| Главная » Статьи » Фотография |
Оглавление
Объектив. Диафрагма. Светосила, ГРИП и аберрации.Объективы простые и сложные. Диафрагма и аберрации.В фотоаппарате изображение рождается объективом и лишь затем светочувствительная матрица преобразует это изображение в электрический сигнал для дальнейшей обработки. От свойств оптики результат зависит в значительной степени. С объективов и начнём... Простейший объектив (монокль) состоит из одной линзы. Известная из школы формула геометрической оптики связывает расстояния от линзы до объекта с расстоянием от линзы до его изображения так: 1/L+1/d=1/F, где F называется (по определению) фокусным расстоянием. В частности, бесконечно далёкие объекты будут "фокусироваться" именно на этом расстоянии (d=F). В теории всё выглядит замечательно - любая точка переходит в точку, плоскость - в плоскость. На практике всё гораздо сложнее, и по краям изображения в любой лупе мы видим цветное размазанное месиво вместо чёткой картинки. Это связано с тем, что известная формула выведена (и справедлива) лишь для тонких приосевых пучков монохроматического света. Подобно тому, как сложную кривую вблизи каждой точки можно "приблизить" касательной (математики это называют рядом Тейлора), сложную формулу реальной линзы "приближают" простой формулой геометрической оптики тем точнее, чем
Назовём это условиями применимости упомянутой формулы. Отклонения от "идеальной" формулы принято называть аберрациями. Их несколько видов, но подробно рассматривать мы их не будем. Разделим только на "хроматические" и "геометрические". Если вспомнить аналогию с рядом Тейлора, то геометрические аберрации (очень грубо) вызваны "нелинейными" членами более высоких порядков. При этом "малыми" переменными являются толщина пучка (условие применимости 1) и угол объекта от оси (условие применимости 3), а от геометрии линзы зависят коэффициенты при этих переменных. Если закрыть края линзы непрозрачной пластинкой с отверстием по центру, толщина пучка уменьшится, условие применимости 1 начнёт лучше выполняться и при любой геометрии линзы, т.е. при любых коэффициентах, часть искажений уменьшится. Упомянутая пластинка с отверстием называется диафрагмой. Уменьшение отверстия называют "закрытием", а увеличение - "открытием" диафрагмы. Измеряют степень диафрагмирования безразмерным числом диафрагмы, равным отношению фокусного расстояния к диаметру отверстия. Типичные значения - от 2 до 16 (стандартные значения следуют с шагом в корень из двух: 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11,16), хотя бывает и 1,4 и 32. Запомним пока важный вывод: с закрытием диафрагмы аберрации любого объектива уменьшаются. Но закрытие диафрагмы не всегда допустимо, т.к. влияет на экспозицию и глубину резкости (далее - ГРИП, или Глубина РезкоИзображаемого Пространства), мы об этом влиянии поговорим немного позже. Да и угол зрения не всегда малый (например, в "широкоугольниках"). Т.е. наши "малые" переменные не всегда безболезненно можно уменьшить. Остаётся работать с коэффициентами при них. Оказывается, что для разных форм линз и разных сортов стёкол коэффициенты имеют не только разные значения, но и разные знаки, поэтому если сделать объектив из нескольких линз, коэффициенты некоторым образом суммируются и можно подобрать конфигурацию так, что суммарные аберрации системы линз на порядок меньше чем каждой в отдельности. Примерно таким же образом можно бороться и с хроматическими аберрациями - применением линз с разным знаком т.н. "дисперсии" (различного отклонения лучей разного цвета). Именно поэтому реальные объективы обычно состоят из трёх и более элементов. Теоретически, увеличивая количество элементов, можно последовательно уменьшать все аберрации. Однако в игру вступают другие факторы: рассеяние в стекле, переотражение от поверхностей и накопление ошибок в изготовлении/сборке. Чем больше элементов, тем лучше должно быть качество стекла, качество просветления (напылённый слой для уменьшения переотражений), качество и точность сборки, что заметно увеличивает массу объектива и ещё более заметно - его стоимость. Обычно сложные объективы имеют не более 10-15 элементов. Если же нужно рассчитать объектив с переменным фокусным расстоянием (в просторечии - "зум"), задача сильно усложняется. Если раньше нужно было "подбирать" коэффициенты под несколько расстояний от объекта, под несколько углов (или расстояний до оси) и при нескольких (обычно - трёх) длинах волн, то теперь всё то же самое, но ещё и при разных фокусных расстояниях! Как правило, невозможно "равномерно" устранить каждый вид аберрации при всех положениях зума - какая-то больше на "широкоугольном" конце, какая-то - на "длинном". И чем больше отличаются фокусные расстояния (т.е. чем больше "кратность зума") - тем менее выполнима задача. Вспомним про диафрагму. Поскольку коэффициенты нижних порядков в большой степени скомпенсированы, рост искажений с открытием диафрагмы может быть гораздо круче линейного. Иными словами, если объектив удовлетворительно скомпенсирован при диафрагме 5,6, при отверстии 4 искажения могут стать заметны, а при 2,8 - невыносимы. Отсюда следует два вывода:
Подведём итоги. Проектирование объективов - сложный поиск компромисса между ценой, весом, искажениями, светосилой и кратностью зума. Параметры могут варьироваться в широких пределах и улучшение каждого из них немедленно ухудшает остальные. Например:
Виды и маркировка объективов.В зависимости от угла зрения, объективы традиционно делят на широкоугольные, нормальные и длиннофокусные. Из элементарной геометрии следует, что угол зрения зависит от отношения фокусного расстояния (далее - ФР) к диагонали матрицы, но в связи с широкой распространённостью в прошлом плёночного формата "35мм" исторически сложилась традиция характеризовать объектив не углом, а так называемым "эквивалентным фокусным расстоянием" (далее - ЭФР). Для плёнки и для аппаратов с таким же, как у плёнки, размером матриц ЭФР просто равно истинному, т.е. ФР. "Нормальные" объективы имеют ЭФР около 50мм, широкоугольные 28-35мм, более короткофокусные обычно называют сверхширокоугольными. Длиннофокусные объективы обычно имеют ЭФР 100-400мм. Длиннее используются очень редко, в специальных целях (шпионы, астрономы, папарацци и т.п.). Отдельно стоит отметить ЭФР 80-135мм - их часто называют "портретниками". Именно с этими объективами удобно снимать портрет с расстояния, которое обеспечивает естественную перспективу, сами по себе объективы на перспективу никогда не влияют (вопреки расхожим мифам). У цифровых матриц с диагональю меньшей, чем у плёнки, для обеспечения того же угла зрения (и соответственно того же кадра с того же места) истинное фокусное расстояние объективов делают пропорционально меньше. Так, для матриц с диагональю 9мм (т.н. 1/1,8" матрицы), нормальным будет объектив 10мм, портретником будет 16-20мм, а 35мм - уже полноценным "телевиком". Таким образом, в характеристиках аппарата мы можем увидеть два разных ФР - истинное (ФР) и эквивалентное(ЭФР). К примеру, довольно распространён зум с ФР=6-18мм и ЭФР=36-108мм (значения округлены). На оправе обычно пишут через дробь ФР и светосилу, например 50/1,4 или 6-18/2,8-4,0. В последнем случае надпись означает, что светосила при 6мм равна 2,8, а при 18мм - 4,0. Очень часто диафрагму пишут не как число (например, 8), а как дробь с буквой F (например, F/8). Так же в технических данных обычно кроме светосилы пишут диапазон диафрагмирования, например для цифровых мыльниц типично F/2.8-F/8.0. В результате часто в обзорах, особенно сравнительных, диапазон значения диафрагмы путают либо с диапазоном светосилы, либо вообще с фокусным расстоянием (из-за буквы F). Я уже неоднократно встречал "светосилу" 2-8 (вместо 2-2,8) в сводных таблицах, причём только у некоторых аппаратов в таблице, у других значения были правильными. Такие "опечатки" могут сильно повредить при сравнительном выборе камер. Так же я неоднократно (хотя и реже) встречал "фокусное расстояние" 2,8-8мм (вместо тех же 6-18например). Повторю на всякий случай, что светосила - это значение максимально открытой диафрагмы. Таким образом, если написано что у объектива 6-18мм/2,8-4,0 диафрагмы 2,8-8,0 , это означает что при 6мм диапазон диафрагм 2.8-8.0 (и светосила = 2,8), а при 18мм диапазон 4.0-8.0 (и светосила = 4,0). Вернёмся к углам зрения. Для большинства любительских съёмок достаточно "нормального" объектива (ЭФР=50мм), т.к. его охват пространства близок к естественному восприятию глаза. Разумеется, иногда хочется вместить в кадр побольше (пейзаж, тесное помещение), а иногда, наоборот "наехать поближе"(крупный портрет или деталь при невозможности подойти). Поэтому обычно в качестве основного (а у большинства аппаратов - и единственного) объектива применяется зум с диапазоном "вокруг" нормального, например с ЭФР 35-90 или 35-105. Отношение "длинного" ЭФР к "короткому" называется кратностью зума, меряется в буквах "х" и часто гордо указывается на корпусе. Многие считают, что чем больше "х" - тем лучше. Это не совсем так, а иногда и совсем наоборот. Действительно, если (и только если) Вы собираетесь снимать нечто специальное (особо широкие пейзажи или наоборот - фотоохота, но не одновременно!), суперкратные зумы частично спасают положение, однако достигается это обычно ценой либо качества, либо светосилы (об этом уже говорилось выше), либо цены, либо уменьшения матрицы (об этом - чуть ниже). Чтобы минимизировать потери, важно обращать внимание не на кратность, а на абсолютные значения ЭФР (даже суперкратный 20х-зум с ЭФР 40-800мм не снимет пейзаж так же широко как "скромный" четырёхкратный 25-100мм ). Ещё больший выигрыш в качестве дадут специализированные сменные объективы, но сменная оптика доступна только у аппаратов верхних ценовых диапазонов (все зеркальные камеры , и кроме них отдельные незеркальные модели системы Micro Four Thirds). Важно понимать, что в случае, если указанные "специальные" съёмки составляют малую часть фотоактивности, а большинство кадров делается на "обычных" фокусных расстояниях, ультразумы проигрывают "обычным" объективам (высокие искажения, либо высокие шумы вследствие сопутствующей малой матрицы, либо высокая цена, а иногда и всё вместе). Диафрагма и экспозиция.Электрические процессы фиксации изображения матрицей требуют определённого количества световой энергии на единицу площади матриц для своей работы. Чем меньше это количество - тем выше т.н. чувствительность матрицы. Измеряется она в так называемых "единицах ISO". Типичные значения - 100, 200, 400, но бывают и меньше/больше. Для получения одинаково "серого" цвета на единицу площади матрицы чувствительностью ISO400 нужно подать вчетверо меньше энергии света по сравнению с ISO100. Обсуждение самих чувствительностей (и их оборотной стороны - шумов) мы отложим до главы о размере матриц, а пока вернёмся к диафрагме. Итак, при заданной чувствительности нам нужно подать на каждый квадратный миллиметр матрицы заданную энергию, которая, как известно равна произведению освещённости на время действия (т.н. выдержка). Таким образом, меняя выдержку, мы не только "замораживаем" движение, но и "дозируем" свет. А вот освещённостью матрицы как раз управляет диафрагма - освещённость обратно пропорциональна квадрату диафрагменного числа. Т.е. диафрагма 2 "подаёт" на единицу площади матрицы вчетверо больше света, чем диафрагма 4. Именно поэтому диафрагму маркируют по степеням корня из двойки (т.н. "деления" или "стопы") - каждый стоп изменяет освещённость матрицы вдвое. Сочетание выдержки и диафрагмы называют экспозицией. Совершенно очевидно, что для одной и той же внешней освещённости существует не одна "верная" экспозиция. Например, 2,0*1/2000c=2,8*1/1000c=4,0*1/500c=5,6*1/250c=8*1/125c=11*1/60c=16*1/30c (знак умножения здесь условен, обозначает лишь сочетание). Все эти экспозиции ОДИНАКОВЫ, т.е. квадратный миллиметр матрицы примет одинаковое количество световой энергии в каждом из этих случаев. При бОльшей внешней освещённости нужно ещё укоротить выдержку или прикрыть диафрагму и наоборот - при меньшей - удлинить выдержку или приоткрыть диафрагму. Таким образом, диафрагма при одних и тех же внешних условиях влияет на выдержку, т.к. они жёстко связаны между собой "верной" экспозицией. Иногда это полезно - например, при съёмке быстрых движений и спорта мы можем полностью открыть диафрагму - тогда выдержки станут максимально короткими и не будет "смаза" от движения объектов. И наоборот... Кроме смаза от движения объекта, существует ещё т.н. "шевелёнка" - дрожание рук фотографа. Она коварна тем, что не поддаётся строгому измерению, т.к. является случайным процессом. Но "народный опыт" вывел очень усреднённое правило - шевелёнки следует бояться при выдержке (в сек) длиннее, чем 1/ЭФР(в мм). Т.е. при ЭФР=105мм лучше длиннее, чем на 1/100 без штатива не снимать. Таким образом, чем более длиннофокусен объектив, тем важнее ему иметь достаточную светосилу, т.к. длинные выдержки ему недоступны из-за шевелёнки (штатив пока не рассматриваем). В этой связи при сравнении двух ультразумов важно обращать внимание на светосилу именно на "длинном" конце. Подведём краткий итог: диафрагма позволяет управлять экспозицией, и при фиксированном освещении жёстко связана с выдержкой - чем "открытее" диафрагма, тем короче выдержка. Чем выше светосила, тем в более тёмных условиях можно снимать (при фиксированной выдержке) либо тем с более короткой выдержкой можно снимать (при фиксированной освещённости). Кстати, возвращаясь к определению диафрагмы, можно, наконец, дать его более строго. Мы ведь рассматривали одну линзу с одной "дыркой", и самый тонкий диаметр пучка совпадал с физическим диаметром отверстия. Реальные объективы имеют много линз с разными диаметрами, и не всегда отверстие диафрагмы находится физически в самом тонком месте на самой маленькой линзе. Как же тогда определяют и градуируют диафрагменные числа? А очень просто - через освещённость матрицы. Т.е. некоторое положение реальных лепестков диафрагмы соответствует такому числу, какое бы дала одна тонкая линза с той же диафрагмой (т.е. создающая ту же освещённость матрицы). Диафрагма и ГРИП.По законам оптики расстояния от объектива до матрицы и до объекта съёмки жёстко связаны. Если мы хотим "навести" объектив скажем на объект в 3м от аппарата, мы (вручную или средствами автоматики) передвигаем его относительно матрицы на нужное расстояние - это и называется фокусировка (в автоматическом случае - "автофокус"). А что же происходит с объектами "не в фокусе", например на расстоянии 3,5 метра? Из элементарной геометрии следует, что каждая точка вместо точки сфокусируется в пятнышко, тем большего диаметра, чем более открыта диафрагма и чем сильнее удалён объект от "правильного" расстояния(на которое сфокусирован объектив). Практика показывает, что средний человеческий глаз при рассматривании фотографий 13*18см практически не различает разницы для диаметра пятнышка около 1/1500 диагонали кадра. Применяя элементарную геометрию и формулы линзы, несложно вывести формулы для тех расстояний, для которых пятно нерезкости будет в точности равно 1/1500 диагонали. Всё что между ними будет изображаться "практически резко". Если "дальнее" из двух расстояний конечно, то разницу между ним и "ближним" принято называть ГРИП (Глубина Резко Изображаемого Пространства). Формула для неё довольно громоздка, но, к счастью, в некоторых типичных случаях легко упрощается. Мы рассмотрим три основных случая - "пейзажный", "портретный" и "макро". Но предварительно введём два более удобных во многих случаях параметра - Kf и P
P - размер(диагональ) ОБЪЕКТА (в простейшем случае когда мы снимаем картинку на стене - диагональ того прямоугольника, который влез в кадр). Измеряем в метрах. Типичные значения скажем для портрета - 1метр, для лица самым крупным планом - 0,5м, для макро - сантиметры, для портрета "в рост" - 2,5-3м и так далее. ВНИМАНИЕ! Очень часто этот параметр (P) важнее чем "дистанция фокусировки L", которая упорно входит во все учебники, т.к. именно P отражает КОМПОЗИЦИЮ (компоновку) кадра, т.е. ЦЕЛЬ снимающего. Часто нам совершенно неважно с какого расстояния снимать, важно ЧТО снимать. А вот при одном и том же P дистанция сильно зависит от ЭФР объектива, т.е. не является константой при сравнении разных объективов. Упорное непонимание этого факта рождает стойкие мифы, к которым мы ещё вернёмся при рассмотрении "портретной" зоны. Пейзажная зона.Пусть L - дистанция фокусировки (расстояние до объекта). При L=бесконечность резкими будут не только объекты на бесконечности, но и на всех расстояниях больших некоторого расстояния H, получившего название "гиперфокальное" расстояние. Из упоминавшихся "сложных" формул оно легко выводится, получается хрестоматийное выражение
Очевидно, что если пейзаж имеет не только "дальние" объекты, но и средний и, тем более, ближний план, диафрагму лучше прикрыть. Видно, однако, что если у "крупноматричных" аппаратов для хорошей проработки многоплановых (с объектами на переднем плане) пейзажей нужно закрывать диафрагму до 8-11 (а на длинных фокусах и более), то у цифрокомпактов пейзаж "начинается от порога" - на "коротком"(ЭФР=35мм) конце зума даже на диафрагме 4 всё резко от метра до бесконечности. Этим иногда можно пользоваться в репортажных целях - отключив автофокус (если это позволяет камера!) и наводясь на гиперфокальное расстояние. Экономит ценные доли секунд! Портретная зона. Fист«L«HОбщая формула сильно упрощается, вот так: ГРИП=(Kf*A)*P2/32 32 в знаменателе - размерная величина (метры, получена из диагонали плёночного кадра), так что с размерностью всё в порядке. Оставив обсуждение значения Kf до следующего раздела, отметим другую важную деталь - если мы хотим снять некий объект, занимающий фиксированную часть кадра (ну скажем портрет, P=1метр), т.е. размер P фиксирован (а для портретной съёмки это - типичная ситуация), то ГРИП не зависит ни от фокусного расстояния объектива, ни от расстояния до объекта, только от диафрагмы. Это воспринимается в штыки большинством фотографов, приученных к расхожей (неверной!) поговорке что "у телевиков ГРИП меньше чем у широкоугольников". Эта поверхностная поговорка справедлива для фиксированного расстояния до объекта. Но при изменении фокусного расстояния и прежнем расстоянии до объекта мы сравниваем фактически разные кадры - например, портрет в полный рост и глаза крупно. Это совершенно разные стили и сравнение теряет всякий смысл. Единственное что имеет смысл - это сравнение одинаковых по построению кадров (например, "лицо и плечи", грудной портрет, P=1метр). Мы можем снимать его близко, нормальным объективом, можем отойти подальше и снимать телевиком, но ГРИП от этого не изменится (при одинаковой диафрагме). С этим не все сразу соглашаются, но это так. И не только из сухих формул - это легко подтверждается практикой. Макрозона. Fист~L.Для "неглубокого" макро (P более 3см для зеркалок и более 1см для цифрокомпактов) вполне удовлетворительное приближение даёт формула из "портретной" зоны. Приводить же точную формулу для "глубокого" макро я не вижу смысла, т.к. там всё равно требуются поправки на непостоянство светосилы от масштаба и толщину объектива, да и редко встречается такое макро у любителей. Итак, Раз уж мы заговорили о "макро", отмечу очень важный факт: во всех без исключения рекламных и технических параметрах указывается вопиюще неграмотный параметр - минимальное расстояние до объекта. При условии разных фокусных расстояний и конструкций объективов этот параметр не значит ровно ничего. Аппарат А с расстояния 1см может снимать мельче(т.е. с меньшим увеличением) чем аппарат Б с 10см. Полное отсутствие связи между Pmin и МДФ (минимальной дистанцией фокусировки) наглядно демонстрирует отдельная фотогалерея, собранная из писем читателей. Иногда (особенно в плёночной фотографии) вместо расстояния в качестве характеристики макрообъектива указывают масштаб съёмки. Но в связи с разными размерами матриц этот параметр также не годится. Единственно верным и корректным параметром, характеризующим макровозможности камеры следует считать Pmin - минимальную величину объекта, показанного во весь кадр. Для этого просто достаточно взять в магазин линейку и снять её во весь кадр, как на приведённой в пример фотогалерее. Размытие фона и ГРИП.В "портретной зоне" часто фотографу хочется "размыть" фон, выделив тем самым портретируемого. Казалось бы, чем меньше ГРИП, тем лучше размытие. Однако следует различать эти два понятия. Если ГРИП определена достаточно строго, то "степень размытия фона" до сих пор вызывает споры и вопросы. Для одного и того же ЭФР никаких проблем нет - действительно чем меньше ГРИП, тем лучше размыт фон. Т.е. при съёмке на одном и том же ЭФР фон "моется" прямо пропорционально светосиле (т.е. на диафрагме 2,0 вдвое лучше чем на 4,0) и обратно пропорционально Kf (т.е. с матрицей 1/2,3" примерно 3,5 раз хуже чем на APS-C). Сложности начинаются при сравнении объективов с разным ЭФР. При одном и том же P (т.е. объект одного размера снимается во весь кадр) при изменении ЭФР меняется расстояние от объекта до фотоаппарата, а вместе с ним и перспектива. Т.е. относительные размеры фона по сравнению с объектом. Если фон относительно недалеко от объекта (на расстояниях порядка ГРИП), то размытие его деталей в пространстве объектов не зависит от фокусного расстояния (как и ГРИП, см. выше). Это означает что размер размытия относительно деталей фона не меняется. Однако из-за разной перспективы с ростом ЭФР это размытие растёт относительно кадра, т.е. занимает всё большую и большую его часть. Формулы там достаточно длинные, но можно грубо считать что размытие в пространстве изображений при одной и той же ГРИП прямо пропорционально ЭФР (а когда фон уже достаточно далеко, то это уже не грубо, а точно), т.е. размытие больше у длиннофокусных объективов (при равных диафрагмах и матрицах, разумеется). Проиллюстрирую это на примере. Он снят мною на Canon D60 (очень старая модель, матрица APS-C), при одном и том же P и разных ЭФР. На иллюстрациях везде указаны истинные фокусные расстояния (без умножения на 1,6), а также значения диафрагмы. Сначала выделим одну и ту же ДОЛЮ кадра:
А теперь выделим из этих снимков одинаковые части фона (приходится делать масштабирование до одинаковых размеров):
Наглядно видно, что размытие в пространстве объектов (в долях от фона) примерно одинаково, а в пространстве изображений (в долях от кадра) заметно растёт с фокусным расстоянием. Однако общее СУБЪЕКТИВНОЕ впечатление от размытия фона на кадрах растёт неким ПРОМЕЖУТОЧНЫМ образом. Т.е. мозг (подсознательно) сравнивает размытие как абсолютно (в долях кадра или если хотите в миллиметрах на ОТПЕЧАТКЕ), так и относительно (соседних деталей фона, в данном примере - букв). Причём, чем дальше фон и чем более он размыт, тем меньше деталей, за которых глаз может зацепиться, и тем ближе субъективная оценка к абсолютной (в долях кадра). И, наоборот, чем меньше размыт фон, чем больше в нём мелких контрастных и "узнаваемых" деталей, тем больший вклад вносит "относительная" оценка. Резюмируем (все результаты при одинаковом P, т.е. доля объекта в кадре не меняется):
читать дальшеИсточник: http://afanas.ru/video/photo.htm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Просмотров: 20932 | Рейтинг: 5.0/2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Всего комментариев: 2 | |||
| |||
