5 апреля 2013 г. Светосила объектива и освещённость изображения

Весьма важной характеристикой объектива является его светосила.

Под светосилой объектива понимается его способность давать изображение той или иной степени освещённости. Поэтому вполне понятно, что от светосилы зависит величина выдержки при съемке.

Зависимость светосилы от диаметра действующего отверстия объектива.

Если мы возьмем два фотоаппарата, объективы которых имеют одинаковые фокусные расстояния, но разные диаметры, и наведём оба фотоаппарата на один и тот же объект, то изображение будет иметь большую освещённость в том фотоаппарате, объектив которого имеет больший диаметр, так как этот объектив пропустит больше света. Если диаметр действующего отверстия того объектива больше вдвое, то площадь отверстия больше в четыре раза, и объектив пропустит света в четыре раза больше. Следовательно, изображение, даваемое этим объективом, будет иметь освещённость тоже в четыре раза большую. Если диаметр действующего отверстия одного из объективов втрое больше другого, то изображение, даваемое первым объективом, будет иметь в девять раз большую освещённость (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость светосилы от диаметра действующего отверстия объектива.

Таким образом, освещённость изображения, даваемого объективом, прямо пропорциональна квадрату диаметра действующего отверстия этого объектива. Заметим, что диаметр действующего отверстия объектива нельзя измерять по диаметру линзы или диафрагмы. Диаметр действующего отверстия объектива определяется диаметром того параллельного пучка света, который объектив способен пропустить (рис. 2).

Рис. 2. Определение диаметра действующего отверстия объектива.

Поэтому для практического определения диаметра действующего отверстия следует навести фотоаппарат на удалённый предмет (т.е. поставить матовое стекло в фокальную плоскость) и, заменив матовое стекло листом картона с маленьким отверстием в центре, поместить позади этого отверстия источник света, изолировав его от остального пространства. Получится ход лучей, обратный тому, который изображён на рис. 2. Для удобства измерений можно получить изображение действующего отверстия на фотобумаге, проэкспонировав её в контакте с объективом.

Зависимость светосилы от фокусного расстояния объектива.

Если мы возьмем два фотоаппарата, объективы которых имеют одинаковые действующие отверстия, но разные фокусные расстояния, и наведём оба фотоаппарата на один и тот же достаточно удалённый предмет (чтобы изображение предмета получилось приблизительно в фокальных плоскостях), то мы опять-таки получим изображения различной освещённости.

Дело в том, что хотя тот и другой объектив пропускают одинаковые количества света, но распределяется этот свет на разные площади, так как размеры изображений предмета различны в каждом из фотоаппаратов.

Если фокусное расстояние первого объектива вдвое больше, то изображение, даваемое им, будет по своим линейным размерам также вдвое больше изображения, даваемого вторым, а следовательно, по площади первое изображение будет больше второго в четыре раза. Освещённость первого изображения будет в четыре раза меньше, потому что такой же световой поток распределится здесь по площади вчетверо большей (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость светосилы от фокусного расстояния.

Таким образом, освещённость изображения, даваемого объективом, обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния объектива. Объединяя обе зависимости в одну, можно написать, что светосила равна:

Относительное отверстие объектива.

Величина d/f, представляющая собой отношение диаметра действующего отверстия объектива к его фокусному расстоянию, называется относительным отверстием объектива и обычно приводится в виде дроби с числителем 1.

Например, диаметр действующего отверстия объектива «Ортагоз» равен 30 мм., а фокусное расстояние его 135 мм. Значит, относительное отверстие объектива равно: 30/135 = 2/9, но принято писать не 2/9, a 1/4,5 или 1:4,5.

Собственной единицы измерения светосилы в обиходе нет. Характеризуют светосилу непосредственно величиной относительного отверстия, которая и указывается на оправе объектива.

Светосилы объективов относятся между собой как квадраты относительных отверстий. Поэтому при сравнении двух объективов по светосиле относительные отверстия этих объективов возводят в квадрат и делят большее число на меньшее (рис. 4).

Рис. 4. Сравнение светосилы объективов. При полном открытии диафрагмы объектива «Юпитер-8» в три раза светосильнее объектива «Индустар-22».

Сравнив квадраты относительных отверстий объектива «Индустар-22» и «Юпитер-8», видим, что светосила объектива «Индустар-22» в три раза меньше, чем светосила объектива «Юпитер-8».

Шкалы диафрагм.

В практике работы часто приходится уменьшать действующее отверстие объектива. Делается это чаще всего для увеличения глубины резкости. Уменьшается отверстие посредством диафрагмы объектива. В большинстве советских фотоаппаратах применялись ирисовые диафрагмы, состоящие из отдельных лепестков и дающие возможность уменьшать отверстие плавно.

На оправе объектива наносится шкала с обозначением величин относительных отверстий при различных степенях диафрагмирования. Поскольку величины относительных отверстий всегда выражаются дробью с числителем 1, то, чтобы не загромождать шкалу цифрами, на ней проставляются только знаменатели (например, 4,5 вместо 1:4,5). Отметки на шкале наносятся с таким расчетом, что при переходе от одной отметки к другой площадь действующего отверстия объектива изменяется в два раза, а значит, в два раза изменяется и освещённость изображения. Это упрощает расчеты выдержки при изменении диафрагмы: перевод указателя диафрагмы на одно деление шкалы требует изменения выдержки в два раза (при прочих равных условиях и требованиях к негативу). Чтобы упростить расчёты выдержки также и при смене объективов, шкалы на различных объективах размечают в одних и тех же величинах, т.е. за основу принимают определённый ряд относительных отверстий, составленный по указанному выше принципу.

В СССР был принят следующий стандартный ряд значений относительных отверстий: 1:1,4; 1:2; 1:2,8; 1:4; 1:5,6; 1:8; 1:11; 1:16; 1:22.

На многих распространённых объективах еще встречается такой ряд: 1:1,6; 1:2,3; 1:3,2; 1:4,5; 1:6,3; 1:9; 1:12,5; 1:18; 1:25; 1:36.

В том, что тот и другой ряд составлен по принципу последовательного двукратного уменьшения светосил, легко убедиться, возведя в квадрат два соседних числа и разделив одно на другое. Если взять любую пару чисел относительных отверстий через одно, то, даже не производя расчёта, видно, что одно число больше другого вдвое, а следовательно, соответствующие светосилы разнятся вчетверо.

Максимальные относительные отверстия некоторых объективов (при полном открытии диафрагмы) не совпадают с числом принятого ряда. В этом случае, задиафрагмировав объектив на одно первое деление шкалы, получим снижение светосилы меньше, чем в два раза. Это следует учитывать при расчёте выдержек. Например, объектив «Индустар-22» имеет максимальное относительное отверстие 1:3,5. Первая отметка шкалы диафрагм по стандартному ряду 1:4.

; ; ,

следовательно, если объектив задиафрагмировать до отметки 1:4, то светосила уменьшается не вдвое, а всего лишь в 1 целую 1/3 раза.

Изменение светосилы объектива при съёмке близких предметов.

Определяя относительное отверстие как отношение d/f, мы считали, что изображение получается в фокальной плоскости или, во всяком случае, вблизи нее.

При съемке же близких предметов изображение находится не в фокальной плоскости, а дальше от объектива. При съёмке предмета в натуральную величину плоскость изображения, например, отстоит от объектива на расстоянии 2f. Значит, относительное отверстие равно в этом случае не d/f, а d/2f, т.е. будет меньше в два раза, светосила же объектива уменьшится в четыре раза.

При съемке предметов, находящихся от объектива дальше, чем на 10 фокусных расстояний, изменение светосилы сравнительно невелико и при расчёте выдержки им можно пренебречь. При съёмке же более близких предметов нужно определять выдержку обязательно с учётом изменившейся светосилы.

Изменение светосилы объектива при применении насадочных линз.

При применении насадочных линз светосила объектива тоже изменяется, так как изменяется фокусное расстояние объектива. Перерасчёт шкалы относительных отверстий (шкалы диафрагм) в этом случае очень прост, так как относительные отверстия изменяются обратно пропорционально фокусным расстояниям. Следовательно, во сколько раз увеличивается фокусное расстояние объектива при применении насадочной линзы, во столько же раз уменьшаются все значения шкалы относительных отверстий, и наоборот. Так, например, фокусное расстояние объектива «Ортагоз», равное 135 мм., увеличили при помощи отрицательной насадочной линзы с оптической силой — 2,5 диоптрии. Нетрудно подсчитать, что фокусное расстояние системы стало равным около 200 мм., т.е. по сравнению с прежним стало больше приблизительно в 1,5 раза. Значит, и все числа шкалы следует также увеличить в 1,5 раза.

Вместо ряда 4,5 — 6,3 — 9 … и т.д. получим ряд 6,8 — 9,5 — 13,5 и т.д.

Расчет выдержек в данном случае можно вести еще проще: поскольку значения относительных отверстий уменьшились в 1,5 раза, то выдержки следует увеличить в 1,52 — 2,25 раза по сравнению с теми, какие бы следовало давать без насадочной линзы.

Изменение светосилы при применении насадочных линз происходит у всех объективов обычного типа, линзы которых неподвижно закреплены в одной общей оправе. У объективов же, которые фокусируются передней линзой, как, например, «Индустар-23» (фотоаппараты «Москва»), «Т-21» («Комсомолец») и «Т-22» («Любитель»), шкалы диафрагм сохраняют свои значения независимо от применяемой насадочной линзы. Происходит это потому, что в объективах подобной конструкции с уменьшением фокусного расстояния в такой же мере автоматически (оптически) уменьшается диаметр того пучка лучей, который способен пропустить объектив, т.е. уменьшается диаметр действующего отверстия. А раз это так, то d отношение d/f остается неизменным.

Падение освещённости изображения к краю.

Освещённость изображения не одинакова по всему полю зрения объектива. Центр поля всегда освещён сильнее, края — слабее. Даже в пределах используемой центральной части поля зрения (т.е. в поле изображения) освещённость падает от центра к краям. Особенно заметен спад освещённости при применении широкоугольных объективов.

При диафрагмировании освещённость поля становится более равномерной. Применяя широкоугольные объективы, не следует забывать о явлении спада освещённости к краям и по возможности при съёмке принимать некоторые меры: большее диафрагмирование объектива, некоторое увеличение выдержки с учетом проработки краевых частей, расположение объекта в кадре, при котором уменьшение освещённости по краям кадра не так вредило бы впечатлению от снимка, соответствующее освещение объекта (если съёмка ведется при искусственном освещении) и пр. Окончательное выравнивание возможно при увеличении с негатива (добавочно экспонируя центральную часть отпечатка, прикрывая его края).

Светопропускание объектива и эффективная светосила.

Вводя понятие светосилы и характеризуя ее величиной относительного отверстия d/f, мы допускали, что пучок света, имеющий при входе в объектив диаметр, равный d, полностью достигает плоскости фотоплёнки и образует изображение. На основании этого допущения мы и сделали вывод, что два различных объектива, если их относительные отверстия одинаковы, дают равноосвещённые изображения одного и того же объекта. Между тем это не вполне так.

Дело в том, что не весь световой поток, поступивший в объектив, достигнет фотоплёнки, часть его поглотится массой стекла, которое не является абсолютно прозрачным, и часть отразится от поверхностей линз.

Потери света за счёт поглощения сравнительно невелики, в среднем можно считать, что на протяжении 1 см. длины хода луча в массе оптического стекла теряется 1% света. Потери же за счёт отражения значительно больше — в среднем теряется 5% света на каждой границе между воздухом и стеклом (столько же и на каждой границе при выходе из стекла в воздух).

Конструкции фотообъективов весьма различны: наряду с применением объективов, состоящих всего из одной линзы (монокль), применяются сложные объективы, имеющие 8—10 границ стекло — воздух. В простейших объективах потери света составляют всего лишь около 10%, а в сложных доходят до 50% и даже больше. При таком положении весьма полезно ввести понятие эффективной светосилы объектива, т.е. светосилы с учетом световых потерь.

Пусть Ф — световой поток, вошедший в объектив, а Ф1 — световой поток, вышедший из объектива. Отношение называется коэффициентом светопропускания объектива. Измерение световых потоков производится в оптических лабораториях при помощи фотоэлемента, соединённого с гальванометром. Коэффициент светопропускания Т всегда выражается числом, меньшим 1, так как вышедший световой поток всегда меньше, чем поток, вошедший в объектив. Величина Т показывает, какая часть упавшего на объектив света проходит сквозь объектив и участвует в построении изображения на фотоплёнке.

Если нам известны коэффициенты светопропускания двух объективов, то мы можем сравнивать эти объективы уже не по теоретической светосиле (d/f)^2, а по эффективной светосиле, которая выражается как (d/f)^2xТ и которая прямо пропорциональна действительной освещённости изображения, даваемого конкретным объективом.

Просветление объективов.

Для увеличения светопропускания объективов наша оптическая промышленность широко применяла метод просветления.

Просветление объектива заключается в нанесении на поверхности линз, граничащие с воздухом, тончайших прозрачных пленок из материала, преломляющая способность которого меньше преломляющей способности стекла. Просветление в значительной мере уменьшает отражение света от поверхностей линз и тем самым увеличивает коэффициент светопропускания объектива, а значит, и эффективную светосилу. Особенно сказывается влияние просветления на сложных объективах, имеющих 6 — 10 и более границ воздух — стекло. Коэффициент светопропускания сложных объективов повышается от 0,6 — 0,7 до 0,85 — 0,9, т.е. объектив после просветления начинает пропускать света на 20 — 25% больше, чем до просветления.

Значение просветления объективов не только в повышении светосилы. Негативы, снятые не просветлёнными объективами, при прочих равных условиях обладают меньшей контрастностью за счет меньшей прозрачности в теневых частях.

Происходит это потому, что свет, отражённый поверхностями линз объектива (начиная со второй поверхности), в некоторой своей части проникает внутрь фотоаппарата и, не участвуя в построении изображения на светочувствительном слое, создает засветку, образуя на негативе добавочную равномерную плотность — «вуаль» (рис. 5).

Рис. 5. Схема светорассеяния.

На рисунке 5: луч I в точке В разделяется на два луча. Основной луч I участвует в образовании изображения, а луч II, претерпев отражение в точке С и преломление в точке D, проникает внутрь фотоаппарата и образует «вуаль».

Для примера представим себе такой случай: снимаемый объект имеет наибольшую яркость 200 (в любых условных единицах), наименьшую яркость 2, следовательно, интервал яркостей, т.е. отношение яркости самой светлой детали и яркости самой темной детали, равен 200/2 = 100.

При идеальной передаче на светочувствительном слое был бы получен такой же самый интервал освещённостей, т.е. наибольшая освещённость была бы равна 200 (в любых условных единицах), а наименьшая 2. Однако при применении непросветлённого объектива «паразитный» свет даст некоторую равномерную засветку всего изображения. Предположим, что величина этой засветки равна 2, значит, наибольшая освещённость окажется 200 + 2 = 202, а наименьшая 2 + 2 = 4. Интервал освещённостей будет равен уже не 100, а 202/4 = 51.

Допустим, что мы применили просветлённый объектив и засветка изображения уменьшилась в два раза, т.е. стала равна 1. Интервал освещённостей равен 201/3 = 67 (рис. 6).

Рис. 6. Влияние светорассеяния на интервал освещённости изображения.

Явление, описанное выше, называется светорассеянием. Кроме описанной причины, светорассеяние вызывается иногда целым рядом других причин: плохим качеством стекла объектива (наличие в массе стекла мелких пузырьков, свилей), царапинами на поверхностях линз объектива (особенно потертостями линз в центральной части), запылённостью линз объектива, плохим чернением внутренних частей оправы объектива, сколками стекла у краев линз, потёртостями лепестков ирисовой диафрагмы или плохим их чернением, попаданием в объектив в момент фотографирования боковых лучей как прямого света от источников (солнце, лампы и пр.), так и сильного рассеянного света (от неба, от снега и пр.).

Причины светорассеяния, зависящие от состояния объектива, могут быть устранены при внимательном отношении к нему и тщательном уходе.

Последняя причина — засветка объектива — устраняется путём применения бленды, т.е. тубуса, надевающегося на переднюю часть оправы объектива и предохраняющего объектив от попадания боковых лучей. Применять бленду рекомендуется при всех съёмках.

Сделать бленду легко самому из светонепроницаемой бумаги или картона. Внутренняя часть бленды должна быть хорошо вычернена и матирована. Длина бленды должна быть максимальной, т.е. нужно вначале сделать ее с запасом, затем, контролируя по матовому стеклу, постепенно надвигать на объектив до тех пор (но не далее), как исчезнет затемнение (кэширование) углов изображения, и, сделав отметку, срезать лишнюю часть. Длина бленды для объектива фотоаппарата, не имеющего наводки по матовому стеклу, определяется пробными съёмками.