В оптике апертура оптической системы (в том числе системы, состоящей из одной линзы) — это отверстие или отверстие, которое в первую очередь ограничивает свет , распространяющийся через систему. Точнее, входной зрачок как изображение передней стороны апертуры и фокусное расстояние оптической системы определяют угол конуса пучка лучей , который фокусируется в плоскости изображения .
Оптическая система обычно имеет множество отверстий или структур, ограничивающих пучки лучей (пучки лучей также известны как световые пучки ). Эти структуры могут представлять собой край линзы или зеркала , кольцо или другое приспособление, которое удерживает оптический элемент на месте, или может быть специальным элементом, например диафрагмой, помещенным на оптический путь для ограничения света, пропускаемого системой. В общем, эти конструкции называются диафрагмами [2] , а апертурная диафрагма — это диафрагма, которая в первую очередь определяет конус лучей, которые принимает оптическая система (см. Входной зрачок ). В результате он также определяет угол конуса луча и яркость в точке изображения (см. выходной зрачок ). Стопор диафрагмы обычно зависит от местоположения точки объекта; Точки объекта на оси в разных плоскостях объекта могут иметь разные диафрагменные диафрагмы, и даже точки объекта в разных боковых положениях в одной и той же объектной плоскости могут иметь разные диафрагменные диафрагмы ( виньетирование ). [3] На практике многие объектные системы проектируются так, чтобы иметь одну диафрагму на заданном рабочем расстоянии и в поле зрения .
В некоторых контекстах, особенно в фотографии и астрономии , апертура относится к диаметру отверстия диафрагмы, через которое может проходить свет. Например, в телескопе диафрагменный ограничитель обычно представляет собой края объектива или зеркала (или крепления, на котором оно удерживается). Тогда говорят, что телескоп имеет, например, апертуру 100 см (39 дюймов). Диафрагменная диафрагма не обязательно является самой маленькой диафрагменной диафрагмой в системе. Увеличение и уменьшение с помощью линз и других элементов может привести к тому, что относительно большая диафрагма станет диафрагмой для системы. В астрофотографии апертура может быть задана как линейная мера (например, в дюймах или миллиметрах) или как безразмерное отношение между этой мерой и фокусным расстоянием . В других фотографиях его обычно выражают в виде соотношения.
Обычно ожидается, что термин «апертура» относится к открытию диафрагмы, но на самом деле термины «апертура» и «апертура» используются смешанно. Иногда диафрагмами называют даже диафрагму, не являющуюся диафрагмой оптической системы. Контексты должны уточнить эти термины.
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. [4]
Диафрагменный ограничитель является важным элементом большинства оптических конструкций. Его наиболее очевидной особенностью является то, что он ограничивает количество света, который может достичь плоскости изображения/пленки . Это может быть либо неизбежным из-за практического ограничения размера диафрагмы, когда хочется собрать как можно больше света в телескопах для получения четких изображений, например, диафрагма большего размера требует оптики большего диаметра, которая тяжелее и дороже, или преднамеренно, чтобы предотвратить насыщение детектора или передержку пленки. В обоих случаях размер диафрагмы определяет количество света, пропускаемого оптической системой. Остановка диафрагмы также влияет на свойства оптической системы следующим образом:
Помимо диафрагмы, фотообъектив может иметь одну или несколько диафрагменных диафрагм , которые ограничивают поле зрения системы . Когда поле зрения ограничено диафрагмой в объективе (а не на пленке или сенсоре), возникает виньетирование ; это проблема только в том случае, если полученное поле зрения меньше желаемого.
Биологический зрачок глаза — это апертура глаза в номенклатуре оптики; радужная оболочка (открытие которой является биологическим зрачком) — это диафрагма, служащая ограничителем диафрагмы (открытие которой является апертурой). Из-за рефракции 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) во тьме.
В астрономии диаметр отверстия диафрагмы (называемый апертурой ) является критическим параметром при проектировании телескопа . Как правило, желательно, чтобы апертура была как можно большей, чтобы собрать максимальное количество света от отображаемых удаленных объектов. Однако на практике размер апертуры ограничен соображениями стоимости и времени ее изготовления, а также ее веса, а также предотвращения аберраций (как упоминалось выше).
Апертуры также используются для контроля энергии лазера, техники z-сканирования с закрытой апертурой , дифракции/рисунков и очистки луча. [5] Лазерные применения включают пространственные фильтры , модуляцию добротности , рентгеновский контроль высокой интенсивности.
В световой микроскопии слово апертура может использоваться в отношении конденсора ( который изменяет угол света на поле образца), полевой диафрагмы (которая меняет область освещения образцов) или, возможно, объектива (формирует первичные изображения). . См. Оптический микроскоп .
Диафрагму фотообъектива можно регулировать, чтобы контролировать количество света , попадающего на пленку или датчик изображения . В сочетании с изменением выдержки размер диафрагмы будет регулировать степень воздействия света на пленку или датчик изображения . Обычно для быстрого затвора требуется большая диафрагма, чтобы обеспечить достаточную освещенность, а для медленного затвора требуется меньшая диафрагма, чтобы избежать чрезмерной экспозиции.
Устройство, называемое диафрагмой , обычно служит диафрагменным ограничителем и управляет диафрагмой (открытием диафрагменного ограничителя). Диафрагма функционирует так же, как радужная оболочка глаза : она контролирует эффективный диаметр отверстия хрусталика (так называемого зрачка в глазах). Уменьшение размера диафрагмы (увеличение числа f) обеспечивает попадание меньшего количества света на матрицу, а также увеличивает глубину резкости (путем ограничения угла конуса света изображения, попадающего на матрицу), что описывает степень, в которой объект съемки находится ближе или ближе к матрице. объект, находящийся дальше от фактической плоскости фокуса, кажется в фокусе. В общем, чем меньше диафрагма (чем больше число f), тем на большем расстоянии от плоскости фокусировки может находиться объект съемки, оставаясь при этом в фокусе.
Апертура объектива обычно определяется как число f — отношение фокусного расстояния к эффективному диаметру апертуры (диаметр входного зрачка ). Объектив обычно имеет набор отмеченных «диафрагм», на которые можно установить число f. Меньшее число f означает большую диафрагму, которая позволяет большему количеству света достигать пленки или датчика изображения. Термин «одна диафрагма» в фотографии относится к изменению числа f в √ 2 (приблизительно 1,41), что, в свою очередь, соответствует изменению интенсивности света в 2 раза за счет изменения диаметра апертуры в 2 раза.
Приоритет диафрагмы — полуавтоматический режим съемки, используемый в фотоаппаратах. Это позволяет фотографу выбрать настройку диафрагмы, а камера сама определяет 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. [6]
Типичные диапазоны диафрагм, используемые в фотографии, составляют околоf/2,8–f/22илиf/2–f/16, [7] охватывает шесть стопов, которые можно условно разделить на широкие, средние и узкие, по два стопа в каждом (с использованием круглых чисел)f/2–f/4,f/4–f/8, иf/8–f/16или (для более медленного объектива)f/2,8–f/5,6,f/5,6–f/11, иf/11–f/22. Это не резкие деления, и диапазоны для конкретных объективов различаются.
Технические характеристики конкретного объектива обычно включают максимальный и минимальный размеры диафрагмы (отверстия), например:f/0,95–f/22. В этом случае,f/0,95в настоящее время это максимальная диафрагма (самое широкое отверстие в полнокадровом формате для практического использования [8] ), иf/22— минимальная апертура (наименьшее отверстие). Максимальная диафрагма, как правило, представляет наибольший интерес и всегда включается в описание объектива. Это значение также известно как «скорость» объектива , поскольку оно влияет на время экспозиции. Поскольку площадь апертуры пропорциональна свету, пропускаемому линзой или оптической системой, диаметр апертуры пропорционален корню квадратному из пропущенного света и, таким образом, обратно пропорционален корню квадратному из требуемого времени экспозиции, так что апертураf/2позволяет выдерживать время экспозиции в четверть меньше, чемf/4. (f/2в 4 раза больше, чемf/4в районе апертуры.)
Линзы с открывающейся диафрагмойf/2,8или шире называются «быстрыми» объективами, хотя конкретная точка со временем менялась (например, в начале 20 века апертурные отверстия были шире, чемf/6считались быстрыми. [9] Самые светосильные объективы для обычного формата пленки 35 мм имеют диафрагмуf/1,2илиf/1,4, и больше вf/1,8иf/2,0и многие вf/2,8или медленнее;f/1,0необычно, хотя и видит некоторую пользу. При сравнении «светосильных» объективов необходимо учитывать используемый формат изображения . Объективы, предназначенные для небольшого формата, такого как полукадр или APS-C, должны проецировать гораздо меньший круг изображения , чем объектив, используемый для фотографии большого формата . Таким образом, оптические элементы, встроенные в объектив, могут быть намного меньше и дешевле.
В исключительных обстоятельствах объективы могут иметь еще более широкую апертуру с числом f меньше 1,0; Подробный список см. в разделе « Скорость объектива: светосильные линзы» . Например, и нынешний объектив Leica Noctilux-M 50 мм ASPH, и дальномерный объектив Canon 50 мм 1960-х годов имеют максимальную диафрагмуf/0,95. [10] В начале 2010-х годов начали появляться более дешевые альтернативы, такие как Cosina Voigtländer. f/0,95Ноктон (несколько вдиапазон 10,5–60 мм ) иf/0,8(29 мм ) Объективы с ручной фокусировкой Super Nokton для системы Micro Four-Thirds , [11] и Venus Optics (Laowa) Argus35 мм f/0,95. [8]
Профессиональные объективы для некоторых кинокамер имеют число f всего лишьf/0,75. В фильме Стэнли Кубрика «Барри Линдон» есть сцены, снятые при свете свечей с помощью NASA/Zeiss 50mm f/0.7 , [12] самого светосильного объектива в истории кино. Помимо стоимости, эти объективы имеют ограниченное применение из-за соответственно меньшей глубины резкости (ГРИП) — сцена должна быть либо мелкой, снятой с большого расстояния, либо будет значительно расфокусирована, хотя это может быть желаемым эффектом.
Зум-объективы обычно имеют максимальную относительную апертуру (минимальное число f)f/2,8кf/6,3через их диапазон. Объективы высокого класса будут иметь постоянную диафрагму, напримерf/2,8илиf/4, что означает, что относительное отверстие останется неизменным во всем диапазоне масштабирования. Более типичный потребительский зум будет иметь переменное максимальное относительное отверстие, поскольку на больших фокусных расстояниях сложнее и дороже поддерживать максимальное относительное отверстие пропорционально фокусному расстоянию;f/3,5кf/5,6является примером обычного 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 на краях диафрагмы. , тогда как добавленная глубина резкости обычно бесполезна, и поэтому от использования такой диафрагмы, как правило, пользы мало. Соответственно, объектив зеркальной камеры обычно имеет минимальную диафрагмуf/16,f/22, илиf/32, тогда как большой формат может опускаться доf/64, что отражено в названии группы f/64 . Однако глубина резкости является серьезной проблемой в макросъемке , и здесь можно увидеть меньшие значения диафрагмы. Например, Canon MP-E 65 мм может иметь эффективную диафрагму (из-за увеличения) всегоf/96. Оптика - обскура креативных линз Lensbaby имеет апертуру всегоf/177. [13]
Количество света, улавливаемого оптической системой, пропорционально площади входного зрачка - пространственного изображения объекта апертуры системы, равному:
Где две эквивалентные формы связаны через f-число N = f / D с фокусным расстоянием f и диаметром входного зрачка 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 отбросить, оставив площадь, пропорциональную обратному квадрату f-числа N.
Если две камеры разных размеров и фокусных расстояний 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 f-числа N , поэтому она меньше в камере с большим форматом, большим фокусным расстоянием и более высоким f-числом. Это предполагает, что обе линзы имеют одинаковую прозрачность.
Хотя еще в 1933 году Торкель Корлинг изобрел и запатентовал для широкоформатной зеркальной камеры Graflex автоматическое управление диафрагмой, [14] не все ранние 35-мм однообъективные зеркальные камеры имели эту функцию. Из-за маленькой диафрагмы видоискатель затемнялся, что затрудняло просмотр, фокусировку и композицию. [15] Конструкция Корлинга позволяла осуществлять просмотр при полной диафрагме для точной фокусировки, закрывая заранее выбранное отверстие диафрагмы при срабатывании затвора и одновременно синхронизируя срабатывание вспышки. С 1956 года производители зеркальных фотоаппаратов отдельно разработали автоматическое управление диафрагмой ( Miranda T «Автоматическая диафрагма по давлению» и другие решения на Exakta Varex IIa и Praktica FX2 ), позволяющие вести просмотр при максимальной диафрагме объектива, останавливая объектив до рабочей диафрагмы при момент экспозиции и затем возвращаем объектив на максимальную диафрагму. [16] Первые зеркальные фотоаппараты с внутренним ( «сквозным» или «TTL» ) измерителем (например, Pentax Spotmatic ) требовали, чтобы объектив останавливался до рабочей апертуры при снятии показаний замера. В последующих моделях вскоре появилась механическая связь между объективом и корпусом камеры, указывающая рабочую диафрагму камеры для экспозиции, в то же время позволяя объективу иметь максимальную диафрагму для композиции и фокусировки; [16] эта функция стала известна как замер с открытой диафрагмой .
Для некоторых объективов, в том числе нескольких длинных телеобъективов , объективов, установленных на сильфонах , а также объективов с контролем перспективы и наклона/сдвига , механическое соединение было непрактичным [16] , а автоматическое управление диафрагмой не предусматривалось. Многие такие объективы имеют функцию, известную как «предустановленная» диафрагма, [16] [17] , которая позволяет устанавливать объектив на рабочую диафрагму, а затем быстро переключаться между рабочей диафрагмой и полной диафрагмой, не обращая внимания на регулятор диафрагмы. Типичная операция может состоять в том, чтобы установить приблизительную композицию, установить рабочую диафрагму для замера, вернуться к полной диафрагме для окончательной проверки фокуса и композиции, а также фокусировки и, наконец, вернуться к рабочей диафрагме непосредственно перед экспонированием. Хотя это немного проще, чем дозирование с остановкой, работа менее удобна, чем автоматическая. Предварительно установленные элементы управления диафрагмой приняли несколько форм; Наиболее распространенным было использование по существу двух колец диафрагмы объектива, одно из которых устанавливало диафрагму, а другое служило ограничителем при переключении на рабочую диафрагму. Примерами объективов с таким типом управления предустановленной диафрагмой являются Nikon PC Nikkor 28 мм.f/3,5и SMC Pentax Shift 6×7 75 мм.f/4,5. Nikon PC Micro-Nikkor 85 ммf/2,8DОбъектив оснащен механической кнопкой, которая устанавливает рабочую диафрагму при нажатии и восстанавливает полную диафрагму при втором нажатии.
Объективы Canon EF , представленные в 1987 году, [18] имеют электромагнитные диафрагмы, [19] устраняющие необходимость в механической связи между камерой и объективом и обеспечивающие автоматическое управление диафрагмой с помощью наклонно-сдвигающихся объективов Canon TS-E. Объективы Nikon PC-E с контролем перспективы [20] , представленные в 2008 году, также имеют электромагнитные диафрагмы, [21] эта функция была распространена на их линейку E-типа в 2013 году.
Оптимальная диафрагма зависит как от оптики (глубина сцены в зависимости от дифракции), так и от характеристик объектива.
Оптически, когда объектив останавливается, размытие расфокусировки в пределах глубины резкости (ГРИП) уменьшается, но дифракционное размытие увеличивается. Присутствие этих двух противоположных факторов подразумевает точку, в которой комбинированное пятно размытия сводится к минимуму (Гибсон 1975, 64); в этот момент число f является оптимальным для резкости изображения, для данной глубины резкости [22] – более широкая диафрагма (меньшее число f ) вызывает большую расфокусировку, в то время как более узкая диафрагма (более высокое число f ) вызывает большую дифракцию .
Что касается производительности, объективы часто не работают оптимально в полностью открытом положении и, следовательно, обычно имеют лучшую резкость при некотором прикрытии – это резкость в плоскости критического фокуса , если оставить в стороне вопросы глубины резкости. После определенного момента уменьшение резкости больше не дает никакого преимущества, и дифракция, возникающая на краях апертуры, начинает становиться существенной для качества изображения. Соответственно, есть золотая середина, как правило, вf/4–f/8диапазон, в зависимости от объектива, где резкость оптимальна, хотя некоторые объективы рассчитаны на оптимальную работу при широко открытой диафрагме. Насколько существенно это зависит от объектива, и мнения о том, какое практическое значение это имеет, различаются.
Хотя оптимальную диафрагму можно определить механически, требуемая резкость зависит от того, как изображение будет использоваться – если окончательное изображение просматривается в нормальных условиях (например, изображение размером 8″×10″ при просмотре с разрешением 10″), этого может быть достаточно. для определения числа f , используя критерии минимально необходимой резкости, и дальнейшее уменьшение размера пятна размытия может не принести никакой практической пользы. Но это может быть не так, если окончательное изображение просматривается в более жестких условиях, например, очень большое конечное изображение рассматривается на нормальном расстоянии или часть изображения увеличивается до нормального размера (Hansma 1996). Хансма также предполагает, что размер окончательного изображения может быть неизвестен при съемке фотографии, а получение максимально возможной резкости позволяет принять решение о создании большого окончательного изображения позже; см. также критическую резкость .
В цифровой фотографии диапазон диафрагмы, эквивалентный 35 мм, иногда считается более важным, чем фактическое число f. Эквивалентная диафрагма — это число f, отрегулированное так, чтобы оно соответствовало числу f 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 за счет большего количества света от объекта, а также к уменьшению глубины резкости. Например, в Sony Cyber-shot DSC-RX10 используется матрица размером 1 дюйм, 24–200 мм с максимальной постоянной диафрагмы во всем диапазоне зума; f/2,8имеет эквивалентный диапазон диафрагмыf/7,6, что является более низким эквивалентным f-числом, чем какое-либо другоеf/2,8камеры с меньшими сенсорами. [23]
Однако современные оптические исследования приходят к выводу, что размер сенсора на самом деле не играет роли в глубине резкости изображения. [24] Число f диафрагмы не зависит от размера сенсора камеры, поскольку это соотношение относится только к характеристикам объектива. Вместо этого более высокий кроп-фактор, возникающий в результате меньшего размера сенсора, означает, что для получения равного кадрирования объекта фотография должна быть сделана с большего расстояния, что приводит к менее размытому фону, изменяющему воспринимаемое изображение. глубина резкости. Аналогичным образом, датчик меньшего размера с эквивалентной апертурой приведет к более темному изображению из-за плотности пикселей датчиков меньшего размера с эквивалентным количеством мегапикселей. Каждому фотообъекту на сенсоре камеры требуется определенная площадь поверхности, не чувствительная к свету, и этот фактор приводит к различиям в шаге пикселей и изменениям соотношения сигнал-шум . Однако ни изменение глубины резкости [25] , ни воспринимаемое изменение светочувствительности [26] не являются результатом диафрагмы. Вместо этого эквивалентную диафрагму можно рассматривать как эмпирическое правило, позволяющее судить, как изменения размера сенсора могут повлиять на изображение, даже если такие качества, как плотность пикселей и расстояние от объекта, являются фактическими причинами изменений в изображении.
Термины «апертура сканирования» и «апертура выборки» часто используются для обозначения отверстия, через которое изображение берется или сканируется, например, в барабанном сканере , датчике изображения или телевизионном устройстве съемки. Апертура выборки может быть буквально оптической апертурой, то есть небольшим отверстием в пространстве, или апертурой во временной области для выборки формы сигнала.
Например, зернистость пленки количественно определяется как зернистость посредством измерения колебаний плотности пленки, наблюдаемых через отверстие для отбора проб 0,048 мм.
Aperture Science, вымышленная компания в вымышленной вселенной Portal , названа в честь оптической системы. В логотипе компании часто присутствует отверстие, и он стал символом сериала, вымышленной компании и Центра компьютерного развития Aperture Science Laboratories , в котором происходит действие серии игр .
