Светосила

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Светосила объектива»)
Перейти к: навигация, поиск

Светоси́ла, Светоси́ла объекти́ва — величина, характеризующая степень светопропускания оптической системы. Чаще всего понятие используется применительно к объективам. В этих случаях светосила соответствует максимальному относительному отверстию при полностью открытой диафрагме. Величина светосилы обратно пропорциональна минимальному диафрагменному числу, то есть объектив с минимальным значением диафрагмы f/2,0 светосильнее объектива f/4,5.

Геометрическая светосила[править | править вики-текст]

Различают геометрическую и эффективную светосилу. Геометрическая светосила N вычисляется, как отношение максимального диаметра D входного зрачка объектива к заднему фокусному расстоянию f[1].

N={D \over f}

Для зеркально-линзовых объективов площадь выходного зрачка рассчитывается по более сложному закону, поскольку его центральная часть экранирована[2]. Светосила любой оптической системы имеет теоретический предел, определяемый волновыми свойствами света. Он вычисляется при помощи математической зависимости:

N_\text{min} = \frac{1}{2\;\mathrm{NA}_\text{max}} = \frac{1}{2\,n \sin\theta}

где

Учитывая, что коэффициент преломления воздуха близок к единице, максимально достижимая светосила любой оптической системы не может превышать f/0,5 или 2:1.

Эффективная светосила[править | править вики-текст]

Геометрическая светосила характеризует светопропускание объектива лишь отчасти — она не учитывает прозрачность его линз. При прохождении светового потока через объектив часть его поглощается массой стекла, а часть отражается и рассеивается поверхностью линз и оправы, поэтому световой поток доходит до светочувствительного элемента ослабленным. Светосила, учитывающая эти потери, называется эффективной светосилой (в некоторых источниках — физической светосилой[3]). Эффективная светосила всегда ниже геометрической[4]. Потеря света, уменьшающая прозрачность T\! объектива, определяется по формуле:

T=(1-P)^n \cdot (1-\alpha)^m,

где P\! — доля света, теряемая при отражении одной поверхностью раздела сред;

n\! — число поверхностей раздела воздух-стекло;
\alpha\! — поглощение света 1 см стекла;
m\! — суммарная толщина линз в объективе.

Величина T\! называется коэффициентом светопропускания объектива.

В современной оптике для увеличения светопропускания используют просветление, снижающее световые потери. У непросветлённых объективов при прохождении света сквозь линзы световой поток ослабляется на 1 % на каждый сантиметр толщины стекла и на 5 % за счет отражения лучей на каждой поверхности раздела воздух-стекло. Среднее значение коэффициента светопропускания у непросветлённых объективов составляет 0,65, а у просветлённых — 0,9. Световой поток, проходя через непросветлённый объектив, ослабляется в среднем примерно на 1/3. У просветленных объективов световой поток ослабляется в среднем на 0,1, практически не влияя на экспозицию.

В сложных многолинзовых вариообъективах даже при наличии просветления потери возрастают, доводя разницу между геометрической и эффективной светосилой до величин, которые приходится учитывать. В киносъёмочной оптике, для которой разница между геометрической и эффективной светосилой может быть существенной, принято отдельное обозначение последней в виде буквы «Т». Например Т1,3 свидетельствует об эффективной светосиле объектива f/1,3. На оправах фотообъективов указывается геометрическая светосила, при том, что промежуточные значения диафрагмы маркируются в значениях эффективной светосилы с учётом светопропускания стекла[1]. На оправах современной киносъёмочной оптики, напротив, указывается эффективное значение светосилы с дополнительным обозначением буквой «Т».

Практическое значение светосилы[править | править вики-текст]

Поскольку светосила определяет максимальное светопропускание объектива, от неё зависит минимальная выдержка, с которой возможна съёмка при конкретной освещённости сцены. Особенно важна светосила при видео- и киносъёмке, поскольку в этом случае максимальная выдержка не может быть длиннее, чем период съёмки одного кадрика, в отличие от фотографии, где экспонирование может продолжаться несколько секунд и даже минут. Тем не менее, в фотографии светосила объектива ограничивает минимальную освещённость, при которой ещё возможна съёмка на моментальных выдержках без штатива.

Не следует забывать, что при максимальном относительном отверстии качество получаемого изображения хуже, чем при средних значениях диафрагмы, несмотря на совершенство конструкции объектива. Виньетирование достигает своих максимальных значений также при полной светосиле[5]. Кроме того, глубина резкости при этом очень мала и недостаточна для резкого отображения объектов, протяжённых в глубину кадра. Более всего это заметно при съёмке с небольших дистанций, поэтому светосила макрообъективов часто сравнительно мала. Тем не менее, использование сверхсветосильных объективов с открытой диафрагмой позволяет получать в фотографии и кинематографе художественные эффекты, недоступные оптике с невысокой светосилой. Большое максимальное относительное отверстие характерно для портретных объективов, допускающих остаточную сферическую аберрацию и мягкий оптический рисунок[6].

В проекционных объективах величина светосилы определяет световую эффективность всего проектора и, в конечном итоге, яркость изображения на экране. Ненужность большой глубины резкости и небольшой угол поля зрения позволяют изготавливать большинство объективов для проекции плоских объектов достаточно светосильными.

Классификация оптики по светосиле[править | править вики-текст]

Объективы с различным значением геометрической светосилы принято делить на несколько групп. Кроме обычной оптики с невысокой светосилой объективы могут быть светосильными и сверхсветосильными. В кинематографе к первым относят оптику со светосилой выше f/2,8, а вторая группа начинается со значения f/1,5[7]. В фотографии из-за более крупных размеров кадра сверхсветосильной считается оптика, начиная с f/2,0[8]. Максимальное относительное отверстие лучших сверхсветосильных объективов приближаются к теоретическому пределу f/0,5 для съёмки в воздухе[* 1]:

Два объектива с одинаковым фокусным расстоянием 85 мм, но разной светосилой: слева f/1,8; справа f/1,2. У более светосильного объектива диаметр линз больше
  • Объектив «Carl Zeiss Super Q Gigantar» 40/0,33 для фотоаппарата «Contarex Bullseye»: 0,33[9][10];
  • Зеркально-линзовый объектив «ЧВ» 20/0,5, разработанный ГОИ в 1948 году: 0,5[11][12];
  • Военный объектив «Signal Corps Engineering» 33/0,6: 0,6;
  • Объектив «Искра-3» 72/0,65, разработанный ГОИ: 0,65;
  • Специальный объектив для космической программы НАСА Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7: 0,7;
  • Серийный объектив для фотосистемы Micro Four Thirds «Handevision Ibelux»: 0,85[13];
  • Leica Noctilux для дальномерного фотоаппарата: 0,95;
  • Canon EF 50 мм для зеркальных фотоаппаратов Canon EOS: 1,0[14];
  • Noct-Nikkor для зеркального фотоаппарата Nikon F2: 1,2;
  • Штатные объективы 50 мм для зеркальных фотоаппаратов Canon, Nikon, Minolta и т. п.: 1,4;
  • Советские объективы Юпитер-3 и Гелиос-40: 1,5;

Для разных классов аппаратуры типичны следующие значения светосилы объектива[15]:

Высокая светосила легко достигается в нормальных объективах при их небольших габаритах и сравнительно низкой себестоимости. Светосила широкоугольных и длиннофокусных объективов обычно ниже: в длиннофокусной оптике диаметр линз увеличивается пропорционально фокусному расстоянию, а в короткофокусной возрастает астигматизм боковых пучков, прямо зависящий от апертуры. Поэтому, габариты светосильных широкоугольников и телеобъективов могут возрастать в несколько раз по сравнению с менее светосильными аналогами. В соответствии с принципом инвариантности оптических систем, произведение тангенса углового поля, квадратного корня фокусного расстояния и светосилы является константой для любых объективов-анастигматов при одинаковом уровне их оптического совершенства[16].

См. также[править | править вики-текст]

Видеоурок: светосила

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Объектив «Carl Zeiss Super Q Gigantar», созданный в маркетинговых целях, считается техническим курьёзом, поскольку непригоден для практической фотографии

Источники[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Гордийчук, 1979, с. 152
  2. Фотокинотехника, 1981, с. 228
  3. Волосов, 1978, с. 76
  4. Краткий справочник фотолюбителя, 1985, с. 35
  5. Общий курс фотографии, 1987, с. 20
  6. Волосов, 1978, с. 316
  7. Киносъёмочная техника, 1988, с. 82
  8. Общий курс фотографии, 1987, с. 19
  9. Carl Zeiss Super Q Gigantar 40мм F/0.33: самый светосильный объектив или ирония производителя? (рус.). «Cameralabs». Проверено 14 ноября 2015.
  10. Michael Zhang. Carl Zeiss Super-Q-Gigantar 40mm f/0.33: The Fastest Lens Ever Made? (англ.). News. «Petapixel» (6 August 2013). Проверено 14 ноября 2015.
  11. Luiz Paracampo. World's fastest lens (англ.). USSR Photo (25 December 2007). Проверено 14 ноября 2015.
  12. Десятка самых светосильных объективов (англ.). «Кадрр». Проверено 14 ноября 2015.
  13. Владимир Самарин. Handevision Ibelux 40 мм f/0,85: новый рекордсмен (рус.). «Fototips» (28 декабря 2013). Проверено 14 ноября 2015.
  14. Ken Rockwell. Canon 50mm f/1.0 L (англ.). Reviews (October 2013). Проверено 14 ноября 2015.
  15. Фотоаппараты, 1984, с. 43
  16. Волосов, 1978, с. 295

Литература[править | править вики-текст]

  • Д. С. Волосов. Фотографическая оптика. — 2-е изд. — М.,: «Искусство», 1978. — С. 75, 76. — 543 с. — 10 000 экз.
  • Гордийчук, И. Б. Справочник кинооператора / И. Б. Гордийчук, В. Г. Пелль ; Н. Н. Жердецкая. — М. : Искусство, 1979. — 440 с. — 30 000 экз.
  • Е. А. Иофис. Фотокинотехника / И. Ю. Шебалин. — М.,: «Советская энциклопедия», 1981. — С. 228. — 447 с. — 100 000 экз.
  • Н. Д. Панфилов, А. А. Фомин. Краткий справочник фотолюбителя / Н. Н. Жердецкая. — М.: «Искусство», 1985. — С. 179—184. — 367 с. — 100 000 экз.
  • Фомин А. В. § 4. Фотографические объективы // Общий курс фотографии / Т. П. Булдакова. — 3-е. — М.,: «Легпромбытиздат», 1987. — С. 124—130. — 256 с. — 50 000 экз.
  • М. Я. Шульман. Фотоаппараты / Т. Г. Филатова. — Л.,: «Машиностроение», 1984. — 142 с. — 100 000 экз.