Апертурная диафрагма

Апертурная диафрагма, действующая диафрагма — специально установленная диафрагма или оправа одной из линз, которая ограничивает пучки лучей, выходящие из точек предмета, расположенных на оптической оси и проходящих черезоптическую систему.

Часто, располагается вблизи центра формирующей оптическое изображение оптической системы. Её изображение, сформированное предшествующей (по ходу лучей) частью оптической системы, определяет входной зрачок системы. Сформированное последующей частью — выходной зрачок.

Входной зрачок ограничивает угол раскрытия пучков лучей, идущих от точек объекта; выходной зрачок играет ту же роль для лучей, идущих от изображения объекта.

С увеличением диаметра входного зрачка (действующего отверстия оптической системы) растёт освещённость изображения.

Уменьшение до известного предела действующего отверстия оптической системы (диафрагмирование) улучшает качество изображения, так как при этом из пучка лучей устраняются краевые лучи, на ходе которых в наибольшей степени сказываются аберрации.

Диафрагмирование увеличивает также глубину резкости (глубину резко изображаемого пространства). В то же время, уменьшение действующего отверстия снижает, из-за дифракции света на краях диафрагмы, разрешающую способность оптической системы. В связи с этим апертура оптической системы должна иметь оптимальное значение.

Апертурный угол – это тот угол распространения световых лучей от точки объекта, который «захватывается» объективом. Этот параметр влияет на несколько параметров при съемке. Чем больше апертурный угол, тем больше будет освещенность изображения (изменение в этого числа в N раз приводит к изменению освещенности в N в квадрате раз), но сказывется это не только на экспозицию, но и на качество формируемого изображения.

Апертурный угол представляет из себя конус, исходящий из точки объекта и ограниченный с другой стороны апертурой объектива.

Описывают его обычно одним из следующих понятий:

1.Числовая Апертура (ЧА, в англоязычных источниках Numerical Aperture, N.A.) – синус половины апертурного угла;

2.Эффективный F/#, EFN (в англоязычных источниках, в русскоязычной литературе поскупились на это понятие)- отношение переднего отрезка линзы к к ее полной апертуре, т.е. EFN=2*tg(Sigma/2)=a/D.

Тот параметр, которым характеризуют установку апертуры на объективе – это Диафрагменное Число (К) (или “простой” F/# в англоязычном варианте) – отношение фокусного расстояния объектива к его полной апертуре. Нетрудно показать, что эти величины связаны следующим соотношением:

a=f+z;

z=f/m, где m - увеличение системы;

a=f+f/m=f*(m+1)/m.

Т.е. EFN=a/D=(f/D)*((m+1)/m)=K*(m+1)/m

Естественно, что различаются входной и выходной апертурные углы (в пространстве предметов и пространстве изображения). В пространстве изображения:

EFN'=a'/D;

z'=m/f';

a'=f'+m/f';

EFN'=(f'/D)*(m+1)=K*(m+1)

В фотографии глубина резко изображаемого пространства (ГРИП) — это одна из характеристик объектива.

Глубина резко изображаемого пространства на фотографическом изображении — это расстояние между передней и задней границами резко изображённого пространства, измеренное вдоль оптической оси, в пределах которого объекты съёмки на снимке отображаются безусловно резко.

Во времена плёночных SLR-камер шкала ГРИП находилась на объективе фотоаппарата, и представляла собой две совмещённые шкалы:

1. шкала диафрагменных чисел — на неподвижной части объектива — отложенная влево и вправо зеркально от отметки фокусировки,

2. шкала расстояний до объекта съёмки, на вращающейся части объектива.

После наводки на резкость фотограф плёночной технологии мог оценить по шкале ГРИП границы, в пределах которых на будущем фотоотпечатке объекты будут изображены резко.

Понятия «Глубина резкости» и «ГРИП» не одно и тоже, хотя они и связаны между собой. Глубина резкости объектива определяется выбранной диафрагмой, увеличивается при увеличении дифрагменного числа, отсчитывается по оптической оси, но не в плоскости предметов (объектов съёмки), а в плоскости оптических изображений, за объективом. Практическая оценка этой величины фотографом не производится, используется при изучении теории объектива.

ГРИП — понятие строго математическое, поскольку определяется размером кружка нерезкости, заложенного при проектировании объектива. Размер жекружков рассеяния, образующих изображение, зависит от расстояния от объекта съёмки до плоскости наводки на резкость. Чем больше диаметр такого кружка, тем нерезче изображение объекта. Точки предметов, расположенных вне плоскости фокусировки, могут изображаться резко, если диаметры соответствующих кружков рассеяния не превышают допустимого кружка рассеивания. При рассматривании изображения с расстояния 25 см человеческий глаз воспринимает его как абсолютно резкое, если кружок рассеяния меньше 0, 1 мм.

На глубину резко изображаемого пространства (ГРИП) влияет:

§ диафрагменное число (численное значение диафрагмы, установленное фотографом при съёмке);

§ расстояние до объекта съёмки (плоскости фокусировки);

§ от фокусного расстояния объектива (проверяем по шкалам ГРИП короткофокусного и длиннофокусного объективов, не имеющих механизма автофокусировки);

§ от величины кружка нерезкости объектива (заложенного конструктором в расчёт при проектировании объектива).

При прочих равных условиях:

§ чем диафрагменное число (относительное геометрическое отверстие) больше, тем ГРИП больше;

§ чем расстояние до объекта съёмки больше, тем ГРИП больше;

§ чем фокусное расстояние объектива больше, тем ГРИП меньше;

§ чем кружок рассеяния больше, тем ГРИП больше.

И наоборот, при прочих равных условиях:

§ чем диафрагменное число (относительное геометрическое отверстие) меньше, тем ГРИП меньше;

§ чем расстояние до объекта съёмки меньше, тем ГРИП меньше;

§ чем фокусное расстояние объектива меньше, тем ГРИП больше;

§ чем кружок рассеяния меньше, тем ГРИП меньше.

Упрощённые формулы расчёта ГРИП

Наиболее просты и удобны для практики формулы, в которые введено «гиперфокальное расстояние», или «начало бесконечности».

«Гиперфока́ льное расстоя́ ние» — это расстояние, соответствующее передней границе резко изображаемого пространства при фокусировке объектива на бесконечность, для выбранного диафрагменного числа. «Гиперфокальное расстояние» — называют началом бесконечности для выбранного значения диафрагмы. Для каждого значения диафрагмы это расстояние своё. При съёмке больших пространств для объективов без механизма автофокуса рекомендуется устанавливать объектив не на бесконечность, а именно на гиперфокальное расстояние. Тогда передняя граница резко изображаемого пространства (РИП)приблизится вдвое, а бесконечность окажется на дальней границе РИП. Располагая объекты съёмки не ближе этого расстояния всё изображаемое пространство на фотографии будет безусловно резким.

Находят по формуле:

, где

— фокусное расстояние;

— знаменатель геометрического относительного отверстия;

— диаметр кружка рассеяния;

— гиперфокальное расстояние.

При фотографировании бесконечности использование гиперфокального расстояния очень упрощает формулы расчета границ резко изображаемого пространства:

;

, где

— передняя граница резко изображаемого пространства;

— расстояние, на которое производится наводка на резкость;

— задняя граница резко изображаемого пространства;

— гиперфокальное расстояние при данном геометрическом относительном отверстии.

Из формул следует, что зона резкости по протяженности больше от плоскости наводки до задней границы резкости, чем от плоскости наводки до передней границы резкости.

Для определения плоскости наводки при заданных передней и задней границах резкости пользуются формулой:

4. Зависимость качества изображения, создаваемого объективом, от конструктивных и технологических факторов. Разрешающая способность объектива и её определение. Функция передачи модуляции и её определение.