У любого объектива есть диафрагма, по-английски её называют aperture, в разговорной речи иногда апертурой. Это непрозрачная перегородка с отверстием, через которое проходит свет. Цель такой конструкции — отграничить “нежелательный” свет. Зачем это нужно, и как этим пользоваться — расскажем в этой статье.
Даже если у объектива нет явной диафрагмы как отдельного устройства, то таковой можно считать, например, оправу линзы. Как правило линза имеет конечный размер и не замыкается в полную сферу, поэтому какой-то ограничитель всё равно есть.
По своей сути диафрагма позволяет нам пропорционально выбирать модель объектива между пинхолом и тонкой линзой. Какие-то объективы позволяют варьировать диаметр отверстия, какие-то — нет. Например почти любой современный объектив для фотоаппаратов имеет ирисовую диафрагму, что позволяет менять апертуру в любой момент. У телефонов диафрагма не меняется, за исключением некоторых экспериментальных моделей; настолько компактная камера и без того получает слишком мало света, чтобы уметь его ограничивать ещё больше, а вставлять ещё один механизм просто некуда.
Положение диафрагмы в объективе #
Как мы знаем, в объективе содержится довольно много линз и другой оптики. Куда же вставляется диафрагма?
Вопреки ожиданию, это не обязательно передняя линза. На самом деле редко она находится возле передней линзы, обычно это где-то посередине объектива. Оптик должен рассчитать, в какой точке будет эффективнее ограничивать пучок лучей. Кроме того, тонкую механику следует прятать подальше, чтобы у пользователя было меньше возможностей её повредить.
Если говорить об эквивалентной схеме, то тут тоже не всё так просто. Во-первых, физический размер апертуры, вставленной в середину объектива, может отличаться от эффективной апертуры, так как может “резаться” более широкий или узкий пучок света, чем вошёл бы в эквивалентную систему. Во-вторых, бывает непросто рассчитать положение в пространстве, куда разместится модельная система после “схлопывания” зрачков. Откровенно говоря, это может быть сложностью и без диафрагмы.
Где требуется сравнение модельной системы с диафрагмой и без, будем условно обозначать апертуру чёрными линиями поверх тонкой линзы. Если сравнение не требуется, то вместо этого можно нарисовать тонкую линзу нужного размера, это будет одно и то же.
Для простоты обычно говорят об эффективном размере диафрагмы. Например “апертура объектива имеет диаметр 5 мм” значит, что модельный эквивалент имеет такую диафрагму, а не физический размер перегородки внутри. Естественно, если это соответствует контексту, и мы не обсуждаем схему устройства.
Светосила #
В статье про пинхол мы вскользь упоминали светосилу. Рассмотрим её чуть подробнее, так как это один из важнейших параметров, которым управляет диафрагма.
Итак, светосила объектива — это отношение яркости изображения объекта к яркости самого объекта. Различают геометрическую и эффективную.
Геометрическая светосила #
Геометрическая светосила не учитывает потери света внутри объектива. Она зависит от диаметра апертуры \(D\) и нашей любимой “длины фокуса пинхола” \(L\), которую теперь не стыдно назвать задним фокусным расстоянием. Яркость пропущенного через входной зрачок света линейно зависит от площади апертуры \(\pi D^2 / 4\), то есть квадратично зависит от \(D\). Так как зрачок является единственным источником света в объективе, то яркость света, попавшего на фотоматериал, падает пропорционально квадрату \(L\). Примерно так же, как падает яркость точечного источника света: при увеличении \(L\) Вы распределяете ту же энергию по большей площади камеры-обскуры.
Чтобы не заморачиваться с константами, вводят f-число, оно же диафрагменное число: $$ N_f = L / D $$ и говорят, что геометрическая светосила обратно пропорциональна квадрату f-числа.
В фотографии принято указывать f-число в формате “\(f / N_f\)”, например \(f / 3.5\) при \(N_f = 3.5\). На фотообъективе можно найти подобное обозначение, оно говорит об f-числе при максимально раскрытой диафрагме. Если она управляется, то её можно сужать и получать большие знаменатели. Например у светосильного объектива с обозначением \(f / 1.8\) можно получить \(f / 1.8\), \(f / 2\), \(f / 2.8\) и т.д.
Эффективная светосила #
Эффективная светосила учитывает потери в элементах объектива. В основном это поглощение света материалом линз, отражение от их поверхностей, поглощение на границах сред. Чтобы минимизировать потери, используют просветлённые стёкла и специальные покрытия против отражений. Эффективная светосила обратно пропорциональна квадрату T-числа \(N_T\), $$ N_T = N_f / \sqrt{\tau}, $$ где \(0 \leq \tau \leq 1\) — коэффициент пропускания системы.
Там, где важна “настоящая” светосила, принято указывать T-число вместо f-числа. Например на кинематографических объективах Вы увидите именно его, также применительно к максимально раскрытой диафрагме.
Как оценить влияние диафрагмы на экспозицию #
Давайте подчеркнём, что светосила зависит именно от квадрата f- или T- числа.
Допустим, у нас есть фотообъектив со светосилой \(f / 1.4\). Мы получили снимок, посмотрели на него и решили зажать диафрагму, получив \(f / 2.8\). Остальных настроек не меняли. Как изменится экспозиция, то есть яркость фотографии? Так как мы увеличили f-число вдвое, то яркость уменьшится в \(2^2 = 4\) раза. Если зажмём до \(f / 8\) и не изменим других настроек, то яркость упадёт примерно в 32.65 раз по сравнению с \(f / 1.4\).
В обиходе изменение f- или T- числа на единицу называют стопом. Например у Вас стоит \(f / 3.5\), и Вам предлагают зажать диафрагму на два стопа. Это значит выставить \(f / 5.5\).
Мы любим неоднозначность на ровном месте, поэтому не путайте стоп диафрагмы со стопом экспозиции! Это совершенно другая величина, не имеющая почти никакого отношения к апертуре, и связанная с логарифмическим (даже не квадратичным) изменением яркости любым способом.
Светосила зум-объективов #
Зум-объектив — это объектив, у которого можно поменять длину фокуса \(f_\ell\). Мы знаем, что если мы фокусируемся на достаточно далёкий объект, то \(L \approx f_\ell\). Что будет со светосилой при изменении заднего фокусного расстояния?
Большинство зум-объективов спроектированы так, что абсолютный размер диафрагмы не зависит от длины фокуса, либо меняется слабо. Это значит, что диафрагменное число будет увеличиваться, если мы увеличим \(f_\ell\), а за ним и \(L\), не меняя диаметра апертуры. Светосила будет падать пропорционально квадрату длины фокуса.
Также есть объективы с постоянным диафрагменным числом. Они спроектированы особым образом, чтобы на всём диапазоне \(f_\ell\) обеспечивать одинаковое минимальное (при самой широкой апертуре) f-число.
Так как минимально возможное диафрагменное число может меняться, то на зум-объективах указывают их диапазон. Малое доступно на малой длине фокуса, большое — на большой. Например Canon 18-150 mm f/3.5-6.5 IS подсказывает, что на 18 мм мы получим \(f / 3.5\), на 150 мм — \(f / 6.5\).
Глубина резкости #
Как мы знаем, собирающая линза даёт нам эффект дефокуса, то есть размытия всего, что находится вне плоскости фокусировки. Чем дальше от неё, тем сильнее выглядит размытие. В то же время мы знаем, что у пинхола никакого дефокуса нет. Стало быть, управляя диафрагмой, мы можем выбирать, сколько дефокуса мы испытаем.
Расстояние вдоль оптической оси, которое изображается достаточно сфокусированным, называют глубиной резкости, или глубиной резко изображаемого пространства, ГРИП, depth of field, DoF. Обычно это расстояние оценивают на глаз, потому что оно зависит от того, что такое “достаточно сфокусированное изображение”. В идеале это могло бы быть “пятно размытия на сенсоре не превышает один пиксель”, но обычно требуется гораздо более слабый критерий. Тем более, что у современных матриц пиксель очень мелкий, а в большинстве случаев нас интересует чёткость общей картинки, то есть после downsampling’а.
Хоть в абсолютных величинах ГРИП мерить обычно бесполезно, всё равно можно сравнивать глубину резкости на двух изображениях. Так вот, сужение диафрагмы при прочих равных всегда увеличивает ГРИП. Можно воспринимать это как “увеличение пинхольности”, но этому есть и более простое объяснение: узкая апертура уменьшает пятно размытия.
Как же выбрать оптимальное f-число? В художественной фотографии обычно не используют каких-либо формул для этого, всё опирается на опыт и/или тщательный осмотр кадра сразу после съёмки. Есть некоторые общепринятые эмпирики, например в ландшафтной фотографии чаще всего используют \(f / 8\), потому что в этом жанре любят умещать в фокусе всю многокилометровую сцену, расстояния большие, объективы широкоугольные, а ещё один поход в хороших условиях может больше не состояться, поэтому прийти с размазанными фотографиями обидно. Однако правило “используй \(f / 8\), и всё будет в фокусе” верно не всегда.
Глубина резкости зависит от нескольких факторов.
- Диафрагма.
- Переднее фокусное расстояние. Чем объект ближе, тем тоньше ГРИП. И наоборот, у любого объектива при достаточно далёком расстоянии всё умещается в фокусе.
- Длина фокуса. При прочих равных у широкоугольного объектива глубина резкости больше, чем у телевика.
Эту тему мы рассмотрим подробнее в статье про фокусировку. Пока же хватит и этого. И напоминаю, что малая глубина резкости — это не всегда проблема. Её можно использовать как прекрасный художественный приём, особенно в таких жанрах, как портрет.
Влияние диафрагмы на качество изображения #
В предыдущей статье мы говорили о всевозможных проблемах, которые встречаются в объективах. По большей части они тем сильнее, чем дальше от оптического центра проходят лучи. Чем большая часть линзы работает, тем хуже качество изображения.
Меняя апертуру, мы выбираем, какую часть линзы (или набора элементов в объективе) мы отсекаем. Центральная часть остаётся работать, через оптический центр лучи проходят вплоть до бесконечно малого отверстия, как у пинхола. Следовательно, чем уже диафрагма, тем меньше несовершенств мы собираем с краёв линзы.
Часто объективы проектируют так, что на самой широкой диафрагме качество изображения является удовлетворительным, а не хорошим. Очень сложно спроектировать оптику, чтобы все элементы могли работать полной площадью без проблем. Сжатие диафрагмы на стоп–другой может заметно улучшить качество, особенно это видно по виньетированию.
Знаете ли Вы? Так как края линзы обычно работают хуже, чем центр, то наилучшее качество изображения Вы получаете вблизи пересечения фотоматериала с оптической осью. То есть в центре кадра. Есть даже объективы для художественной съёмки, в которых оптика нарочно усиливает негативные эффекты по краям. Однако если Вы хотите получить максимальное качество для какого-то объекта, и его положение в кадре не влияет на художественную значимость, то лучше помещать его в центре.
Пример. В астрофотографии часто хочется сэкономить время холодной тёмной ночью. Если мы смогли навести фотоаппарат так, что снимаемый объект оказался где-то в углу, но виден полностью, и мы всё равно планируем обрезать кадр, то появляется соблазн именно так и снимать. Но в углу качество изображения может быть существенно ниже, чем в центре, тем более, что в астрофото обычно снимают на широкой диафрагме. Если есть возможность, то лучше потратить ещё немного времени и поместить объект в середину. В том числе следует регулярно центровать объект, если Вы снимаете без треккера, потому что он улетает со временем.
Однако есть и обратная сторона медали: дифракция. Мы её упоминали, когда говорили о пинхоле, и рассказывали, что она существенно портит качество, если отверстие мало. С диафрагмой происходит то же самое. Начиная с какого-то f-числа, качество изображения начинает падать, пока картинка не станет совсем мыльной.
Точка наилучшего качества #
Возникает закономерный вопрос: на какой диафрагме можно получить наилучшее качество? Ответ не такой простой, как хотелось бы: у каждого объектива это своё диафрагменное число или диапазон чисел. Потому что все они спроектированы по-разному, проблемы “разбросаны” по площади линзы слабопредсказуемым образом. Разве что можно найти зависимость диафрагменного числа, где начинается серьёзная дифракция, от длины фокуса, потому что размер отверстия \(D \approx f_\ell / N_f\).
Чтобы оценить диапазон, где качество будет хорошим, а также точку наилучшей чёткости (по-английски иногда называют sweet spot), можно посмотреть результаты лабораторных тестов. Мы уже упоминали DxO Mark, где собрано много объективов, но есть и другие. Можно выбрать любое устройство и убедиться, что на широкой диафрагме качество изображения будет не лучшим, потом с сужением оно будет увеличиваться, но в какой-то момент дифракция возьмёт своё, и всё резко пойдёт ко дну.
Так как у каждого объектива будет свой диапазон, то придётся его запоминать для всех приборов, которые у Вас имеются. Стоит ли такая игра свеч? В большинстве случаев художественной съёмки заморачиваться незачем, изображение будет вполне нормальным. Однако бывают ситуации, когда нужно показать объект действительно чётко, например при съёмке замшелого дерева хочется, чтобы ворсинки мха были хорошо различимы. Чтобы это обеспечить, нужно хотя бы примерно представлять, в каком диапазоне это возможно сделать.
Как выполнить тесты самостоятельно #
Если под Вашу модель не нашлось тестов, либо Вы хотите их перепроверить (иногда имеет смысл, потому что от партии к партии могут быть небольшие конструктивные изменения), то можете провести свои. Не обязательно лабораторные: если объектив требуется для художественной съёмки, то просто поснимайте газету или книгу в разных конфигурациях со штатива, осмотрите фотографии с максимальным увеличением, посравнивайте качество на глаз и выпишите где-нибудь, в каких конфигурациях чёткость показалась Вам достаточной. При этом не забывайте сравнить как в центре изображения, так и по углам, ведь там будут наиболее сильные аберрации.
В качестве примера возьмём зум-объектив, установим его на камеру, камеру на штатив. Выставим длину фокуса 100 мм. Повесим в нескольких метрах журнал, сфокусируемся на него и переведём режим фокусировки в ручной, чтобы автофокус не оказывал влияние между кадрами. При этом важно не стронуть кольцо фокусировки. Далее снимаем кадры с разными диафрагмами.
При съёмке используем штатив правильно для такого формата фотосессии. Чтобы убрать дрожание во время нажатия на кнопку, ставим таймер на 2 секунды или используем удалённый спуск затвора. На всякий случай выключаем стабилизацию изображения.
Свет лучше использовать искусственный, так как он не меняется между кадрами. Усиление (aka “ISO”) ставим минимальное. Режим можно выставить “приоритет диафрагмы”, чтобы электроника сама выбирала выдержку для поддержания одинаковой яркости. Либо “ручной” режим, тогда придётся на калькуляторе считать, как компенсировать потерю светосилы (зажали в \(N\) раз — увеличили выдержку в \(N^2\) раз).
После фотосессии выгружаем картинки и рассматриваем их. Сперва общим планом.
Здесь количество конфигураций уменьшено, чтобы не загромождать страницу. Видим, что наилучшее качество получилось на \(f / 8\), остальные картинки “подмылены”. Сравним поближе, сперва около центра.
Видим, что широкая апертура почти такая же чёткая, как \(f / 8\), значит аберрации на середину повлияли слабо. На узких диафрагмах дифракция повлияла на центр. Теперь рассмотрим угол.
На широкой апертуре видим потерю контраста и утоньшение линий. Сперва это кажется похожим на дефокус, но моё предположение, что это хроматические аберрации, исправленные программно. Чтобы это проверить, нужно было бы сохранить RAW-файлы, но это не было сделано, а повторять эксперимент лень. На средних апертурах чёткость неплохая, причём довольно одинаковая; видимо здесь аберрации сопоставимы с дифракцией. На самой узкой диафрагме дифракция “мылит”, как и ожидалось.
Непременно записываем наблюдаемые результаты и пытаемся их запомнить. Затем выставляем другую длину фокуса, переставляем штатив, чтобы в кадре умещалась вся цель, заодно уменьшив возможный дефокус.
Форма апертуры #
Чаще всего в современных объективах ставится ирисная диафрагма со многими скруглёнными лезвиями, и в любом положении она даёт более-менее круглое отверстие. Однако можно встретить и некруглые, особенно на старых объективах. Например мало лезвий с прямой кромкой, тогда апертура будет в форме многоугольника.
Как это влияет на снимки? Так как диафрагма отграничивает всё, что не попало в отверстие, то из любой точки на фотоматериал приходит пучок лучей той же формы, что имеет это отверстие. Если точка оказалась в фокусе, то все лучи так и соберутся в точку, тут никаких отличий нет. Однако если точка расфокусирована, то пятно рассеяния приобретёт форму апертуры.
Это хорошо видно, когда в кадр попадает точечный источник света вне фокуса, например светодиод или маленькая лампочка гирлянды. Если диафрагма круглая, то он превращается в размазанный круг. Если многоугольная, то в такой же размазанный многоугольник. Точечный источник так хорошо видно потому, что он маленький, резко отличается от фрагментов сцены вокруг (гораздо большая светимость), и, несмотря на “размазню”, его пучок различим посреди всего остального.
Подобные условия, в которых форма пятна рассеяния заметно влияет на изображение, бывают чаще, чем кажется на первый взгляд. Например Вы снимаете объект на фоне дерева с листвой. Часть света от неба прикрыта листьями, часть открыта, между листьями образуются небольшие островки яркого прямого света. Эти островки тоже приобретают очертания диафрагмы, так как резко контрастируют с тёмными листьями вокруг.
Форма диафрагмы иногда используется как художественный приём. Например продаются накладные апертуры произвольной формы, которые ставятся перед линзой; их же можно сделать самостоятельно хоть из картона. Есть ценители старых объективов с многоугольной диафрагмой, которая может придавать особый шарм в хорошо подобранных условиях. В остальном же вряд ли форму апертуры можно назвать решающим фактором при выборе объектива. Просто полезно знать, что она немного влияет на результат.
Итоги #
Мы перечислили несколько параметров, которыми можно управлять с помощью диафрагмы. Одним из недостатков является то, что они меняются одновременно. Ей нельзя, например, увеличить светосилу без влияния на глубину резкости. Составим таблицу эффектов, которых мы достигнем изменением диаметра апертуры.
| Изменение диаметра | \(N_f\) или \(N_T\) | Экспозиция | Глубина резкости | Отрицательные эффекты от краёв линзы | Влияние дифракции |
|---|---|---|---|---|---|
| Увеличение | Уменьшается | Увеличивается пропорционально \(1 / N_f^2\) | Сужается | Становятся значительнее | Уменьшается |
| Уменьшение | Увеличивается | Уменьшается пропорционально \(1 / N_f^2\) | Расширяется | Устраняются | Увеличивается |
Выглядит сложно, но с опытом всё быстро встанет на свои места. В конце концов, можно сделать всего два действия: увеличить и уменьшить.
Кроме этого мы обсудили, как модельно представлять систему с диафрагмой, как влияет форма апертуры на изображение, и что глубина резкости зависит не только от диафрагмы, но и от других параметров.
Полезные материалы #
- Уже в третий раз подряд интересная статья на Хабре из того же цикла, тоже не связанная с данной: https://habr.com/en/articles/962202/