диафрагму, например ж/2.8 или ж/ 4, что означает, что относительная диафрагма останется неизменной во всем диапазоне увеличения. 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; ж/3,5 до ж/5.6 - это пример обычного диапазона переменной диафрагмы в потребительских вариообъективах.

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 апертур обычно мало пользы. Соответственно, объективы DSLR обычно имеют минимальную апертуру ж/16, ж/ 22, или ж/ 32, а большой формат может снизиться до ж/ 64, что отражено в названии Группа f / 64. Глубина резкости - серьезная проблема в макросъемка Однако и там видны отверстия меньшего размера. Например, Canon MP-E 65 мм может иметь эффективную апертуру (из-за увеличения) размером с ж/ 96. В точечное отверстие оптика для Lensbaby творческие линзы имеют апертуру всего ж/177.[12]

Площадь апертуры

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

Если две эквивалентные формы связаны через f-число N = f / D, с участием фокусное расстояние ж и диаметр апертуры D.

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

Если две камеры разного формата и фокусного расстояния имеют одинаковое угол обзора и одинаковой площади диафрагмы, они собирают одинаковое количество света от сцены. В этом случае относительная фокальная плоскость освещенность, однако, будет зависеть только от f-числа N, поэтому он меньше в камере с большим форматом, большим фокусным расстоянием и большим диафрагменным числом. Это предполагает, что обе линзы имеют одинаковый коэффициент пропускания.

Управление диафрагмой

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

Хотя еще в 1933 году Торкель Корлинг изобрел и запатентовал Графлекс широкоформатная зеркальная камера с автоматической регулировкой диафрагмы,[13] не все ранние 35-мм однообъективные зеркальные камеры имели эту функцию. При небольшой диафрагме это затемняло видоискатель, что затрудняло просмотр, фокусировку и композицию.[14] 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 г. SLR камера производители отдельно разработали автоматическая регулировка диафрагмыМиранда Т 'Автоматическая диафрагма давления' и другие решения на Exakta Varex IIa и Praktica FX2 ), позволяя просматривать с максимальной диафрагмой объектива, останавливая объектив до рабочей диафрагмы в момент экспонирования и возвращая объектив на максимальную диафрагму после этого.[15] Первые зеркальные фотоаппараты с внутренним ("через объектив" или "TTL" ) метров (например, Pentax Spotmatic ) требовал, 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;[15] эта функция стала известна как замер на открытой апертуре.

Для некоторых линз, включая несколько длинных телефото, линзы установлены на мехи, и управление перспективой и наклон / смещение линзы механическое соединение было непрактичным,[15] и автоматического управления диафрагмой не предусматривалось. Многие такие объективы имеют функцию, известную как «предустановленная» диафрагма,[15][16] который позволяет установить объектив на рабочую диафрагму, а затем быстро переключаться между рабочей диафрагмой и полной диафрагмой, не глядя на регулятор диафрагмы. 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 мм. ж/3.5 и SMC Pentax Shift 6 × 7 75 мм ж/4.5. Nikon PC Micro-Nikkor 85 мм жОбъектив /2.8D имеет механическую кнопку, которая устанавливает рабочую диафрагму при нажатии и восстанавливает полную диафрагму при втором нажатии.

Canon EF линзы, представленные в 1987 г.,[17] иметь электромагнитные диафрагмы,[18] устраняет необходимость в механическом соединении между камерой и объективом и позволяет автоматически регулировать диафрагму с помощью объективов Canon TS-E с функцией наклона / сдвига. Объективы Nikon PC-E с регулировкой перспективы,[19] введены в 2008 году, также имеют электромагнитные диафрагмы,[20] эта функция была расширена в их модельном ряду E-type в 2013 году.

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 на пределе 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 ж-число оптимально для резкости изображения, для данной глубины резкости[21] - более широкая апертура (меньшая ж-число) вызывает большую расфокусировку, а более узкую диафрагму (более высокую ж-число) вызывает большую дифракцию.

Что касается производительности, объективы часто не работают оптимально при полном открытии, и, следовательно, обычно имеют лучшую резкость при остановке на некотором расстоянии - обратите внимание, что это резкость в плоскости критический фокус, не говоря уже о глубине резкости. После определенного момента остановка резкости не приводит к дальнейшему увеличению резкости, и дифракция становится значительной. Соответственно, есть золотая середина, обычно в ж/4 – ж/ 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 оказывает.

Оптимальную диафрагму можно определить механически, но насколько резкость требуется зависит от того, как будет использоваться изображение - если конечное изображение просматривается в нормальных условиях (например, изображение размером 8 ″ × 10 ″ просматривается на 10 ″), этого может быть достаточно для определения ж-число 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; смотрите также критическая 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, скорректированное таким образом, чтобы оно соответствовало числу f для абсолютного диаметра апертуры того же размера на объективе с Эквивалентное фокусное расстояние 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, Sony Cyber-shot DSC-RX10 использует 1-дюймовый сенсор, 24–200 мм с максимальной постоянной диафрагмой в диапазоне масштабирования; ж/2,8 имеет эквивалентный диапазон диафрагмы ж/7.6, что является более низким эквивалентом f-числа, чем некоторые другие ж/ 2,8 камеры с меньшими сенсорами.[22]

При сканировании или выборке

Условия сканирующая апертура и отверстие для отбора проб часто используются для обозначения отверстия, через которое производится выборка или сканирование изображения, например, в Барабанный сканер, датчик изображений, или телевизионный звукосниматель. Апертура выборки может быть буквальной оптической апертурой, то есть небольшим отверстием в пространстве, или это может быть апертура временной области для отбор проб форма сигнала.

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

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Томас Блаунт, Glossographia Anglicana Nova: Или, Словарь, интерпретирующий такие жесткие слова любого языка, которые в настоящее время используются в английском языке, с их этимологией, определениями и т. Д. Кроме того, термины Божественности, Закона, Физики, Математики, Истории, Сельского хозяйства, Логики, Метафизики, Грамматики, Поэзии, Музыки, Геральдики, Архитектуры, Живописи, Войны и всех других искусств и наук объясняются здесь с наилучшего Современные авторы, такие как сэр Исаак Ньютон, доктор Харрис, доктор Грегори, мистер Лок, мистер Эвелин, мистер Драйден, мистер Блант и т. Д., Лондон, 1707 год.
  2. ^ «Остановки экспозиции в фотографии - Руководство для начинающих». Фотография Жизнь. Получено 10 мая 2019.
  3. ^ Николас Итон, Питер В. Дрейпер и Аласдер Аллан, Методы апертурной фотометрии В архиве 11 марта 2007 г. Wayback Machine в PHOTOM - Пакет фотометрии, 20 августа 2002 г.
  4. ^ Рашидиан Вазири, М. Р. (2015). "Роль апертуры в экспериментах Z-сканирования: параметрическое исследование". Китайская физика B. 24 (11): 114206. Bibcode:2015ЧФБ..24к4206Р. Дои:10.1088/1674-1056/24/11/114206.
  5. ^ «Диафрагма и выдержка в цифровых фотоаппаратах». elite-cameras.com. Архивировано из оригинал 20 июня 2006 г.. Получено 20 июн 2006. (исходная ссылка больше не работает, но страница была сохранена на archive.org)
  6. ^ Что такое ... Диафрагма?
  7. ^ Махони, Джон. «Объектив Leica Noctilux 50mm f / 0.95 за 11000 долларов - это совиный глаз ночного видения для вашей камеры». gizmodo.com. Получено 15 апреля 2018.
  8. ^ "Объектив Voigtlander Nokton 17.5mm f / 0.95 для Micro Four BA175M B&H". www.bhphotovideo.com. Получено 15 апреля 2018.
  9. ^ "Voigtlander BA259M2 Замена для Voigtlander BA259M - B&H". www.bhphotovideo.com. Получено 15 апреля 2018.
  10. ^ "Объектив Voigtlander Nokton 42.5mm f / 0.95 Micro Four-Thirds BA425M". www.bhphotovideo.com. Получено 15 апреля 2018.
  11. ^ Эд ДиДжиулио (президент, Корпорация Cinema Products ). «Две специальные линзы для Барри Линдон"
  12. ^ «Фотосъемка точечных отверстий и зональных пластин для зеркальных камер». Оптика Lensbaby Pinhole. Архивировано из оригинал 1 мая 2011 г.
  13. ^ Патент США 2,029,238 Механизм камеры, заявка 4 июня 1933 г.
  14. ^ Шипман, Карл (1977). Справочник фотографов SLR. Тусон, Аризона: Книги HP. стр.53. ISBN  0-912656-59-X.
  15. ^ а б c d Сидни Ф. Рэй. Геометрия формирования изображения. В Руководство по фотографии: фотография и цифровая обработка изображений, 9 изд., С. 136–137. Эд. Ральф Э. Якобсон, Сидни Ф. Рэй, Джеффри Г. Аттеридж и Норман Р. Аксфорд. Оксфорд: Focal Press, 2000. ISBN  0-240-51574-9
  16. ^ Б. "Лосиный" Петерсон. Системный справочник Nikon. Нью-Йорк: Images Press, 1997, стр. 42–43. ISBN  0-929667-03-4
  17. ^ Canon Camera Museum. По состоянию на 12 декабря 2008 г.
  18. ^ EF Lens Work III: глазами EOS. Токио: Canon Inc., 2003, стр. 190–191.
  19. ^ Веб-сайт Nikon в США В архиве 12 декабря 2008 г. Wayback Machine. По состоянию на 12 декабря 2008 г.
  20. ^ Брошюра со сравнением продуктов Nikon PC-E В архиве 17 декабря 2008 г. Wayback Machine. По состоянию на 12 декабря 2008 г.
  21. ^ «Дифракция и оптимальная апертура - размер формата и дифракционные ограничения резкости». www.bobatkins.com. Получено 15 апреля 2018.
  22. ^ Р. Батлер. "Обзор первых впечатлений от Sony Cyber-shot DSC RX10". Получено 19 января 2014.
  • Гибсон, Х. Лу. 1975 г. Фотография крупным планом и фотомакрография. 2-е объединенное изд. Публикация Kodak № N-16. Рочестер, штат Нью-Йорк: Eastman Kodak Company, 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 как изображения GIF на Страница большого формата.

внешние ссылки