В оптике апертура оптической системы (включая систему , состоящую из одной линзы) — это отверстие или проём, который в первую очередь ограничивает свет, распространяющийся через систему. Более конкретно, входной зрачок как переднее боковое изображение апертуры и фокусное расстояние оптической системы определяют угол конуса пучка лучей , который приходит в фокус в плоскости изображения .
Оптическая система обычно имеет много 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, которое удерживает оптический элемент на месте, или может быть специальным элементом, таким как диафрагма, помещенная на оптический путь для ограничения света, пропускаемого системой. В общем, эти структуры называются диафрагмами, [2] а диафрагма апертуры - это диафрагма, которая в первую очередь определяет конус лучей, принимаемых оптической системой (см. входной зрачок ). В результате она также определяет угол конуса луча и яркость в точке изображения (см. выходной зрачок ). Диафрагма апертуры, как правило, зависит от местоположения точки объекта; осевые точки объекта в разных плоскостях объекта могут иметь разные диафрагмы апертуры, и даже точки объекта в разных боковых положениях в одной и той же плоскости объекта могут иметь разные диафрагмы апертуры ( виньетированные ). [3] На практике многие системы объектов спроектированы так, чтобы иметь одну диафрагму апертуры на проектном рабочем расстоянии и поле зрения .
В некоторых контекстах, особенно в фотографии и астрономии , апертура относится к диаметру отверстия диафрагмы, через которую может проходить свет. Например, в телескопе диафрагмой обычно являются края объектива или зеркала (или крепления, которое его удерживает). Тогда говорят о телескопе как имеющем, например, 100-сантиметровую (39 дюймов) апертуру. Диафрагма апертуры не обязательно является наименьшей диафрагмой в системе. Увеличение и уменьшение увеличения линзами и другими элементами может привести к тому, что относительно большая диафрагма станет диафрагмой апертуры для системы. В астрофотографии диафрагма может быть задана как линейная мера (например, в дюймах или миллиметрах) или как безразмерное отношение между этой мерой и фокусным расстоянием . В других фотографиях она обычно задается как отношение.
Обычно предполагается, что термин «апертура» относится к открытию апертурной диафрагмы, но на самом деле термины «апертура» и «апертурная диафрагма» используются в смешанном виде. Иногда даже диафрагмы, которые не являются апертурной диафрагмой оптической системы, также называются диафрагмами. Контексты должны прояснять 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, в пределах которого предполагается интенсивность света. [4]
Диафрагма апертуры является важным элементом большинства оптических конструкций. Ее наиболее очевидной особенностью является то, что она ограничивает количество света, которое может достичь плоскости изображения/пленки . Это может быть либо неизбежным из-за практического ограничения размера диафрагмы апертуры, либо преднамеренным для предотвращения насыщения детектора или переэкспонирования пленки. В обоих случаях размер диафрагмы апертуры определяет количество света, пропускаемого оптической системой. Диафрагма апертуры также влияет на другие свойства оптической системы:
В дополнение к диафрагме фотографический объектив может иметь одну или несколько диафрагм поля , которые ограничивают поле зрения системы . Когда поле зрения ограничено диафрагмой поля в объективе (а не на пленке или датчике), возникает виньетирование ; это проблема только в том случае, если результирующее поле зрения меньше желаемого.
В астрономии диаметр отверстия диафрагмы апертуры (называемой апертурой ) является критическим параметром в конструкции телескопа . Обычно хотелось бы, чтобы апертура была как можно больше, чтобы собирать максимальное количество света от удаленных объектов, которые отображаются. Однако на практике размер апертуры ограничен соображениями стоимости и времени ее изготовления, ее веса, а также предотвращения аберраций (как упоминалось выше).
Апертуры также используются в управлении лазерной энергией, технике сканирования z-диаграммы с близкой апертурой , дифракциях/образцах и очистке луча. [5] Лазерные приложения включают пространственные фильтры , модуляцию добротности , управление рентгеновским излучением высокой интенсивности.
В световой микроскопии слово апертура может использоваться по отношению либо к конденсору ( который изменяет угол падения света на поле образца), полевой диафрагме (которая изменяет область освещения на образцах) или, возможно, к объективу (формирует первичные изображения). См. Оптический микроскоп .
Диафрагму фотографического объектива можно отрегулировать для управления количеством света , достигающего пленки или датчика изображения . В сочетании с изменением скорости затвора размер диафрагмы будет регулировать степень экспозиции пленки или датчика изображения свету. Обычно для быстрого затвора требуется большая диафрагма, чтобы обеспечить достаточную экспозицию света, а для медленного затвора требуется меньшая диафрагма, чтобы избежать чрезмерной экспозиции.
Устройство, называемое диафрагмой, обычно служит в качестве диафрагмы и управляет диафрагмой (отверстием диафрагмы). Диафрагма функционирует во многом подобно радужной оболочке глаза — она управляет эффективным диаметром отверстия линзы (называемым зрачком в глазах). Уменьшение размера диафрагмы (увеличение числа f) обеспечивает поступление меньшего количества света на датчик, а также увеличивает глубину резкости (ограничивая угол конуса светового конуса изображения, достигающего датчика), которая описывает степень, в которой объект, лежащий ближе или дальше от фактической плоскости фокусировки, кажется находящимся в фокусе. В общем, чем меньше диафрагма (больше число f), тем на большем расстоянии от плоскости фокусировки может находиться объект, оставаясь при этом в фокусе.
Диафрагма объектива обычно указывается как f-число , отношение фокусного расстояния к эффективному диаметру диафрагмы (диаметр входного зрачка ). Обычно объектив имеет набор отмеченных «f-стопов», на которые можно установить f-число. Меньшее f-число обозначает большую диафрагму, которая позволяет большему количеству света достигать пленки или датчика изображения. Термин «один f-стоп» в фотографии относится к изменению f-числа в √ 2 (приблизительно 1,41), что соответствует изменению √ 2 диаметра диафрагмы, что в свою очередь соответствует изменению интенсивности света в 2 раза (изменению площади диафрагмы в 2 раза).
Приоритет диафрагмы — это полуавтоматический режим съемки, используемый в камерах. Он позволяет фотографу выбирать настройку диафрагмы и позволяет камере определять выдержку, а иногда и чувствительность ISO для правильной экспозиции. Это также называется режимом приоритета диафрагмы (Aperture Priority Auto Exposure), режимом A, режимом AV (режимом значения диафрагмы) или полуавтоматическим режимом. [6]
Типичные диапазоны диафрагм, используемые в фотографии, составляют околодиафрагма /2.8–ж /22илиж /2–ж /16, [7] охватывающий шесть остановок, которые можно разделить на широкую, среднюю и узкую, по две остановки каждая, грубо говоря (используя округленные числа)ж /2–ж /4,ж /4–ж /8, иж /8–ж /16или (для более медленного объектива)диафрагма /2.8–ж /5.6,ж /5.6–ж /11, иж /11–ж /22. Это не четкие границы, и диапазоны для конкретных объективов различаются.
Технические характеристики конкретного объектива обычно включают максимальный и минимальный размер апертуры (отверстия), например:ф /0,95–ж /22. В этом случае,ф /0,95в настоящее время это максимальная диафрагма (самое широкое отверстие в полнокадровом формате для практического использования [8] ), иж /22минимальная апертура (наименьшее отверстие). Максимальная апертура, как правило, представляет наибольший интерес и всегда включается при описании объектива. Это значение также известно как «светосила» объектива , поскольку оно влияет на время экспозиции. Поскольку площадь апертуры пропорциональна свету, пропускаемому объективом или оптической системой, диаметр апертуры пропорционален квадратному корню пропускаемого света и, таким образом, обратно пропорционален квадратному корню требуемого времени экспозиции, так что апертураж /2позволяет выдерживать время экспозиции в четверть меньшеж /4. (ж /2в 4 раза больше, чемж /4в области апертуры.)
Линзы с открывающимися апертурамидиафрагма /2.8или шире называются «быстрыми» объективами, хотя конкретная точка изменилась с течением времени (например, в начале 20-го века отверстия диафрагмы были шире, чемж /6считались быстрыми. [9] Самые быстрые объективы для обычного формата 35 мм пленки в общем производстве имеют апертуруф /1.2илиф /1.4, с более чем надиафрагма /1.8иf /2.0, и многие вдиафрагма /2.8или медленнее;ф /1.0необычно, хотя и имеет некоторое применение. При сравнении «быстрых» объективов необходимо учитывать используемый формат изображения . Объективы, разработанные для малого формата, такого как полукадр или APS-C, должны проецировать гораздо меньший круг изображения , чем объектив, используемый для крупноформатной фотографии. Таким образом, оптические элементы, встроенные в объектив, могут быть намного меньше и дешевле.
В исключительных случаях объективы могут иметь даже более широкую апертуру с f-числами меньше 1,0; см. подробный список в разделе Скорость объектива: быстрые объективы . Например, как текущий Leica Noctilux-M 50 мм ASPH, так и дальномерный объектив Canon 50 мм 1960-х годов имеют максимальную апертуруф /0,95[10] Более дешевые альтернативы начали появляться в начале 2010-х годов, такие как Cosina Voigtländer. ф /0,95Ноктон (несколько вдиапазон 10,5–60 мм ) иф /0,8(29 мм ) Объективы Super Nokton с ручной фокусировкой для системы Micro Four-Thirds [11] и Venus Optics (Laowa) Argus35 мм ф /0,95. [8]
Профессиональные объективы для некоторых кинокамер имеют диафрагменное число всего лишьф /0,75. В фильме Стэнли Кубрика « Барри Линдон» есть сцены, снятые при свечах с помощью NASA/Zeiss 50mm f/0.7 , [12] самого быстрого объектива в истории кино. Помимо стоимости, эти объективы имеют ограниченное применение из-за соответственно меньшей глубины резкости (ГРИП) — сцена должна быть либо неглубокой, снятой с большого расстояния, либо будет значительно расфокусирована, хотя это может быть желаемым эффектом.
Зум-объективы обычно имеют максимальную относительную апертуру (минимальное число f)диафрагма /2.8кж /6.3через их диапазон. Высококлассные объективы будут иметь постоянную апертуру, напримердиафрагма /2.8илиж /4, что означает, что относительное отверстие останется неизменным на всем диапазоне зума. Более типичный потребительский зум будет иметь переменное максимальное относительное отверстие, поскольку сложнее и дороже поддерживать максимальное относительное отверстие пропорциональным фокусному расстоянию на больших фокусных расстояниях;диафрагма /3.5кж /5.6является примером распространенного 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 на основе практичности: очень маленькие диафрагмы имеют более низкую резкость из-за дифракции на краях диафрагмы, в то время как дополнительная глубина резкости, как правило, не полезна, и, таким образом, в использовании таких диафрагм, как правило, мало пользы. Соответственно, объективы DSLR обычно имеют минимальную диафрагмуж /16,ж /22, илиж /32, в то время как большой формат может снизиться дож /64, что отражено в названии группы f/64 . Глубина резкости имеет большое значение в макросъемке , однако, и там можно увидеть меньшие апертуры. Например, Canon MP-E 65mm может иметь эффективную апертуру (из-за увеличения) какф /96. Пинхол -оптика для творческих объективов Lensbaby имеет апертуру всегож /177. [13]
Количество света, улавливаемого оптической системой, пропорционально площади входного зрачка , представляющего собой изображение апертуры системы со стороны пространства предметов, и равно:
Где две эквивалентные формы связаны через диафрагменное 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 него можно использовать значение 1, а другие факторы также можно отбросить, оставив пропорцию площади обратному квадрату числа f N.
Если две камеры разного формата и фокусного расстояния имеют одинаковый угол обзора и одинаковую площадь диафрагмы, они собирают одинаковое количество света от сцены. В этом случае относительная освещенность фокальной плоскости , однако, будет зависеть только от числа f N , поэтому она меньше в камере с большим форматом, большим фокусным расстоянием и большим числом f. Это предполагает, что оба объектива имеют одинаковую пропускаемость.
Хотя еще в 1933 году Торкель Корлинг изобрел и запатентовал для зеркальной камеры Graflex большого формата автоматическое управление диафрагмой, [14] не все ранние 35-миллиметровые однообъективные зеркальные камеры имели эту функцию. При малой диафрагме это затемняло видоискатель, что затрудняло просмотр, фокусировку и композицию. [15] Конструкция Корлинга позволяла просматривать изображение при полной диафрагме для точной фокусировки, закрываясь до предварительно выбранного отверстия диафрагмы при срабатывании затвора и одновременно синхронизируя срабатывание вспышки. С 1956 года производители зеркальных камер по отдельности разрабатывали автоматическое управление диафрагмой ( Miranda T 'Pressure Automatic Diaphragm' и другие решения на Exakta Varex IIa и Praktica FX2 ), что позволяло просматривать изображение при максимальной диафрагме объектива, закрывая объектив до рабочей диафрагмы в момент экспозиции и возвращая объектив к максимальной диафрагме впоследствии. [16] Первые зеркальные камеры с внутренними ( «через объектив» или «TTL» ) экспонометрами (например, Pentax Spotmatic ) требовали, чтобы объектив был закрыт до рабочей диафрагмы при снятии показаний экспонометра. Последующие модели вскоре включили механическое соединение между объективом и корпусом камеры, указывая камере рабочую диафрагму для экспозиции, в то же время позволяя объективу находиться на максимальной диафрагме для композиции и фокусировки; [16] эта функция стала известна как экспонометр с открытой диафрагмой .
Для некоторых объективов, включая несколько длинных телеобъективов , объективов, установленных на мехах , а также объективов с перспективным управлением и наклоном/сдвигом , механическая связь была непрактичной, [16] и автоматическое управление диафрагмой не было предусмотрено. Многие такие объективы включали функцию, известную как «предустановленная» диафрагма, [16] [17] , которая позволяет объективу устанавливаться на рабочую диафрагму, а затем быстро переключаться между рабочей диафрагмой и полной диафрагмой, не глядя на управление диафрагмой. Типичная операция может заключаться в создании грубой композиции, установке рабочей диафрагмы для замера, возврате к полной диафрагме для окончательной проверки фокуса и композиции и фокусировки, и, наконец, возврате к рабочей диафрагме непосредственно перед экспозицией. Хотя это немного проще, чем замер с закрытым диафрагмой, операция менее удобна, чем автоматическая работа. Управление предустановленной диафрагмой приняло несколько форм; наиболее распространенным было использование по существу двух колец диафрагмы объектива, причем одно кольцо устанавливало диафрагму, а другое служило ограничителем при переключении на рабочую диафрагму. Примерами объективов с этим типом управления предустановленной диафрагмой являются Nikon PC Nikkor 28 ммдиафрагма /3.5и SMC Pentax Shift 6×7 75 ммж /4.5. Nikon PC Micro-Nikkor 85 ммf /2.8DОбъектив оснащен механической кнопкой, которая при нажатии устанавливает рабочую диафрагму и восстанавливает полную диафрагму при повторном нажатии.
Объективы Canon EF , представленные в 1987 году, [18] имеют электромагнитные диафрагмы, [19] устраняющие необходимость в механической связи между камерой и объективом и позволяющие автоматически управлять диафрагмой с помощью наклонно-сдвиговых объективов Canon TS-E. Объективы Nikon PC-E с управлением перспективой, [20] представленные в 2008 году, также имеют электромагнитные диафрагмы, [21] функция, распространенная на их линейку E-type в 2013 году.
Оптимальная диафрагма зависит как от оптики (глубины сцены по сравнению с дифракцией), так и от характеристик объектива.
Оптически, когда объектив закрыт, размытость расфокусировки на границах глубины резкости (ГРИП) уменьшается, но размытость дифракции увеличивается. Наличие этих двух противоположных факторов подразумевает точку, в которой объединенное пятно размытия минимизируется (Гибсон 1975, 64); в этой точке число f является оптимальным для резкости изображения, для данной глубины резкости [22] - более широкая апертура (меньшее число f ) вызывает большую расфокусировку, в то время как более узкая апертура (большее число f ) вызывает большую дифракцию.
С точки зрения производительности, объективы часто не работают оптимально, когда полностью открыты, и, таким образом, как правило, имеют лучшую резкость, когда немного прикрыты – это резкость в плоскости критического фокуса , оставляя в стороне вопросы глубины резкости. После определенной точки нет дальнейшего преимущества резкости при закрытии, и дифракция, происходящая на краях апертуры, начинает становиться значимой для качества изображения. Соответственно, есть золотая середина, как правило, вж /4–ж /8диапазон, в зависимости от объектива, где резкость оптимальна, хотя некоторые объективы разработаны для оптимальной работы при широко открытой диафрагме. Насколько это существенно, зависит от объектива, и мнения расходятся относительно того, насколько это имеет практическое значение.
В то время как оптимальная апертура может быть определена механически, требуемая резкость зависит от того, как будет использоваться изображение — если конечное изображение просматривается в нормальных условиях (например, изображение размером 8″×10″, просматриваемое на расстоянии 10″), может быть достаточно определить число f, используя критерии минимально необходимой резкости, и может не быть никакой практической выгоды 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, увеличенная до нормального размера (Hansma 1996). Hansma также предполагает, что размер конечного изображения может быть неизвестен, когда делается фотография, и получение максимально возможной резкости позволяет принять решение о создании большого конечного изображения позднее; см. также критическую резкость .
Во многих живых оптических системах глаз состоит из радужной оболочки , которая регулирует размер зрачка , через который проникает свет. Радужная оболочка аналогична диафрагме, а зрачок (который является регулируемым отверстием в радужной оболочке) — апертуре. Рефракция в роговице приводит к тому, что 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 (ж /8.3) в диаметре в ярко освещенном месте до 8 мм (ф /2.1) в темноте как часть адаптации . В редких случаях некоторые люди способны расширять свои зрачки даже более чем на 8 мм (при скотопическом освещении, близком к физическому пределу радужной оболочки. У людей средний диаметр радужной оболочки составляет около 11,5 мм, [23] что естественным образом влияет и на максимальный размер зрачка, где больший диаметр радужной оболочки обычно имеет зрачки, которые способны расширяться до более широкого предела, чем те, у кого радужная оболочка меньшего размера. Максимальный размер расширенного зрачка также уменьшается с возрастом.
Радужная оболочка контролирует размер зрачка с помощью двух дополнительных групп мышц, сфинктера и дилататора , которые иннервируются парасимпатической и симпатической нервной системой соответственно и действуют, вызывая сужение и расширение зрачка соответственно. Состояние зрачка тесно связано с различными факторами, в первую очередь светом (или его отсутствием), а также эмоциональным состоянием, интересом к объекту внимания, возбуждением , сексуальной стимуляцией , [24] физической активностью, [25] состоянием аккомодации , [26] и когнитивной нагрузкой . [27] Поле зрения не зависит от размера зрачка.
Некоторые люди также способны напрямую осуществлять ручной и сознательный контроль над мышцами радужной оболочки глаза и, следовательно, могут произвольно сужать и расширять зрачки по команде. [28] Однако эта способность встречается редко, а ее потенциальное использование или преимущества неясны.
В цифровой фотографии диапазон диафрагмы, эквивалентный 35 мм, иногда считается более важным, чем фактическое число f. Эквивалентная диафрагма — это число f, скорректированное для соответствия числу f 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 на основе большего общего света от объекта, а также приведут к уменьшению глубины резкости. Например, Sony Cyber-shot DSC-RX10 использует датчик 1", 24–200 мм с максимальной диафрагмой, постоянной по всему диапазону зума; диафрагма /2.8имеет эквивалентный диапазон диафрагмыж /7.6, что является более низким эквивалентным числом f, чем некоторые другиедиафрагма /2.8камеры с меньшими датчиками. [29]
Однако современные оптические исследования приходят к выводу, что размер сенсора на самом деле не играет роли в глубине резкости изображения. [30] Число f диафрагмы не изменяется размером сенсора камеры, поскольку это соотношение, которое относится только к атрибутам объектива. Вместо этого более высокий кроп-фактор, который возникает в результате меньшего размера сенсора, означает, что для того, чтобы получить равное кадрирование объекта, фотография должна быть сделана с большего расстояния, что приводит к менее размытому фону, изменяя воспринимаемую глубину резкости. Аналогично, меньший размер сенсора с эквивалентной диафрагмой приведет к более темному изображению из-за плотности пикселей меньших сенсоров с эквивалентными мегапикселями. Каждый фотоэлемент на сенсоре камеры требует определенного количества поверхности, которая не чувствительна к свету, фактор, который приводит к различиям в шаге пикселя и изменениям в соотношении сигнал-шум . Однако ни измененная глубина резкости, [31] , ни воспринимаемое изменение светочувствительности [32] не являются результатом диафрагмы. Вместо этого эквивалентную апертуру можно рассматривать как эмпирическое правило, позволяющее судить о том, как изменения размера сенсора могут повлиять на изображение, даже если фактическими причинами изменений в изображении являются такие качества, как плотность пикселей и расстояние до объекта.
Термины «сканирующая апертура» и «апертура выборки» часто используются для обозначения отверстия, через которое изображение выбирается или сканируется, например, в сканере барабанного типа , датчике изображения или телевизионном пикап-аппарате. Апертура выборки может быть буквально оптической апертурой, то есть небольшим отверстием в пространстве, или это может быть апертура временной области для выборки формы сигнала.
Например, зернистость пленки количественно определяется путем измерения колебаний плотности пленки, наблюдаемых через апертуру отбора проб размером 0,048 мм.
Aperture Science, вымышленная компания в вымышленной вселенной Portal , названа в честь оптической системы. В логотипе компании широко используется апертура, и она стала символом серии, вымышленной компании и Центра компьютерного обогащения Aperture Science Laboratories, в котором происходит действие серии игр. [33]
