ПРО ОПТИЧЕСКУЮ ОСЬ и ГЛУБИНУ РЕЗКОСТИ

Продолжаем несерьезно говорить об очень серьезных вещах. В прошлой теме мы остановились на том, что ДИАФРАГМА изменяет количество света, попадающего на матрицу камеры. И что это не единственное ее назначение. А что бы понять ее вторую функцию, придется вспомнить школьную оптику.

Понятно, что изображение на матрицу камеры проэцируется при помощи объектива – одной линзы или системы линз.  А вот где, в каком месте относительно матрицы объектив должен находиться, что бы получать это самое резкое изображение??? И что такое резкость?

Пока все просто. Объектив и матрица должны находиться на расстоянии, которое называется ФОКУСНЫМ расстоянием объектива.  А вот теперь вспоминаем старшие классы и курс геометрической оптики. ФОКУСНОЕ РАССТОЯНИЕ тонкой линзы – это расстояние, на котором собираются в точку монохроматические лучи, идущие из бесконечности параллельно оптической оси линзы. А теперь «на пальцах» - объектив построит изображение точки, находящейся очень-очень-очень далеко от него как раз на этом самом расстоянии. И данная точка будет называться ФОКУСОМ. Точка фокуса будет находиться на оптической оси линзы на ФОКУСНОМ РАССТОЯНИИ от нее. Забыл сказать что такое оптическая ось. Представим себе линию, проходящую через центр линзы перпендикулярно ее поверхности – это и будет ее оптическая ось.

Никакая линза не построит изображение точки в виде точки. А построит в виде размытого кружочка разной степени размытости. Диаметр этого диска, пока он кажется точкой, называется ДОПУСТИМЫМ ДИСКОМ НЕРЕЗКОСТИ. Ну и соответственно, объект, изображение которого на матрице состоит из точек меньше этого диска – резкий, а если больше – нерезкий.

Теперь давайте расположим плоскую поверхность, например матрицу камеры, на фокусном расстоянии от линзы перпендикулярно её оптической оси. Такая поверхность (плоскость) будет называться ФОКАЛЬНОЙ плоскостью. Тогда изображение предметов, находящихся далеко от линзы, эта самая линза будет строить на поставленной нами поверхности. Теперь добавим между линзой и этой поверхностью затвор – вот в первом приближении и наш фотоаппарат.  Осталось три неразрешенных вопроса:

1)       Куда расположить в нашей камере ДИАФРАГМУ и зачем?

2)       Как объектив фокусируется на предметах, находящихся не на бесконечности, а гораздо ближе?

3)       Зачем в объективе столько линз?

Вернемся к нашим баранам, то есть к диафрагме. Но начнем издалека J . Обратимся к определению фокусного расстояния. Вроде всё просто, но это только «бочка мёда». Переходим к «дёгтю»

Ложка первая: в определении идет речь о какой-то тонкой линзе. То есть ее толщина чрезвычайно мала, линза почти плоская. А как быть с реальными линзами, очень выпуклыми? У такой линзы за плоскую поверхность «сойдет» только небольшая передняя область линзы. А как ведут себя лучи, которые проходят за ней, ближе к краям линзы? Там где поверхность линзы находится под большими углами к оптической оси?  Оказывается, плохо они себя ведут – собираются в точки где угодно, только не  на фокальной плоскости и всячески ухудшают наше изображение на матрице – добавляют светящиеся ореолы вокруг ярких объектов. Такие искажения называются СФЕРИЧЕСКИМИ АБЕРРАЦИЯМИ. Они появляются из-за кривизны линзы.

Ложка вторая. Там говорится о лучах, идущих параллельно оси линзы. А ведь есть еще и не параллельно. Они тоже собираются в разных местах в зависимости от угла падения и совсем  не там, где параллельные, вызывая ореолы, похожие на кометы…

Ложка третья. В определении сказано про «монохроматические лучи». То есть лучи одного цвета. Например синего. А реальный мир далеко не синий. И не красный. В нем присутствуют лучи всех длин волн, то есть цветов. И проходя через линзу они тоже фокусируются кто во что горазд, а не все на одной ФОКАЛЬНОЙ плоскости. Сине-зеленые лучи – ближе к линзе, красно-желтые – дальше от линзы.

Этих трех «ложек дёгтя» уже достаточно, что бы осознать, что резкое красивое изображение создаётся очень малой долей лучей, проходящей через объектив. И есть огромное количество всех остальных лучей, стремящихся это изображение исказить и испортить – сделать неконтрастным, нерезким, неярким.

И вот тут помогает диафрагма. Как помогает? А давайте поставим в нашей схеме перед линзой черную картонку с дыркой. Тогда часть лучей (хотя и не все), падающих на линзу со всех сторон, перестанет на нее падать, а лучи, параллельные оси линзы останутся. Искажения станут меньше, изображение резче и ярче. Объект, на который наведена линза, резкий и красивый – это значит что мы выполнили условие ДОПУСТИМОГО ДИСКА НЕРЕЗКОСТИ. А все что ближе и дальше него - нерезкое, размытое.

Теперь поставим «дырку» поменьше. Тогда на линзу перестанут падать не только лучи под углом, но и часть параллельных лучей, но идущих ближе к краю линзы. Изображение станет еще резче, поскольку еще меньше «разрушающих» лучей мы допустим до линзы. При этом те предметы, которые в предыдущем случае казались не резкими, теперь стали казаться резче как  ближе, так и дальше  – это увеличилась ГЛУБИНА РЕЗКОСТИ. Это и есть второе назначение диафрагмы – отсекая часть лучей, увеличивать глубину резкости – то есть увеличивать зону в кадре, внутри которой предметы выглядят как резкие.

А что будет если сделать нашу «дырку» совсем крохотной? Такой, что бы остались только лучи, идущие узким-узким пучком близко к центру линзы. Тогда ВСЕ предметы, попавшие в кадр, будут одинаково резкими. От самых близких, до самых далёких. И скажу по секрету, при совсем-совсем крохотной диафрагме можно вообще обойтись без линзыJ. Изображение на матрице всё равно будет резким.

Вот такая вот полезная штука – ДИАФРАГМА. Только не забываем, что при уменьшении диаметра диафрагмы (увеличении диафрагменного числа) нужно увеличивать выдержку.

Ну и на последок про современные объективы. У них диафрагма стоит между линзами.

Линза у них не одна, а много. Большинство из них предназначено для устранения всевозможных оптических искажений (аберраций) – сферической, коматической, хроматической аберрации, астигматизма, а так же дисторсий (см. более серьезную литературу)

Фокусное расстояние у них можно изменять. При этом часть линз внутри передвигается и объектив может приближать и удалять объекты.

Поскольку объект, находящийся ближе бесконечности будет спроецирован дальше, чем фокальная плоскость, то наводятся на резкость (фокусируютя) современные объективы так же перемещением всех или не всех линз относительно матрицы камеры.

Ну вот собственно, на сегодня всё.

Читаем инструкции к камерам, задаем вопросы. В следующей Обучалке пойдет речь о использовании света в фотографии.