Объективы для пленки и цифровой приемник

[Вэ Шин]

Здравствуйте, Эрнест!

Я немного - фотограф -любитель, и так-же немного любитель-астроном. Хотел бы Вам задать вопрос не совсем по астрономической теме, но как оптику - профессионалу.

История вопроса: Вот я держу в руках свой старый фотоаппарат "Зенит". Размер кадра 24*36 мм. Наворачиваю на него длиннофокусный объектив. С F=1000 мм. У меня хватает воображения и "ума" представить, что лучи света падают на плёнку почти под прямым (условно) углом, причем, чем длиннее фокусное расстояние объектива, тем больше угол падения лучей на плёнку стремится к 90*.(условно).

Я ставлю на фотоаппарат широкоугольный объектив F=28 мм (например). И так же у меня хватает воображения представить, что свет падает на плёнку под более острым углом.

Теперь берём в руки цифровой фотоаппарат с матрицей таких же размеров (для чистоты эксперимента). Как мы знаем, каждый пиксель матрицы накрыт микро-линзой. В связи с этим, производители оптики говорят, что теперь применение объективов от плёночных камер нежелательно, поскольку оптика для цифровых камер рассчитывается таким образом, что лучи света падают на матрицу под более прямым углом, дабы микро-линзы более корректно работали.

Вот тут мое воображение отказывается работать. Я не могу представить объектив, у которого - и короткий фокус, и "лучи света падают на матрицу под более прямым углом".

Некоторые товарищи на фото-форумах считают, что это это - не более чем маркетинговый ход. Другие - судят иначе.

Можете ли Вы что-либо сказать по этому поводу?

Благодарю.

Виктор.

[Ernest]

"История вопроса: Вот я держу в руках свой старый фотоаппарат "Зенит". Размер кадра 24*36 мм. Наворачиваю на него длиннофокусный объектив. С F=1000 мм. У меня хватает воображения и "ума" представить, что лучи света падают на плёнку почти под прямым (условно) углом, причем, чем длиннее фокусное расстояние объектива, тем больше угол падения лучей на плёнку стремится к 90*.(условно)." - - Хороший вопрос. Диапазон углов падения света на приемник определяется не столько фокусным расстоянием, сколько сходимостью световых пучков, расположением выходного зрачка объектива по отношению к приемнику.

см. рисунок ниже:
[align=center]

ray-fans.PNG (5.59 КБ) 8353 просмотра

[/align]
Угол падения луча падающего по нормали к приемнику считается равным 0, отлонения от нормального падения измеряются углом между нормалью к поверхности и лучом.

Заметьте, что в даже в одном пучке лучей сколь-нибудь светосильного объектива много лучей и все они падают под разными углами, чем светосильнее объектив, тем больше будет разница в углах падения. Даже в осевом пучка углы падения могут достигать значений равных arctg(1/2k), где k - диафрагменное число. Например, при съемке на диафрагме 1:1.4 крайние лучи осевого пучка падают на приемник под углом около arctg(1/2.8) = 20 градусов.

Теперь добавим к этому угол падения главного (среднего) луча внеосевого пучка: arctg(y/(S'-Sp')), где y - расстояние от центра до его интересующей точки (например, до угла кадра), S' - расстояние от последней линзы объектива до кадра, а Sp' - расстояние от последней линзы объектива до выходного зрачка (то есть S'-Sp' - расстояние от выходного зрачка объектива до кадра). Например, на кадре 24х35 от центра до угла составляет y=21 мм, а типичное расстояние S'-Sp' для широкоугольного объектива было чуть больше его фокусного расстояния, например 50 мм. Получаем угол падения главного луча arctg(21/50) = 22 градуса. Да плюс угол падения крайнего луча в светосильном пучке (см. пример выше) 22+20 = 42 градуса (на самом деле это сложение не вполне корректно, но достаточно для иллюстрации).

Так что тема со слишком крутыми углами падения лучей на CCD приемник вполне актуальна. В отличие от пленки (которая сама по себе оптическая среда уменьшающая углы падения пропорционально своему показателю преломления), цифровой приемник плохо принимает лучи падающие под такими пологими углами отражая большую их часть как зеркало. Что приводило (1) к искусственному уменьшению апертуры фотообъектива (за счет меньшей эффективности крайних лучей пучка даже на оси) и (2) к заметному виньетированию (уменьшения эффективности наклонных световых пучков из-за большего процента лучей в них претерпевающих отражение из-за пологого угла падения).

"Я ставлю на фотоаппарат широкоугольный объектив F=28 мм (например). И так же у меня хватает воображения представить, что свет падает на плёнку под более острым углом." - - это поскольку вы представляете себе объектив в виде одиночной линзы с выходным зрачком примерно совпадающим с этой линзой. На самом уже давно фотообъективы считают таким образом, чтобы внеосевые пучки падали с меньшими углами падения, чем в такой упрощенной модели. То есть с S'-Sp' много большим чем фокусное расстояние. На этапе расчета положение выходного зрачка таких объективов (они называются объективы с телецентричным ходом выходных пучков) стремятся отнести как можно дальше от приемника. В итоге световые пучка на краю кадра падают примерно под теми-же углами, что и в центре.

[align=center]

telecentric.PNG (5.48 КБ) 8353 просмотра

[/align]

Теперь берём в руки цифровой фотоаппарат с матрицей таких же размеров (для чистоты эксперимента). Как мы знаем, каждый пиксель матрицы накрыт микро-линзой. В связи с этим, производители оптики говорят, что теперь применение объективов от плёночных камер нежелательно, поскольку оптика для цифровых камер рассчитывается таким образом, что лучи света падают на матрицу под более прямым углом, дабы микро-линзы более корректно работали.

Справедливо. Цифровой приемник предполагает телецентричный ход внеосевых пучков.

"Некоторые товарищи на фото-форумах считают, что это это - не более чем маркетинговый ход" - - нет, это реалии. Нааример, аналогом при астрономических наблюдениях служат обычные и телецентрические линзы Барлоу (экстендеры). Обычные ЛБ приводят к уменьшению расстояния от вых. зрачка объектива телескопа до промежуточного изображения (где располагается полевая диафрагма окуляра) и как следствие проблемы взаимодействия с UWA окулярами, а телецентричные сохраняют телецентричность хода внеосевых пучков (не смещают положение достаточно удаленного от приемника вых. зрачка объектива телескопа) и более благоприятно работают с UWA и XWA окулярами.

[marvincfs]

Еще к недостаткам старой оптики относят возможную засветку картинки из-за переотражений "матрица -> задняя линза -> матрица". Но такое случается довольно редко, чаще картинку гадит толстый бутерброд стекла перед матрицей, который критичен к углу падения лучей.

[Алексей Куприянов]

По теме
http://tekhnosfera.com/razrabotka-i-iss ... dom-luchey" onclick="window.open(this.href);return false;

[Вэ Шин]

Большое спасибо, Эрнест, за обстоятельный ответ. Я понял почти всё. Пришлось вспомнить и арктангенсы . Действительно, - что я помню из оптики, так это раздел физики за десятый класс, где изображена то ли стрелка, то ли свеча и ход лучей через собирающую линзу. Популярные книги Перельмана тоже, помнится, касались основ оптики. И помню была ещё формула тонкой линзы...

"...о сколько нам открытий чудных..."

Эрнест, читая форум, я давно отметил Ваше долготерпение в общении с дилетантами. Спасибо.

Благодарю и присоединившихся товарищей.

Ясного неба и хорошей погоды.

[maxim.ge]

Маэстро, я, конечно, извиняюсь, но - по-моему - для F=28мм и рабочего отрезка 46 мм такая схема работать не будет.

Первый блок должен быть рассеивающим, тогда задний отрезок будет длиннее фокусного.

[maxim.ge]

С этим, кстати, связан интересный эффект.

Берем две линзы, положительную и отрицательную, равной силы, -40 мм и 40 мм. Если их поставить рядом, суммарная сила равна нулю.

А вот если развести на 60 мм, поставив впереди отрицательную, то получится фокусное расстояние:



f = ( -40 * 40) / (-40 + 40 - 60) = 26.7 мм.

Т.е., получается, берем положительную линзу F=40 мм и при помощи такой же, но отрицательной, укорачиваем ее фокус - разрыв шаблона.

При этом задний отрезок = 1/(1/40 - 1/100) = 66,7 мм

[Ernest]

Маэстро, я, конечно, извиняюсь, но - по-моему - для F=28мм и рабочего отрезка 46 мм такая схема работать не будет.

Иллюстрация грубо демонстрирует отличие одиночной линзы и сложного объектива в части хода внеосевых световых пучков. А именно возможность для внеосевых пучков быть телецентричными.
Это ни разу не детальная схема какого-нибудь реального объектива, и мне казалось это всем понятно.

А вот если развести на 60 мм, поставив впереди отрицательную, то получится фокус:

фокусное расстояние

[maxim.ge]

Попробую "изобрести велосипед" - провести графический "расчет" ретрофокусного объектива с указанными выше параметрами. А Эрнест Маратович не даст сильно соврать.

Часть 1. ТЗ

• лучи идут слева направо;
• первый компонент отрицательный, f = -40мм;
• второй компонент положительный, f = 40мм;
• ширина поля 40 мм;
• на краю поля центральный луч пучка параллелен оси.

[maxim.ge]

Часть 2. Определение кардинальных точек и плоскостей.

Пускаем луч снизу оптической оси и параллельный ей, отрицательный компонент отклоняет его от оси, положительный возвращает обратно.

Пересечение луча с оптической осью дает положение заднего фокуса системы. Пересечение продолжения входящего луча с исходящим определяет заднюю главную плоскость (от нее отсчитывается фокусное расстояние).

Заметим, что фокусное расстояние меньше заднего отрезка.

[maxim.ge]

Часть 3. Ход центрального луча внеосевого пучка

Поскольку луч выходит параллельно оси, он проходит через фокус положительного компонента.

[maxim.ge]

Часть 4. Апертурная диафрагма.

Самое интересное - как обеспечить то, что луч, параллельный оптической оси, будет центральным в пучке? Поставив апертурную диафрагму в передний фокус положительного компонента.

Возьмем стандартное значение относительного отверстия F/2.8, таким образом, входящий диаметр внеосевого пучка получается равным ~10 мм (т.к. фокусное расстояние системы ~26 мм). Остальное уже дело техники, диаметр апертурной диафрагмы получается около 16 мм, главные лучи входят в приемник строго перпендикулярно.

[maxim.ge]

Кстати, передний отрицательный компонент можно вообще убрать, главные лучи останутся телецентричными, т.е. достаточно расположить апертурную диафрагму в нужном месте.

Однако, "ширик" на зеркалку так не сделать, задний отрезок слишком мал.

[Ernest]

Рисунки, просто как на настоящей миллиметровке. Что за инструмент?

[maxim.ge]

Инструмент Google Drawings

Подложил изображение миллиметровки как фон и поверх рисовал. Жалко, возникли проблемы с экспортом растра фона, пришлось копию экрана делать. А так было бы совсем круто, File/Publish to the web... и далее размер можно выбрать, но миллиметровка плохо выглядит в таком режиме.

Но вот вопрос по этой доморощенной схеме - положительный элемент имеет фокус 40 и высоту 35, что, конечно, фантаcтично для одиночной линзы. Как бы сделать более реально, сохранив большой задний отрезок?