Fotografera ett avlägset objekt med en kameralins. Tunn linsformel

628. Vilken exponering behövs vid fotografering av en ritning med linjär förstoring V\, om vid fotografering med förstoring V2 är exponeringen t2?

629. Ett frostat glas är installerat i den positiva linsens fokalplan. Det visade sig att suddigheten av bilddetaljer av objekt som befinner sig på ett avstånd a = 5 m från linsen var d = 0,2 mm. Bestäm objektivets bländarförhållande om dess brännvidd är F = IO cm.

Notera. Bländarförhållandet för ett objektiv är kvadraten på förhållandet mellan objektivets diameter och dess brännvidd.

630. En kamera vars lins har en brännvidd F = 20 cm riktas mot ett föremål som är beläget på ett avstånd fli = 4 m. Till vilken diameter ska objektivet ha öppning så att bildens suddighet på objekt placerade på avstånd a2 = 5 m från kameran inte överstiger 0,2 mm?

631. Vid fotografering av en avlägsen punktkälla i ett fotografi, på grund av den låga kvaliteten på linsen och det fotografiska materialet som används, erhålls en ljuscirkel med en diameter på d = 0,1 mm. Från vilket maximalt avstånd kan två punktkällor, belägna på ett avstånd av I = 1 cm från varandra, fotograferas under samma förhållanden för att

127foton av deras bilder har ännu inte överlappat varandra? Linsens brännvidd F = 5 cm.

632. I ett mikroskop är linsens Fi huvudsakliga brännvidd = 5,4 mm och okularet F2 = 2 cm Objektet är beläget på ett avstånd axe = 5,6 mm från linsen. Bestäm den linjära förstoringen av mikroskopet för ett normalt öga och längden på mikroskopet (avståndet mellan objektivet och okularet), förutsatt att ögat är anpassat till bästa synavstånd d = 25 cm.

633. Teleskoplinsen har en brännvidd Fі = 30 cm, och okularet har en brännvidd F2 = 4 cm. Teleskopet är inställt på oändligt *). Var ska diafragman placeras så att synfältet begränsas kraftigt? Vad är synfältsvinkeln om bländardiametern är 12 mm? Vad är rörets vinkelutvidgning?

Notera. Vinkelförstoring är förhållandet mellan tangenterna för vinklarna som bildas av de utgående och inkommande strålarna med den optiska axeln.

634. En divergerande lins med brännvidden Fi = -15 cm placeras mellan ljuskällan och teleskopet på ett avstånd U = 85 cm från källan. Var i gapet mellan källan och den divergerande linsen ska en konvergerande lins med brännvidd F2 = 16 cm placeras så att ljuskällan kan ses skarpt in i röret inställt på oändligt? Vid vilken av de möjliga positionerna för linsen kommer bilden i röret att ha störst vinkelmått?

635. Teleskoplinsen har en brännvidd Fi = 25 cm och en diameter på 5 cm, och okularet har en brännvidd F2 = 5 cm. Teleskopet är inställt på oändligt. Om ett frostat glas placeras bakom okularet, har den upplysta cirkeln på det frostade glaset de minsta dimensionerna och skarpt begränsade kanter vid en viss position. Vad är avståndet från det frostade glaset till okularet och vad är diametern på cirkeln?

*) Texten i detta och ett antal efterföljande problem innehåller inga instruktioner angående anpassningen av observatörens öga. I sådana fall rekommenderas det att lösa problem under antagandet att ögat ryms i det oändliga (se anmärkning till lösningen av detta problem). .

128636. Spottingscope med objektivets brännvidd F = 50 cm inställd på oändligt. Hur långt måste okularet på röret flyttas för att tydligt se föremål på ett avstånd a = 50 m?

637. Genom att flytta okularet kan ett teleskop fokusera på föremål som ligger på ett avstånd från Cil = 2 m till a2 = 10 m. Vilken lins måste fästas på objektivet för att teleskopet ska kunna ställas in på oändligheten? Var kommer den närmaste fokuspunkten att vara?

638. Ett föremål placeras framför Kepler-teleskopets objektiv (med en konvergerande lins som okular) på avstånd a< Fi. Отношение фокусных расстояний объектива и окуляра FiIF2=IO. Труба установлена на бесконечность. Найти линейное увеличение V = у/х (л;-размер предмета, у- размер изображения). Определить характер изображения.

639. Ett föremål placeras framför objektivet på Galileos teleskop (med en divergerande lins som okular) på ett avstånd a > Fi. Förhållandet mellan objektivets och okularets brännvidder FJF2 = -10. Röret pekar mot oändligheten. Hitta den linjära ökningen V = y/x, där X är storleken på objektet, y är bildens storlek. Bestäm bildens karaktär.

640. Teleskopet har en brännvidd för objektivet Fi = 50 cm och en brännvidd för okularet F2 = 10 cm. Vilken vinkel är två avlägsna föremål synliga genom teleskopet, om denna vinkel är 30" när de betraktas med blotta ögat? Teleskopet är inställt på oändlighet.

641. Objektivet och okularet på Galileos teleskop har brännvidder lika med Fi = 57 cm respektive F2 = -4 cm. Röret är riktat mot solen. En vit skärm är placerad på ett avstånd b = 12 cm från okularet. På vilket avstånd L mellan linsen och okularet kommer en tydlig bild av solen att erhållas på skärmen. Vad blir diametern D på denna bild om solens vinkelstorlek är a = 30"?

Du kan inte förstöra siffrorna med solen eller på digitala bildkällor

Yuri Samarin, Dr. tech. Sci., professor, Moscow State Unitary Enterprise im. Ivan Fedorov

Digitalkameror (kameror) är nu överallt inom journalistik, publicering och tryckning. En digitalkamera liknar sin design till en konventionell kamera, men istället för en fotografisk film som en bild tas på har den speciella sensorer (fotomatris): laddningskopplade matrisenheter - CCD (Charge Coupled Device, CCD) eller komplementär metall oxidhalvledarenheter CMOS (Complementary Metal -Oxide Semiconductor, CMOS). Dessa sensorer omvandlar bilden som projiceras på dem av linsen till digital form.

Det finns flera designalternativ för digitalkameror: bakre skanningskameror, trebildskameror och enbildskameror med en eller tre fotomatriser. För närvarande används huvudsakligen enbildskameror.

En bakre skanningskamera skannar i bildplanet. Funktionsprincipen för en sådan kamera (fig. 1) liknar skanningstekniken som implementeras i skannrar med rad-för-rad-avläsning av information. Skanningshuvudet, som innehåller en rad ljuskänsliga CCD:er, rör sig i små steg längs kamerans bakre fokalplan över bilden och registrerar en rad pixlar vid varje steg. Kameror som använder denna princip producerar högupplösta bilder, men exponeringstider kan vara upp till flera minuter, vilket gör backscan-tekniken olämplig för fotografering av rörliga motiv eller när du använder blixt. Under skanning förblir kameraslutaren öppen, så konstant belysning måste användas, eftersom varken blixt eller blixt är i det här falletär inte lämpliga.

En kamera med tre bildrutor är utformad för att spela in färgbilder av stationära föremål (Fig. 2). En tvådimensionell CCD-matris används som en ljuskänslig sensor. Platta tvådimensionella matriser har en mycket lägre upplösning än linjära. Varje element i matrisen bildar en punkt i bilden. Exponeringen görs med en sådan hastighet att du kan använda belysningen från en konventionell blixt.

För att registrera en färgbild måste du ta tre separata bilder genom tre filter (röd, grön och blå). Mellan exponeringarna roteras skivan med ljusfilter så att det i tagningsögonblicket finns ett rött, grönt eller blått filter framför matrisen.

Tekniken implementerad i enbildskameror med en enda sensor ger hög hastighet bilddigitalisering, men har lägre upplösning och sämre färgåtergivning än "flerbilds"-teknik. Sådana kameror kallas även för färgberäkningskameror.

Liksom i en trebildskamera använder en enkelbildskamera med en enda sensor (Fig. 3) en platt matris, men färgdata registreras inte genom separata filter, utan genom ett filmfilter som består av röda, gröna och blå element avsatt på ytan av CCD. Data om varje bildpunkt registreras endast i en av de tre färgerna (till exempel röd). För att lägga till de rätta proportionerna av grönt och blått till det, interpolerar bearbetningsprogrammet färgdata för närliggande punkter. Eftersom endast en exponering krävs, fångar enbildskameror rörliga motiv.

Funktionsprincipen för en enkelbildskamera med tre matriser (single-frame färgkameror), som inkluderar tre matriser, är att dela upp det inkommande ljuset i röda, gröna och blå komponenter, som var och en riktas till sin egen matris ( Fig. 4). I vissa modeller registrerar varje matris sin egen färg, i andra kombineras en platt matris, på vars yta röda och blå filmfilter appliceras, och ytterligare två matriser med gröna filter. I det andra fallet utförs interpolation endast på två färger, vilket leder till en ökning av kvaliteten på den tagna bilden. Nackdelen med denna registreringsmetod är att den är relativt en hög upplösning.

Trots designskillnaderna har digitalkameror av olika typer i allmänhet samma struktur (fig. 5).

Huvudkomponenter digitalkameraär en lins, en fotosensor (CCD eller CMOS), en flytande kristallskärm (LCD), ett ljudkort, ett minneskort och en processor som inkluderar en analog-till-digital-omvandlare, en exponerings- och fokuskontrollenhet, och en enhet för generering och komprimering av digitala bilder.

En kameralins är en uppsättning linser som sätts in i ett rör och är utformade för att bilda en skarp bild på ytan av en ljuskänslig sensor (CCD eller CMOS) placerad i linsens fokalplan.

I moderna digitalkameror används linser med variabel brännvidd, som har en komplex optisk design, eftersom det i vilken position som helst av dess rörliga element är nödvändigt att upprätthålla aberrationer inom specificerade gränser.

Bland specifikationer Det viktigaste objektivet är upplösningen, som avgör objektivets förmåga att överföra fina detaljer. Linsens upplösning mäts i linjer per millimeter, för vilket ett testdiagram fotograferas - en speciell testbild med tunna linjer. Platsen där enskilda linjer blir omöjliga att särskilja anses vara upplösningströskeln. Linsens upplösning i linsens optiska centrum är alltid högre än vid kanterna. Ett objektiv anses vara bra om skillnaden mellan upplösningen i mitten och vid kanterna av ramen inte överstiger 30 %.

Antireflexbeläggningen är gjord i flera lager - den innehåller upp till tio lager placerade ovanför varandra. Varje lager är avstämt till vågorna i en viss del av spektrumet, så beläggningen som helhet kan arbeta med vågor av vilken våglängd som helst.

Den viktigaste egenskapen hos en digitalkamera är objektivets brännvidd, eller snarare den optiska zoomen (zoom), som bestämmer objektivets förmåga att variera brännvidden vid en konstant position av bildplanet (fotomatris). Genom att variera brännvidden kan du dynamiskt ändra skalan på fotograferingen, öka eller minska storleken på bilden. När du zoomar in objektivet omarrangeras linserna, vilket gör att brännvidden ändras.

På amatörkameror indikeras vanligtvis en kameras zoom med en multiplicitet (förhållandet mellan den minsta brännvidden och dess maximala värde). Till exempel är en 4x kamerazoom en 4x zoom.

På professionella kameror indikeras objektivets brännvidd direkt, till exempel 24-70 mm - minsta respektive maximala brännvidd.

Tillsammans med den optiska zoomen har digitalkameror en digital zoom, med hjälp av vilken en "mjukvaru" bildförstoring uppstår: bilden som kameran tar emot genom linsen beskärs (klipper ut och förstorar fragmentet). Samtidigt minskar bildkvaliteten: mängden brus ökar, detaljer går förlorade och upplösningen minskar. Med digital zoom, som fördubblar bilden, blir en upplösning på 12 megapixlar 3 megapixlar.

Synvinkeln beror på objektivets brännvidd. Ju mindre brännvidd objektivet har, desto större synvinkel och omvänt, ju längre brännvidd, desto mindre synvinkel för objektivet. På fig. 6 visar ett ungefärligt diagram över betraktningsvinklar och brännvidder och klassificeringen av linser.

Långa brännvidder gör att du kan ta närbilder av avlägsna föremål med hög förstoring. Vid fotografering med hög förstoring är det särskilt svårt att stabilisera bilden på grund av fotografens händers skakningar, vilket leder till suddighet i ramen. Moderna digitalkameror är utrustade med ett bildstabiliseringssystem. För att göra detta har de inbyggda speciella sensorer som fungerar enligt principen om gyroskop eller accelerometrar. Dessa sensorer bestämmer konstant kamerans rotationsvinklar och rörelsehastighet i rymden och ger kommandon till elektriska ställdon som avleder linsens eller matrisens stabiliserande element.

Linsens stabiliserande element, som är rörligt längs de vertikala och horisontella axlarna, avböjs av stabiliseringssystemets elektriska drivning på kommando från sensorerna så att bildprojektionen på matrisen helt kompenserar för kameravibrationer under exponeringen.

Som ett resultat, vid små amplituder av kameravibrationer, förblir projektionen alltid orörlig i förhållande till matrisen, vilket ger bilden den nödvändiga klarheten. Närvaron av ytterligare ett optiskt element minskar dock objektivets bländarförhållande.

I vissa digitala modeller kompenseras kamerans rörelse (skakning) inte av ett optiskt element inuti linsen, utan av dess matris monterad på en rörlig plattform.

Sådana linser är billigare, enklare och mer pålitliga, bildstabilisering fungerar med vilken optik som helst. Detta är viktigt för SLR-kameror med utbytbar optik. Matrix-shift-stabilisering, till skillnad från optisk stabilisering, förvränger inte bilden och påverkar inte objektivets bländarförhållande. Samtidigt tror man att sensor-shift-stabilisering är mindre effektiv än optisk stabilisering, eftersom med en ökning av linsens brännvidd måste matrisen röra sig för snabbt med för stor amplitud och den hänger inte med med den "glidande" projektionen.

Det finns elektronisk (digital) bildstabilisering, där cirka 40 % av pixlarna på matrisen är tilldelade bildstabilisering och inte deltar i bildbildningen. När videokameran skakar "svävar" bilden på matrisen, och processorn fångar upp dessa fluktuationer och gör en korrigering med hjälp av reservpixlar för att kompensera för skakningar i bilden. Ett sådant stabiliseringssystem används ofta i digitala videokameror med små upplösningsmatriser - med lägre kvalitet än andra typer av stabilisering visar det sig vara billigare eftersom det inte innehåller ytterligare mekaniska element.

Det finns tre typiska driftlägen för bildstabiliseringssystemet: enkel- eller bildruta, kontinuerlig och panoreringsläge.

I enkel- eller bildläge aktiveras stabiliseringssystemet endast för exponeringstiden vid fotograferingstillfället, vilket teoretiskt sett är mest effektivt, eftersom det kräver minimala korrigerande rörelser.

I kontinuerligt läge fungerar stabiliseringssystemet konstant, vilket gör fokuseringen lättare, men effektiviteten av detta kan vara något lägre, eftersom det korrigerande elementet kan vara förskjutet redan vid exponeringstillfället, vilket minskar dess korrigeringsområde. Dessutom förbrukar systemet mer ström i kontinuerligt läge, vilket tömmer batteriet snabbare.

I panoreringsläge kompenserar stabiliseringssystemet endast för vertikala svängningar. Vid fotografering med hög förstoring eller vid långa slutartider rekommenderas användning av ett stativ.

En kameras bländare är en enhet som påverkar objektivets två parametrar samtidigt: bländarförhållandet, som bestämmer mängden ljus som passerar inuti kameran, och skärpedjupet, där den maximala oöverensstämmelsen mellan planet för den ljuskänsliga material (i en filmkamera) eller fotomatris (i en digitalkamera) och plan för den optiska bilden som återges på detta material.

Om dessa plan inte sammanfaller blir bilden suddig.

Bländaren är utformad för att begränsa strålarna av strålar i det optiska systemet och låter dig justera belysningen av fotomatrisen genom att ändra diametern (öppningen) på bländaren i linsens ingångspupill.

Ofta används irisbländare, som smidigt ändrar objektivets effektiva bländare inom de angivna gränserna. Irisbländaren består av en uppsättning tunna bågformade plattor (kronblad), en ringformad ram och en vridbar ring (krona). Det finns nålar i ändarna av kronbladen. En pinne (axiell) av varje kronblad går in i hålet i den ringformade ramen, den andra (driven) - i motsvarande radiella spår i den roterande ringen. När kronan roteras roterar alla kronbladen i ramen, vilket ändrar diametern på membranöppningen.

På fig. 7 visar schematiskt verkan av irisbländaren när dess bländare ändras från f/2 till f/22.

För att öppna ljusets väg till linsens optiska system och exponering av fotomatrisen är digitalkameror utrustade med mekaniska eller elektroniska slutare. Kamerans mekaniska slutare öppnar gardinerna något för att släppa in ljus i fotomatrisen. Exponeringen av ramen beror på hur länge slutaröppningen (slutarhastighet) varar. En elektronisk slutare är inbyggd i fotomatrisen och styr dess på och av.

Enligt utformningen av det optiska systemet kan digitalkameror delas in i två typer (fig. 8): en reflexkamera och en digital kompakt. I det här fallet är typens huvudfunktion bildsiktsystemet. Under synen undersöker fotografen genom sökaren en optisk bild som han håller på att registrera som digital data.

Ris. Fig. 8. Optiskt system för en digitalkamera: a - SLR-kamera; b - digital kompakt

Det optiska systemet för en SLR-kamera (se Fig. 8 a) består av en lins 1 , AF-systemsensor 2 , AF-speglar 3 , slutare 4 , fotomatris 5 , vridbar spegel 6 , sökare okular 7 , pentaprismer 8 och fokuseringsskärm 9 .

I en reflexkamera, när fotografen zoomar, observerar fotografen genom sökaren en optisk bild som projiceras på fokuseringsskärmen. Bild på fokusskärmen 9 bildas av samma ljusstråle som projiceras på fotomatrisen 5 vid fotograferingstillfället. Detta uppnås med hjälp av en vridbar spegel. 6 , tack vare vilken den konstruktiva typen av kameror fick sitt namn. Spegeln kan fixeras i två lägen. I sikteprocessen riktar den ljusstrålen som passerar genom linsen till fokusskärmen, och vid tidpunkten för fotograferingen, spegeln 6 reser sig, luckan öppnas 4 och ljusflödet faller direkt på fotomatrisen 5 . Förutom kontroll över den framtida bilden gör en SLR-kamera det möjligt att använda olika objektiv som är strukturellt och optiskt kompatibla med denna kamera. De flesta professionella och semiprofessionella kameror är DSLR-kameror.

Med pentaprisma 8 , som har en takformad (först i ljusstrålarnas riktning) reflekterande yta, blir det möjligt att observera genom okularet 7 direkt bild. Fokuseringsskärm 9 Den är utformad inte bara för att säkerställa att en projicerad bild av motivet bildas på dess frostade glasyta, utan också för exakt fokusering i manuellt (inte automatiskt) läge. Överensstämmelse mellan gränserna för bilden som observeras genom sökaren med det som projiceras på matrisen (sökarens synfält) är en viktig egenskap hos en SLR-kameras kvalitet. För bra kameror är det 90-100%. Mindre siffror tvingar fotografen att göra en mental justering, med tanke på att den faktiska bilden blir något större än vad han ser i sökaren.

I en digital kompakt (se fig. 8 b) ljusflödet riktas alltid till den ljuskänsliga matrisen 5 , bilddata från vilka, efter lämpliga transformationer i den elektroniska enheten 6 videosignalbearbetning matas till flytande kristallskärmen på en liten bildskärm 7 . Slutaren utlöses när du tar en bild. 4 , som stängs, öppnas under exponeringens varaktighet, och efter att ha tagit emot bilddata, stängs och öppnas igen för att se nästa bildruta. Ett sådant siktsystem har följande nackdelar: LCD-skärmen har en begränsad upplösning och begränsat färgomfång, så det är svårt att bedöma skärpan från en bild på en liten skärm. Fördelen med detta system är att ljusstyrkan i bilden på den elektroniska skärmen alltid kan räcka till för bekväm visning, medan i SLR-kameror beror ljusstyrkan på bilden i sökaren på ljusförhållandena för objektet eller blixten. Upplösning av inbyggda skärmar i modern digital kameror ax är vanligtvis 230 000 pixlar, men kan vara så hög som 920 000 pixlar på en skärmstorlek på 2-3 tum.

Digitalkameror är utrustade med ett automatiskt linsfokuseringssystem – den så kallade autofokusen. Autofokus är byggd på basis av optoelektroniska enheter som utvärderar skärpan i den optiska bilden som skapas av linsen. Resultaten av denna bedömning bearbetas av processorn och omvandlas till en styrsignal inbyggd i linsen genom elektriska miniatyrdrivenheter för rörliga linskomponenter. Autofokus justerar kameran för att fånga ett specifikt motiv snabbare än manuellt med sökaren.

Två funktionslägen för autofokussystemet används: kontrastdetektor och fasdetektor. Den digitala kompakten fokuserar på kontrasten i den optiska bilden, fokuserad av linsen som helhet i fotodetektorns plan 2 (se fig. 8 b), är en kontrastdetektormetod.

Funktionsprincipen för autofokussystemet för kontrastdetektering är baserad på det faktum att ljusstyrkan - skillnaden i ljusstyrka mellan de ljusaste och mörkaste områdena - är större i en fokuserad bild än i en suddig.

I digitala kompakter, bildsignalen tagen från fotomatrisen 5 (se fig. 8 b) används för att styra autofokussystemet. Kontrollsystemet flyttar gradvis de rörliga linserna på linsen och fokuserar linsen. När objektivet fokuseras blir bilden mer kontrasterande.

SLR-kameror använder en fasdetekteringsmetod, där autofokus fungerar med flera skarpa bilder som bildas av olika delar av objektivet.

Funktionsprincipen för fasdetektor-autofokusmetoden är baserad på det faktum att i det fokuserade tillståndet bildar olika områden av linsen identiska optiska bilder i fokalplanet, som, när de kombineras med varandra, bildar en skarp bild av objekt. Om objektet inte är fokuserat, bildas flera bilder av objektet som är förskjutna i förhållande till varandra i fotodetektorplanet.

Med bra fokusering fokuseras alla strålar som emanerar från en punkt på objektet till en punkt på fotodetektorn. Som ett resultat fångar sensorn en skarp och kontrasterande bild av motivet, som fotograferas.

De flesta digitalkameror har en inbyggd blixt. En sådan enhet kan belysa utrymmet på ett avstånd av högst 3 m från fotografen. Behovet av det uppstår när det inte finns tillräckligt med naturlig eller artificiell belysning. Blixten används för seriefotografering. Om solen skiner eller det går att lysa upp föremålet med lampor behövs det inte. Om avståndet till motivet är mer än 3 m måste du använda en separat, kraftfullare blixt; för den, på många enheter, tillhandahålls speciella monteringsslider och en synkroniseringskontakt. Ett motiv längre än 10 m kan inte belysas av någon blixt.

Elementen i CCD- och CMOS-matriser är ungefär lika känsliga för alla färger i det synliga ljusspektrumet. Därför, för att få en färgbild i digitalkameror, används huvudsakligen tre färgseparationstekniker, som var och en har sina egna fördelar och nackdelar. Den första tekniken använder speciella färgseparerande prismor med dikroiska ljusfilter och tre fotomatriser (3 CCD), som var och en skapar en digital färgseparerad bild av en av primärfärgerna: röd, grön, blå (RGB-färgmodell). Den andra tekniken använder Bayers färgseparerande filter och en fotomatris, och den tredje använder speciella "trelagers" fotomatriser, som var och en gör att du kan få alla tre färgseparerade bilder på en gång.

Fördelarna med att använda färgseparerande prismor är:

• bättre överföring av färgövergångar, fullständig frånvaro av färgmoiré;
• brist på algoritmer för att återställa förlorad information, som är obligatoriska för system med en matris med en rad färgfilter;
• högre upplösning, eftersom var och en av de tre matriserna används fullt ut för att skapa en digital färgseparationsbild;
• möjligheten till färgkorrigering genom att ställa in ytterligare filter framför individuella matriser, vilket gör att du kan uppnå en mycket högre färgåtergivning med icke-standardiserade ljuskällor;
• möjligheten att fördubbla den effektiva upplösningen längs en av koordinaterna genom att förskjuta de tre matriserna i förhållande till varandra med 1/3 pixel och interpolera de tre bilderna med hänsyn till denna förskjutning.

Nackdelarna med denna teknik är:

• fundamentalt stora dimensioner av en digitalkamera på grund av närvaron av tre fotomatriser och användningen av linser med stora arbetsavstånd;
• ett färgkonvergensproblem som kräver exakt justering. Ju större storleken på matriserna och ju högre deras fysiska upplösning, desto svårare är det att uppnå den erforderliga noggrannhetsklassen.

I teknik med användning av färgseparerande ljusfilter installeras ett ljusfilter på varje ljuskänsligt element i fotomatrisen, som överför ljus med ett visst emissionsspektrum. Ofta, i sådana fotomatriser, täcks färgfiltret ovanifrån av en mikrolins (fig. 9), som tjänar till att ytterligare fokusera ljuset, vilket ökar matrisens ljuskänslighet.

Den mest populära uppsättningen av färgfilter på en fotomatris är Bayer RGBG-filtret, byggt på Bryce Bayers färgmodell i början av 70-talet av förra seklet av Kodak. Filter byggda enligt Bayer-principen (fig. 10) ser ut som en mosaik med övervägande grönt.

Särskilt viktigt här är närvaron av en dominerande färg (inte nödvändigtvis grön), som tjänar till att säkerställa att samplingshastigheten för luminanskanalen är högre än frekvensen för de återstående två färgkanalerna. En liknande princip implementeras i tv. Grönt valdes som luminanskanal endast för att det mänskliga ögats känslighetskurva för ljusstyrka har maximalt cirka 550 nm, vilket exakt motsvarar den gröna tonen. Ja, och antalet receptorer som är känsliga för grönt på näthinnan är dubbelt så stort som de som uppfattar rött eller blått.

Om vi ​​tar en elementär Bayer-ruta 2S2, på vilken det finns ett blått element, ett rött och två gröna (RGBG), så kan vi bestämma ljusstyrkan från grönt och få pixelfärgen (RGB-värde) som ett resultat av interpolation - medelvärde för flera tätt placerade celler av samma färg. På grund av det faktum att färgen på den slutliga pixeln i bilden är suddig över flera intilliggande celler, finns det förluster i färgåtergivning och upplösning. Till exempel blir skarpa konturer (färgövergångar) suddiga, små detaljer (som är jämförbara i storlek med interpolationsbredden) går förlorade och en defekt som kallas Blooming (suddig) kan uppstå på bilden. Detta blir möjligt när bilden har en stark lokal kontrast, det vill säga om ett ljust föremål ligger intill ett mörkt. När du zoomar in på den här delen av bilden kan du se att pixlarna vid deras kanter har väldigt konstiga färger. Faktum är att bildbehandlingsalgoritmer inte kan ta reda på färgen vid gränsen för kontrasterande områden, eftersom de under interpolering går till det närliggande området, vilket ger fel ljusstyrka och ton.

Med tillväxten av datorkraft hos digitalkameraprocessorer ersätts linjär interpolation gradvis av kubisk, spline och andra typer. Om bildinsamlingsalgoritmen är så komplicerad att det är svårt att implementera den i själva kameran, kan den tillämpas i mjukvaru-RAW-omvandlare. För att göra detta, efter att ha sparat fotot i RAW-format, när bilden inte bearbetas inuti kameran, skrivs data som erhålls direkt från matrisen till filen, och processen med interpolation, skärpa, brusreducering och andra operationer med bilder utförs på datorn.

PÅ senaste åren digitalkameratillverkare försöker modernisera det klassiska Bayer-filtret för att öka upplösningen och förbättra färgåtergivningen. Till exempel föreslår Sony att du använder matriser med ett fyrfärgs RGBE (Emerald - Emerald) filter. Användningen av denna teknik, i jämförelse med de klassiska trefärgade Bayer-filtren, ger en mer naturlig färgåtergivning. Fyrfärgsfiltret, som lägger till smaragd (Emerald, E) till de välbekanta RGB-färgerna, gör att du kan halvera antalet fel i färgkonvertering och föra bildkvaliteten närmare det naturliga färgomfånget som uppfattas av människans syn.

Det föreslås också (av Kodak) istället för det klassiska Bayer-filtret att som en fjärde, extra ljuskänslig sensor använda en sensor som inte är täckt med ett ljusfilter (W). Denna typ av sensor är känslig för alla områden i det synliga spektrumet, vilket minskar förlusten av ljushet i bilden. Som ett resultat har RGBW-filter tillverkade med denna teknik ett bättre signal-brusförhållande än ett RGB-filter. Närvaron av W-sensorer leder också till både en ökning av den monokromatiska känsligheten hos matrisen och en förbättring av upplösningen vid svaga ljusförhållanden, till exempel vid användning av belysningsutrustning med ett smalt emissionsspektrum eller vid fotografering i kvälls- eller nattljusförhållanden. , som orsakas av en ökning av det aktiniska strålningsflödet.

RGBW-filtret har sina nackdelar: under normala ljusförhållanden är förlusten av fina färgdetaljer oundviklig. Sensorerna har ytor på 2-2 pixlar, som endast består av W- och B-sensorer. I dessa områden är det omöjligt att markera färgen på bilden längs axlarna R och G. Om en tunn färgad linje sammanfaller med en av de valda riktningarna i matrisen kan den till och med försvinna eller bli prickig.

RGBW-filter kan skilja sig från varandra genom placeringen av fotokänsliga sensorer i cellen. Dessa alternativa system har dock inte fått bred acceptans, och idag använder de flesta digitalkameror fortfarande klassiska Bayer-filter.

Vid användning av treskiktsfotomatriser X3 (matriser från Foveon) utförs färgseparation i primära RGB-färger i halvledarmaterialets tjocklek lager för lager, med hjälp av kiselns fysikaliska egenskaper, vilket innebär att med ökande våglängd av ljusvågor, djupet av deras penetration i kisel ökar också (bild 11 a). Fotodioder, skapade av alternerande ljuspenetreringszoner, placeras under varandra på karakteristiska djup för att fånga blå, gröna och röda fotoner.

Ris. 11. "Tre-lager" fotomatris: a - funktionsprincip; b - fotomatrisstruktur

Den blå delen av spektrumet absorberas av det övre lagret (tjocklek 0,2 µm), den gröna delen absorberas av mittskiktet (tjocklek 0,4 µm), och den röda delen absorberas av det nedre lagret (mer än 2 µm). Tjockleken på varje lager valdes baserat på resultaten av experimentella studier av penetrationsdjupet av kvanta av motsvarande spektralområde i kisel. De skikt i vilka den fotoelektriska effekten uppträder separeras av ytterligare tunna zoner av lågdopat kisel och har separata signalledningar.

Således erhålls en sensor som registrerar information om bildens alla tre färgkomponenter vid en punkt, exakt motsvarande koordinaterna för den bildade pixeln.

Fördelarna med "trelagers" fotomatriser är att de inte kräver installation av färgfilter och i samband med detta en ökning av signal-brusförhållandet, eftersom filtren absorberar ca 2/3 av ljussignalen , samt potentiellt högre upplösning.

Nackdelarna med "trelagers" fotomatriser bör betraktas som låg färgnoggrannhet, eftersom den mest bestäms av egenskaperna hos kisel, samt en relativt hög nivå av digitalt brus på grund av det faktum att några av fotonerna absorberas i en "icke-eget" område.

En av de viktigaste egenskaperna hos fotomatriser är känslighet - förmågan att reagera på ett visst sätt på optisk strålning, det vill säga att generera en elektrisk laddning. Ju högre känslighet, desto mindre ljus krävs för reaktionen av fotomatriser under bildregistrering. Känslighet mäts i enheter av ISO (International Standards Organization - internationell organisation standarder). Skilja integral och monokromatisk känslighet.

Den integrerade känsligheten är förhållandet mellan fotoströmmen (i milliampere) och ljusflödet (i lumen) från en strålningskälla, vars spektrala sammansättning motsvarar en glödlampa av volfram. Denna parameter låter dig utvärdera känsligheten för sensorn som helhet.

Monokromatisk känslighet är förhållandet mellan mängden fotoström (i milliampere) och mängden ljusenergi från strålning (i millielektronvolt) som motsvarar en viss våglängd. Uppsättningen av alla värden för den monokromatiska känsligheten för den del av spektrumet som är av intresse är den spektrala känsligheten - känslighetens beroende av ljusets våglängd. Således visar den spektrala känsligheten sensorns förmåga att registrera nyanser av en viss färg.

En digitalkameras egenskaper ger vanligtvis den så kallade ekvivalenta känsligheten hos CCD-matrisen, indikerad i allmänt accepterade ISO-enheter som ett område (ISO 100-800) eller en uppsättning värden (ISO 50, 100, 200) 400). Den beräknas av varje tillverkare på sitt eget sätt, men beräkningarna baseras på ett par standardformler för att bestämma exponeringstalet (index).

Exponeringsindex EV uttrycker exponeringsvärdet på en logaritmisk skala, vilket är praktiskt eftersom du istället för att multiplicera koefficienterna helt enkelt kan lägga till motsvarande index.

Exponeringsindexet är:

EV=S+N,

var S- känslighetsindex för fotomatrisen; N- belysningsindex.

Bakom N= 0 är den belysning vid vilken det fotografiska materialet med en känslighet på 100 ISO-enheter när det exponeras med en relativ bländare på 1:1 och en slutartid på 1 s får rätt exponering.

Förhållandet mellan enheterna för känslighetsindex och ISO-känslighet visas i tabell. ett.

Exponeringsindexet kan uttryckas i termer av index MEN bländarvärde Till lins och index T utdrag t:

EV=A+T.

I tabell. 2 visar beroendet av exponeringsindexet EV för olika kombinationer av standardbländarvärden Till och utdrag t. Vilken kombination av slutartid och bländarvärde som helst, om summan av deras index, vars värden anges i den första kolumnen (slutarhastighetsindex T) och den första raden i tabellen (f-nummerindex MEN) är densamma och ger samma exponering.

Digitalkameror anpassar sig automatiskt till rätt exponering för fotografering. Samtidigt, genom att analysera indexen för belysning och känslighet, bestämmer fotoexponeringsmätaren som är inbyggd i digitalkameran ganska exakt exponeringsvärdet vid vilket objekt med genomsnittlig reflektivitet hamnar i mitten av det fotografiska latitudområdet. I de flesta fall är den automatiska inställningen av fotograferingsparametrar (f-nummer, slutartid) korrekt.

Tabell 1. Korrelation mellan känslighetsindex och ISO-enheter

I situationer där objekt med mycket hög eller låg reflektivitet fotograferas, blir det nödvändigt att manuellt mata in exponeringskompensation i automatisk exponeringskontroll. Moderna digitalkameror tillåter exponeringskompensation inom området ±2 EV steg i 1/3 EV eller ännu mer exakt.

En av parametrarna för en digitalkamera är storleken på fotomatrisen, som är summan av storleken på de ljuskänsliga elementen och avståndet mellan dem. Den större storleken på matrisen med samma upplösning gör att du kan ha mer handla om Större storlekar av ljuskänsliga celler, som från ett större område kan ackumulera en större elektrisk laddning. Detta möjliggör hög känslighet och ett brett dynamiskt omfång. Med samma antal ljuskänsliga celler tar en kamera med en större sensor bättre bilder.

Matriser för digitalkameror kännetecknas vanligtvis av ett nummer som indikerar sensorns diagonal i bråkdelar av en tum (1/2,5, 1/1,8, 2/3, etc.). Detta tal, som kallas formfaktorn, motsvarar inte matrisens verkliga diagonal, som är ungefär 2/3 av formfaktorn. Till exempel har en 1/1,8 formfaktor CCD en diagonal på 9 mm. Denna diskrepans orsakas av att termen "formfaktor", som beskriver storleken på registreringselementet, har migrerat till digital fotografering från teleteknik. Måtten på matriser även av samma formfaktor, men olika tillverkare kan variera något.

Filmkameror använde 35 mm film med en ramstorlek på 36 x 24 mm. De flesta digitalkameror använder mindre sensorer. Väldigt dyra SLR-kameror använder fullformatssensorer som är lika stora som en bildruta på 35 mm film och ännu större. Till exempel är digitalkameror med fullformatssensorer 48x36 mm i storlek och upplösningar på 28 och 33,3 megapixlar kända.

Processorn i digitalkameror styr slutaren, objektivet, blixten, bestämmer exponeringen, genererar och visar information om de valda fotograferingslägena, inställningarna, själva bilden osv.

På fig. 12 visar ett diagram över processen att digitalisera en optisk bild som bildas av en digitalkameras lins på de ljuskänsliga elementen i fotomatrisen.

De ljuskänsliga elementen i fotomatrisen fångar en monokrom bild, eller snarare ljusstyrkan för varje pixel, för tre primärfärger: röd, grön och blå.

Data som digitaliseras av ADC i processorn omvandlas till en bild baserad på de algoritmer som introducerats av tillverkaren ( programvara). Algoritmerna bestämmer koordinaterna för punkterna som tas emot från sensorn och tilldelar dem värdena för de tre primära färgerna (RGB), från vilka alla möjliga nyanser bildas från de reproducerade. Processorn tar hänsyn till det digitala värdet av signalnivåerna i de tre kanalerna för primärfärgerna hos angränsande pixlar. Denna transformationsoperation kallas demosaisk. Processorn justerar också ljusstyrkan, kontrasten, mättnaden, skärpan i bilden, tar bort brus, samtidigt som den tar hänsyn till särdragen i mänsklig syn. Vissa modeller använder flera processorer, som var och en utför separata uppgifter. Kamerans processor konverterar dataströmmen till en JPEG-, TIFF- eller RAW-bildfil. Fotometadata bifogas också till denna fil (bländarvärde, slutartid, vitbalans, exponeringskompensation, fotograferings- och blixtläge, känslighet, brännvidd, upplösning, kameramodell, kamerans mjukvaruversion, tid, datum, etc.).

Tabell 2. Exponeringstabell

Samtidigt representerar det grafiska RAW-formatet, vars namn ordagrant betyder "råvara", bilden i form av ett primärt rått digitalt original. RAW-datauppsättningen innehåller data som fångas (direkt) av bildsensorn och korrigeras enligt kamerans kalibreringsdiagram. Rambilden skrivs till RAW-filen med det bitdjup som den digitaliserades med av kamerans ADC. Många moderna modeller av digitalkameror använder 10- och 12-bitars ADC:er, och därför spelas rambilden in i RAW med ett högre bitdjup än standard 8-bitars JPEG eller TIFF. Om filen inte skrivs till RAW- eller TIFF-format, komprimeras den i enlighet med det komprimeringsförhållande som valts av användaren och kamerans algoritmer. Kamerakomprimeringsalgoritmer försöker hitta en balans mellan filstorlek, bearbetningshastighet och bildkvalitet.

Det mest ekonomiska av de nämnda formaten är JPEG. Den typiska storleken på en 4-megapixel JPEG, sparad med maximal kvalitet, sträcker sig från 1,8-2,5 MB (beroende på det specifika plottet kan spridningen vara ännu större). Volymen av bilder som sparas i TIFF-format för en 4-megapixelbild upptar nästan 12 MB och för en 8-megapixel en - 24. Volymen för en JPEG-fil (även med den lägsta komprimeringsnivån inställd) är 5-6 gånger mindre än en liknande upplösning TIFF. RAW-formatfiler innehåller obearbetade (eller minimalt bearbetade) data, vilket hjälper till att undvika informationsförlust. Sådana filer innehåller fullständig information om den digitaliserade bilden och i okomprimerad form. Därför är RAW-filer större än andra filformat. När filen har genererats i valfritt format, spelas bilden in antingen på det inbyggda minnet eller på ett löstagbart minneskort.

Diaskop

Ofta, när man håller föreläsningar eller genomför vetenskapliga seminarier, blir det nödvändigt att visa på skärmen för ett stort antal lyssnare en bild gjord på en transparent film - OH-film. För detta ändamål används en speciell enhet - diaskop. En OH-film infogas i den och en kraftigt förstorad bild av den visas på skärmen.

Frågan uppstår: hur "fungerar" ett diaskop?

Diaskopets huvudhemlighet är den konvergerande linsen. Faktum är att om ett litet föremål placeras på ett mycket litet avstånd från det främre huvudfokuset på en konvergerande lins, kommer den konvergerande linsen att ge en kraftigt förstorad bild av detta objekt (Fig. 9.1).

Bilden är verklig och inverterad. Om en ogenomskinlig skärm (helst vit) placeras på den plats där bilden togs, kommer vi att se en tydlig bild av objektet på den.

Läsare: Men vi behöver inte omvänd bild! Vi behöver en normal bild.

Detta problem är lätt att lösa. Det räcker med att sätta in OH-filmen i diaskopet "upp och ner". Då blir bilden helt normal. Och för att alltid få en tydlig bild kan OH-filmen flyttas längs linsens optiska huvudaxel och välja avståndet mellan linsen och OH-filmen så att bilden erhålls exakt på den plats där skärmen är placerad. Detta kallas att fokusera.

Nu när vi har förstått den grundläggande idén med enheten, låt oss överväga schemat för ett riktigt diaskop (Fig. 9.2).

OH-film 1 placerad framför fokalplanet för en konvergerande lins 5 som kallas linsen. Ljuskälla 2 lyser upp bilden med hjälp av ett linssystem som kallas kondensor 3 . Kondensorn behövs så att hela ytan på OH-filmen 1 lyste jämnt. Bakom ljuskällan finns en konkav spegel 4 , som returnerar ljuset som faller från källan till diaskopets bakre vägg. Bilden visas på skärmen 6 .

Transparensförstoringen är den linjära förstoringen i en konvergerande lins:

uttrycka d från (2): och ersätter i (1), får vi:

Svar:

SLUTA! Bestäm själv: A1, A2, B1, B2.

Kamera

Jag tror att det inte finns något behov av att förklara vad en kamera är. Men det skulle vara intressant att förstå hur det fungerar.

Kameran har två huvudhemligheter. Den första hemligheten är fotokänslig film. Om det på denna film under en mycket kort tid (bråkdelar av en sekund) är möjligt att få en tydlig bild av objektet som fotograferas, så finns denna bild kvar på den för alltid. Poängen här är den kemiska (mycket komplexa) verkan av ljus på fotografisk film. Naturligtvis kommer vi inte att fördjupa oss i detaljerna kring kemiska processer nu.

Ris. 9.3

Den andra hemligheten är linsen. I det enklaste fallet är objektivet på en kamera en vanlig konvergerande lins. Med dess hjälp är det möjligt att få de önskade bilderna på film. Funktionsprincipen för kameran visas i fig. 9.3.

Sak AB, som vi vill fotografera, är oftast ganska långt från objektivet, det vill säga på ett avstånd som är betydligt större än objektivets brännvidd. I det här fallet är bilden verklig, inverterad och kraftigt reducerad. Och den här bilden är placerad bakom objektivets bakre fokalplan på ett mycket litet avstånd från det. Så, om på den plats där bilden finns MEN¢ PÅ¢, placera en film, så får den en tydlig bild av motivet AB.

Ris. 9.4

Tänk nu på schemat för den enklaste kameran (Fig. 9.4). Kameran består av ett objektiv 1 och låda 2 med ogenomskinliga väggar. Denna låda kallas en kammare. Objektivet placeras i kamerans främre vägg och en ljuskänslig fotografisk platta är placerad på bakväggen. 3 . För att få en tydlig bild kan objektivet flyttas i förhållande till kamerans baksida (fokusering).

Mängden tid som krävs för att belysa en fotografisk platta (exponering) beror på plattans känslighet för ljus och på belysningsförhållandena för det fotograferade objektet. När du fotograferar en ljus solig dag är exponeringen i moderna kameror hundradelar och till och med tusendelar av en sekund. Men om du vill fotografera natthimlen med samma kamera behöver du en exponering på cirka trettio minuter.

Ris. 9.5

Moderna kameror i grundenär arrangerade på exakt samma sätt, skillnaden ligger bara i detaljerna: till exempel används fotografisk film i stället för en fotografisk platta, och dimensionerna på moderna kameror vanligtvis små (bild 9.5).

SLUTA! Bestäm själv: A3, A4, B3, B4.

Problem 9.2. När du fotograferar billängd l= 4,0 m var filmen placerad på ett avstånd från linsen f= 6,0 cm Från vilket avstånd d filmade en bil om längden på dess negativa bild l= 32 mm?

SLUTA! Bestäm själv: A5, B4.

Problem 9.3. Definiera optisk kraft en kameralins som fotograferar området från ett flygplan på 5 km höjd i skala 1: 20 000. Vilken skala kommer bilden att erhållas om denna kamera tar en bild av jordens yta från en konstgjord satellit belägen på en höjd av 250 km? (Alla värden anses vara exakta.)

Det vill säga skala och linjär ökning är samma värde. I det här fallet höjden här avståndet från objektet till linsen. Låt vara fär avståndet från linsen till bilden (från linsen till filmen), och Fär objektivets brännvidd. Sedan av linsformeln får vi

Nu tar vi hänsyn till det i problemets tillstånd h >> f därför kan termen i formel (1) försummas. Sedan f = F, dvs. Bilden erhålls i linsens fokalplan.

Linjär zoom kär känt för att vara lika med . Och eftersom den linjära ökningen i detta fall är lika med skalan får vi formeln

Låt oss tillämpa denna formel på vårt problem. I det första fallet

i det andra fallet

Om vi ​​dividerar ekvation (3) med ekvation (2), får vi

.

Svar:

SLUTA! Bestäm själv: A6, A7.

Problem 9.4. Använda en kamera med en ramstorlek på 24×36 mm 2 och en brännvidd på objektivet F= 50 mm, fotograferas en stående person, vars höjd h= 1,8 m. På vilket minimiavstånd d från en person behöver du installera en enhet för att fotografera en person i full tillväxt?

och linsformeln är

Fotografisk optik var känd långt innan fotografiets uppfinning och användes av konstnärer som ett hjälpmedel för att korrekt avbilda landskap. För första gången beskrevs den optiska designen av två konvergerande linser av Kepler 1611, men glömdes bort och återuppfanns av Barlow 1834, och 1891 användes en sådan lins av Dallmeyer för fotografiska ändamål. Det bör noteras att Kepler inte förkroppsligade sin design "i glas", men hans teoretiska forskning hade en betydande inverkan på senare utveckling.

Historiskt sett har de huvudsakliga användningsområdena för teleobjektiv varit närbildsfotografering av avlägsna motiv och porträttfotografering. I det senare fallet ger långfokusoptik minimal förvrängning av ansiktets proportioner och god separering av det från bakgrunden, som ligger utanför skärpezonen och är suddig. Dessa två trender är relevanta inom fotografi idag. Dessutom tillåter teleobjektiv många andra intressanta vyer fotografi.

Det största civila teleobjektivet hittills, designat och monterat av Carl Zeiss. Den har en brännvidd på 1700 mm, en maximal relativ bländare (öppning) på F / 4 och en vikt på 256 kg (foto 1). Detta objektiv producerades i ett enda exemplar på beställning av en fan av viltfotografering på långa avstånd, som ställer mycket höga krav på bildkvalitet.

Optiska scheman för teleobjektiv

Den enklaste linsdesignen, som är ett enda teleobjektiv, har ett antal nackdelar. De viktigaste av dem är låg bildkvalitet och mycket stora dimensioner av strukturen. Längden på ett sådant objektiv när man fokuserar till oändlighet är lika med dess brännvidd. Därför används för närvarande ett annat optiskt schema, kallat teleobjektiv. I det enklaste fallet består en telelins av en konvergerande och en divergerande lins, men för att minska aberrationerna ersätts de vanligtvis av grupper av linser av glas med olika optiska egenskaper (Fig. A). Moderna teleobjektiv använder vanligtvis ytterligare linsgrupper för att ytterligare förbättra bildkvaliteten och implementera ytterligare funktioner som bildstabilisering, medan den allmänna designidén förblir densamma.

Mellan grupper av linser finns vanligtvis ett diafragma. Denna enhet begränsar ljusstrålens tvärsnitt och används för att ändra mängden ljus som passerar genom linsen och skärpedjupet. Formen på oskärpan i oskärpazonen är en bild av bländarhålet.

När brännvidden ökar ökar längden på teleobjektiv snabbt. För att säkerställa tillräcklig ljusstyrka måste linsen vara gjord av en stor diameter. Som ett resultat ökar vikten och priset på objektivet ökar. Uppgiften att skapa kompakta linser med ultralång fokus har framgångsrikt lösts med hjälp av ett optiskt spegel-objektiv som liknar ett klassiskt teleskop (Fig. B). I ett sådant schema finns det ingen bländare (dess optiska roll spelas vanligtvis av ramen på det främre elementet), linsen har en fast bländare och en relativ bländare, och bildens oskärpa utanför skärpezonen har en karakteristisk ringform.

Mekaniska egenskaper hos teleobjektiv

Som redan nämnts är teleobjektiv vanligtvis ganska långa. För att erhålla acceptabla bländarförhållanden, som påverkar mängden ljus som passerar genom det optiska systemet, är det nödvändigt att använda linser med stor diameter. Allt detta leder till att ett högkvalitativt teleobjektiv inte kan göras lätt och kompakt. Med små storlekar av ljuskänsligt material (till exempel i kompakta digitalkameror) är denna begränsning inte signifikant, men en ökning av den erforderliga bildstorleken leder till en proportionell ökning av optikens linjära dimensioner. Ett måttligt teleobjektiv med en verklig brännvidd på 200 mm och en bländare på F / 2,8 är inte längre lätt att hålla i händerna under lång tid: i en sådan situation är det bättre att använda ett stativ eller monopod.

Dessutom orsakar den lilla synvinkeln hos ett teleobjektiv att även en mycket liten rotation av det optiska systemet resulterar i en betydande förskjutning i bilden. Om denna förskjutning inträffar under exponeringen blir bilden suddig. Den empiriska formeln, som stämmer överens med de flesta fall, säger att när man fotograferar handhållen, bör den "säkra" (i betydelsen av att göra bilden suddiga) slutarhastigheten (i sekunder) numeriskt inte vara större än den reciproka av motsvarande brännvidd (i millimeter). ). Särskilt "långa" linser tillåter inte att detta villkor uppfylls även med stark scenbelysning. För att råda bot på situationen används två principiellt olika tillvägagångssätt. En av dem är att fixera det optiska systemet i rymden så tillförlitligt som möjligt och förhindra dess förskjutning under fotografering. För detta används stativ eller monopod. Mindre vanligt förekommande är dyrare och besvärliga gyroskopiska plattformar som rör sig fritt i rymden, men exakt behåller den ursprungliga orienteringen. Den andra metoden, som kallas optisk stabilisering, består i att införa ett speciellt rörligt element i det optiska systemet som kompenserar för bildförskjutning till följd av kameraskakning. Detta element kan antingen vara en av linserna i linsen eller en plattform på vilken den ljuskänsliga matrisen hos en digitalkamera är monterad.

Väldigt stora objektiv väger mycket mer än kameran de är monterade på. Därför har de ett speciellt fäste, vanligtvis i form av en klämma med en plattform, för montering av systemet på ett stativ. Ibland ger enhetens design också ett handtag för att bära den. Den redan nämnda jätten Carl Zeiss Apo Sonnar T * 4/1700, på grund av dess vikt och storleksegenskaper, är designad för installation på en speciell plattform monterad i en bilkaross. I sådana extrema fall är det mer logiskt att prata om att montera kameran på objektivet och inte tvärtom.

Att fokusera snabba långfokuserade linser är förknippat med rörelsen hos massiva linser. Detta minskar avsevärt hastigheten och noggrannheten för autofokus och ökar strömförbrukningen. Ett av de viktigaste områdena inom modern forskning är förbättringen av dessa parametrar. Delvis av samma anledning ökar det minsta fokuseringsavståndet snabbt med ökande brännvidd. Genom att införa denna begränsning är det möjligt att förkorta komponenternas förlopp i fokuseringsprocessen och därför minska fokuseringstiden. Vissa objektiv har en omkopplare som låter dig välja en rad fokuseringsavstånd: hel - för närbilder eller reducerad - för att påskynda processen.

För att minska längden och vikten på linser använder de dyrt optiskt glas med extremt hög ränta refraktion. Vissa moderna utvecklingar använder diffraktiv optik för samma ändamål.

Objektivets brännvidd ökar

Det händer att objektivets brännvidd är för liten för en specifik fotografisk uppgift. I vissa fall är det inte möjligt att ändra objektivet till en längre brännvidd (till exempel vid användning kompaktkamera med icke utbytbar optik) eller oönskad (vanligtvis är superteleobjektiv mycket dyra). Optiska enheter som kallas telekonverterare kommer till undsättning. De kan delas in i två stora klasser: placerade mellan objektivet och kameran i form av förlängningsringar och monterade framför objektivets främre lins.

För att öka det optiska systemets brännvidd med sådana metoder måste man betala med en minskning av bländarförhållandet. 1,4x telekonverter minskar bländaren med ett stopp, 2x med två. Det vill säga när man till exempel använder ett objektiv med en bländare på F / 2,8 och en 2x telekonverter erhålls ett system med en bländare på F / 5,6. Inte för mycket, men helt acceptabelt. Bildkvaliteten blir vanligtvis lite lidande när man använder telekonverterare från samma tillverkare som objektivet, men billigare tredjepartsprodukter bör köpas med viss försiktighet.

Bildfunktioner

Att fotografera ett objekt är geometriskt dess bild på ett plan i den centrala projektionen. Detta påstående är sant när du använder objektiv med korrigerad distorsion. All befintlig långfokusoptik har denna egenskap, så vi kommer inte att överväga andra fall.

Storleken på ett objekt vars bild upptar hela området av ramen beror på storleken på ramen, objektivets brännvidd och avståndet från kameran till objektet. Genom att minska ramens yta kan du uppnå uppskalning när du skriver ut en bild samtidigt som du behåller samma pappersstorlek. Därför kan ett objektivs brännvidd inte i sig vara ett mått på dess vidvinkel. Till exempel skulle ett objektiv med en brännvidd på 50 mm vara normalt för film av typen 135 med en ramstorlek på 24x36 mm, bred för ett mellanformat 60x45 mm och supertele för en digitalkamera med en sensorstorlek på 8x6 mm. För att förenkla beräkningar introducerades begreppet ekvivalent brännvidd, vilket definieras som den verkliga brännvidden för ett objektiv som har samma synvinkel vid en bilddiagonal på 43 mm, vilket motsvarar den mest använda typen 135-film.

Linser med en ekvivalent brännvidd på cirka 40-50 mm kallas normala, eftersom de ger en bild som liknar det som är synligt för blotta ögat (i båda fallen kommer objektens rumsliga relationer att vara visuellt desamma). En lins med kortare brännvidd kallas en vidvinkellins. I den här artikeln tittar vi på linser med en ekvivalent brännvidd som är betydligt längre än normalt.

Som teleoptik kan du använda universalobjektiv med variabel brännvidd, som ofta installeras i kompaktkameror med fasta objektiv. Bildgeometrin är oberoende av objektivets design och bestäms endast av dess ekvivalenta brännvidd.

Hur konstigt det än kan låta så beror inte de rumsliga förhållandena mellan delar av bilden av ett objekt på brännvidden på objektivet som bilden togs med. De bestäms endast av avståndet från kameran till motivet. Detta påstående är lätt att bevisa med hjälp av elementär information från geometri; vi föreslår att lösa detta problem för nyfikna läsare på egen hand.

Observera att den "geometriska" ekvivalensen för digital och optisk zoom följer av invariansen av rumsliga relationer. Men i praktiken leder användningen av digital zoom till en minskning av bildens maximala upplösning. Detta beror på att den digitala zoomen "klipper ut" ett mindre fragment från ramen, vilket innebär att den bara använder en del av de ljuskänsliga elementen i matrisen. Exakt samma effekt kan uppnås genom att beskära en bild tagen utan digital zoom i kameran.

Låt oss prata om teleobjektiv

Varning - den här artikeln är baserad på personlig erfarenhet. Fokus ligger på Canons tekniker som jag har arbetat med under min fotograferingserfarenhet.

Vad är ett teleobjektiv för något?

Förmodligen vill åtminstone hälften av ägarna till DSLR-kameror med ett vanligt zoomobjektiv köpa ett teleobjektiv. På frågan "varför behöver du ett teleobjektiv?"

oftast måste man höra svaret, som är svårt att argumentera med - "att föra allt närmare!" :) Som regel används verkligen ett teleobjektiv för att fotografera objekt som inte går att närma sig - från banala näckrosor och hus "på andra sidan", slutar med professionell fotografering, sportfotografering, flygplansfotografering och så vidare. Även teleobjektiv, på grund av sin förmåga att kraftigt suddiga bakgrunden, används ofta för porträtt. Vissa telekameror låter dig fotografera bra makro. Utbudet av uppgifter som ett teleobjektiv låter dig lösa är med andra ord ganska brett.

Den här artikeln tar upp huvudpunkterna under val, köp och användning av ett teleobjektiv.

Vilket teleobjektiv att välja

Varje tillverkare av fotografisk utrustning har som regel ett stort antal teleobjektiv. Om vi ​​betraktar Canon, kommer åtminstone ett dussin modeller att tänka på (fixar har inte tagits med i beräkningen ännu)!

• Canon EF-S 55-250mm f/4-5.6IS
• Canon EF 70-200mm f/2.8 USM L
• Canon EF 70-200mm f/2.8 USM L IS
• Canon EF 70-200mm f/4 USM L IS
• Canon EF 70-200mm f/4 USM L
• Canon EF 70-300mm f/4-5,6 USM IS
• Canon EF 70-300mm f/4-5,6 USM L IS
• Canon EF 100-300mm f/5.6L
• Canon EF 100-400mm f/4.5-5.6 USM L IS

Andra tillverkare befinner sig i en liknande situation. All denna mångfald kompletteras stor kvantitet telefotomodeller från Sigma, Tamron. Kostnaden för teleobjektiv kan variera från några hundra till flera tusen dollar! Hur förstår man all denna mångfald och väljer ett teleobjektiv med det bästa förhållandet mellan pris, funktionalitet och bildkvalitet?

Först och främst, låt oss göra lite freestyle klassificering av teleobjektiv.

Efter brännvidd

Som all optik är teleobjektiv indelade i zoomar och fixar. Zoomobjektivet har förmågan att ändra brännvidden inom vissa gränser och på så sätt ändra skalan för att fotografera ett objekt från medium till mycket stort (vidvinklar ger en liten skala, de diskuterades tidigare).

Teleobjektiv med fast brännvidd har inte en sådan möjlighet att beskära med dem kommer att behöva köras. Dessutom, med tanke på deras mycket lilla betraktningsvinkel, måste du springa mycket långa sträckor och ibland till och med klättra uppför bergssluttningar, trappor, stegar, träd - beroende på vad vi ska fotografera. Användningen av långfokusfixar är främst jägares, astrofotografers, sportfotojournalisters lott. Som regel används speciella områden för fotografering, bås vars placering "justeras" så att scenen syns tydligt och avståndet till fotograferingsobjekten är optimalt för att använda en given brännvidd.

I vardagsbruk är zoomobjektiv mycket mer praktiska. I de flesta fall har de sämst bländarförhållande och bildskärpa, även om det också finns väldigt skarpa och vackert ritande zoomar – i det här fallet vi pratar om professionella "måttliga" teleobjektiv 70-200mm.

För att tydligare ge ett koncept av hur "graden av approximation" är relaterad till brännvidden, kommer en linssimulator att hjälpa:

Se hur objektivets synfält ändras med brännvidden och när det används på en fullbildssensor (FX) och beskärning 1,5 (DX).

Genom ljusstyrka

Bländaren kännetecknar linsens maximala ljusgenomsläpplighet. Ju snabbare objektivet är, desto mer ljus kommer in till matrisen (med helt öppen bländare) och desto kortare slutartid krävs. Ett annat välkänt mönster är att ju större bländarförhållande, desto bredare kan skärpedjupet ändras. Detta gäller för porträttfotografering, där objektiv som ger stark och vacker bakgrundsoskärpa värderas högt.

Teleoptik med hög bländare gör att du kan förverkliga ett stort antal kreativa idéer. Som regel är dessa mycket dyra objektiv av professionell kvalitet. En av prestigedelarna för varje tillverkare är "måttliga" teleobjektiv med ett brännviddsområde på 70-200 mm och en konstant bländare på f/2,8. Dessa är professionella zoomobjektiv, "slipade" för porträttfotografering. De ger som regel utmärkt bildkvalitet - när det gäller skärpa är detaljerna enorma, medan bakgrunden är suddig mycket starkt och vackert. Kontrast, färgåtergivning, ljusmotstånd är också på en mycket hög nivå. 70-200 mm f/2.8-objektiven är enormt populära bland bröllopsfotografer, vilket gör att de kan ta itu med både reportage och fotografering samtidigt. porträttfotografering. Objektiv 70-200 mm har också "lätta" versioner - med en konstant bländare på 4. De är betydligt billigare och mer kompakta än sina "storebröder", men de har färre möjligheter, även om den här optiken faktiskt är väldigt bra .

Bländaren på de flesta amatörteleobjektiv är mycket låg - vid den korta änden av f / 4, i den långa änden - f / 5,6 och ännu mindre. Detta medför vissa begränsningar för användningen av sådana linser i konstnärliga porträttbilder (som oftast utförs i intervallet upp till 135-150 mm) och fotografering av snabbrörliga föremål - på grund av den lilla mängd ljus som faller på matrisen för fotografering med en kort slutartid måste du kraftigt öka ISO-känsligheten.

Om du tittar noga, bland professionella teleobjektiv finns det ibland inte särskilt snabba! Här är ett exempel:

• Canon EF 70-300mm f/4-5.6 USM IS (kostar cirka 20 000 rubel)
• Canon EF 70-300mm f/4-5.6 USM L IS (kostar cirka 45 000 rubel)

Det verkar som att skillnaderna bara finns i en bokstav, men "Elka" kostar mer än 2 gånger mer. Vad är haken?

Faktum är att dessa linser är ganska lika varandra till utseendet (den vanliga 70-300 är svart, Elka är vit och något större i diameter). Skillnaden ligger i fyllningen. Linser har en annan optisk design och de använder linser av olika klasser. Som ett resultat har en billig "enkel" 70-300 acceptabel kvalitet bilder är bara 2/3 av deras räckvidd (någonstans upp till 200 mm), då är det en märkbar minskning av skärpan, kromatiska aberrationer uppstår. "Elka" ger en ljusare, rikare och skarpare bild över hela brännviddsområdet.

Genom närvaron / frånvaron av stabilisering

Du vet säkert att Image Stabilizer hjälper till att kompensera för kamerarörelser orsakade av handskakning (skakning), vilket gör att du kan fotografera med längre slutartider och ändå få skarpa bilder. Nu är stabilisatorer installerade i nästan alla objektiv, men stabilisering är mest relevant i långfokusoptik, det vill säga i teleobjektiv.

Det finns en sådan regel - för att få garanterat tydliga bilder måste du fotografera med en slutartid som inte är längre än 1 dividerat med brännvidden (i filmekvivalent). Det vill säga om vi har en brännvidd på 50 mm så blir den "säkra" slutartiden 1/50 sekund (eller kortare). Om teleobjektivet har en brännvidd på 300 mm kommer den "säkra" slutartiden att vara 1/300 sekund på en helbild och cirka 1/460 sekund på en "beskärad" kamera (i termer av en 1,6 beskärning, 300 mm förvandlas till 460 mm).

Av detta följer att ett handhållet 300 mm teleobjektiv bara kan fotograferas på en ljus solig dag! Om slutartiden visar sig vara längre än säker finns det utvägar - öppna en större bländare (ofta ofta detaljer samtidigt), öka ISO (detta ökar brusnivån) eller använd ett stativ (detta minskar fotografens rörlighet).

Och här kommer stabilisering till räddningen - den medföljande stabilisatorn kan öka den säkra slutartiden med 2-3 gånger. Det vill säga, istället för 1/300 sekund kommer den "säkra" slutarhastigheten för 300 mm att vara 1/100 sekund (1/160 sek på beskärning). Håller med, stabilisatorn ger en allvarlig fördel och låter dig i de flesta fall vägra att använda ett stativ och fotografera med låg ISO-känslighet, inte bara i soligt, utan också i molnigt väder, ibland till och med på kvällen.

Således kan man dra slutsatsen att bildstabiliseringsfunktionen är extremt användbar för ett teleobjektiv. Men i rättvisans namn bör det noteras att stabilisatorn endast är användbar när du fotograferar stationära föremål (till exempel ett landskap). Om du ska fotografera rörliga motiv, till exempel idrottare, hjälper inte stabilisering dig - för att "frysa" rörelsen måste du minska slutartiden genom att öppna bländaren och/eller öka ISO-känsligheten.

Vad du behöver veta när du köper ett billigt teleobjektiv?

De största nackdelarna med de flesta budgetteleobjektiv är låg bländare, en märkbar minskning av bildkvaliteten med ökande brännvidd, kromatisk aberration och vinjettering vid öppen bländare. Vissa särskilt billiga modeller har inte bildstabilisering - sådana linser ingår i specialerbjudanden från butiker och "säljs" tillsammans med budget DSLRs som en bonus (naturligtvis inte gratis). Därmed blir butiker av med inaktuella illikvida varor. Innan du "pickar" på ett sådant erbjudande, fundera på vad du ska fotografera med det här objektivet?

Porträtt

Ja, jämfört med en vallins kommer detta objektiv att göra bakgrunden suddigare. Nedan är ett porträtt taget med ett Canon EF 75-300mm f4-5.6 IS USM teleobjektiv (75mm brännvidd, f/4, Canon EOS 300D)

Som du kan se är det oskärpa, men inte särskilt starkt. För att förbättra den måste du öka brännvidden till cirka 200 mm. Följande exempel är ett kroppsporträtt kanon lins EF 100-400 mm f4-5.6L IS USM (brännvidd 210 mm, f/5.6, Canon EOS 5D)

Redan bättre, men jag var tvungen att skjuta från ett mycket långt avstånd (cirka 10 meter), vilket inte alltid är bekvämt.

Men om du försöker fotografera porträtt med ett snabbt fast objektiv, även om det är billigt och inte så långfokuserat, till exempel 50mm f/1.8, kommer du förmodligen helt att tappa lusten att fortsätta fotografera porträtt med ett budgetteleobjektiv och omedelbart det kommer att finnas en önskan att spara ihop till ett bra "porträttobjektiv", till exempel 50mm f/1.4 (bättre för beskärning) eller 85mm f/1.4 (bättre för helbild). De kostar ungefär lika mycket som ett budgetteleobjektiv, ibland till och med billigare.

Den sista bilden togs på en Canon EOS 5D med ett Samyang 85 mm f/1.4 objektiv vidöppet. Du kan se hur mycket suddighet som kan uppnås när du använder en snabb "porträtt"-fix. Dessutom översteg skottavståndet i detta fall inte 3 meter.

Landskap

Även om landskapsfotografering inte är huvudfunktionen hos ett teleobjektiv, kan det ibland framgångsrikt användas för att fånga några intressanta delar av landskapet. Du kan av dessa två bilder bedöma vilken kvalitet ett billigt teleobjektiv ger när du fotograferar ett landskap:

Brännvidd 300 mm

Bilderna togs med ett 6-megapixel Canon EOS 300D och ett Canon EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM-objektiv redan 2005. Vi ser att vid 220 mm kan kvaliteten kallas uthärdlig med stor sträckning, men vid 300 mm finns helt enkelt ingen skärpa! Jag såg dock nyligen ett "dubbelkit" i butiken - en 18-megapixel Canon EOS 600D med ett 18-55 mm kit-objektiv och ett Canon 75-300 mm-objektiv (du har redan sett bilder från det), och version nr. stabilisator! Är det värt att kasta ut små, men fortfarande pengar för sådan optik?

Någon kommer med rätta att hävda att de nya teleobjektiven har förbättrat bildens skärpa. Ja, men glöm inte att samtidigt har upplösningen av matriserna ökat många gånger om, så även om situationen som helhet har förbättrats kommer den inte att vara radikal - 100% av de beskurna bilderna kommer att vara ca. det samma. Budgetteleobjektiv i den långa änden kan inte ge en riktigt högkvalitativ bild.

Fotojakt

På grund av den låga upplösningen i långa änden kommer fotografier av djur och fåglar endast att lämpa sig för utskrift i småformat eller publicering på Internet. På grund av den låga bländaren kommer du att behöva öka ISO:n avsevärt för att fotografera djur och fåglar i rörelse - detta kommer att orsaka ökat brus i bilderna. Det kommer snabbt att bli uppenbart att 250-300 mm är för litet för att skjuta djur i deras naturliga livsmiljö, max som du kan skjuta mer eller mindre närbild är djur som är vana vid människor (katter, hundar, duvor, etc.). Vilda djur med en sådan lins kan bara fotograferas i en djurpark (genom barer och glasväggar i pennor).

Resefotografering

För dessa ändamål är "resezoom" mycket bekvämare - ett objektiv som har en rad brännvidder från vidvinkel till måttlig tele. De mest populära resezoomarna för beskärning är Canon 18-135 mm, Nikon 18-105 mm. Om du har två objektiv - en standardzoom och ett teleobjektiv, kommer du oundvikligen att möta två svårigheter - måtten och vikten på satsen (två linser är större och tyngre än ett), samt behovet av att byta dessa linser (riskerar något att tappa eller plocka upp damm på matrisen). Av egen erfarenhet kan jag säga att det under utflykter är ganska sällan man tar bilder i lugn och ro – även om guiden ger dig ledig tid är det många som vill fota och du måste agera snabbt. I detta avseende är det att föredra att ha en universallins än två för olika ändamål. Bildkvaliteten på resezoomar är ganska bra, de överträffar ofta både en vallins och en budgettele.

Om du anstränger dig kan du fortfarande hitta en massa anledningar till att avråda dig från att köpa en billig TV. Men om lusten att köpa ännu inte har försvunnit, kommer jag att ge några rekommendationer - hur man inte gör ett misstag med ett köp och hur man kan njuta av att fotografera?

1. Huvudrekommendationen är att om linsen inte är snabb är det mycket önskvärt att ha en stabilisator. Bildstabilisering kommer avsevärt att minska andelen defekta bilder på grund av skakning, och kommer också att göra det möjligt att täcka bländaren till 8-11 - det är vid dessa värden som den bästa skärpan uppnås.

2. Bråka inte med "superzoomar" - 18-200mm, 28-300mm, 18-270mm osv. De har en värdelös bländare i den långa änden, bildskärheten hos sådana linser kan vara en storleksordning lägre än till och med en vals 18-55 mm.

3. Var noga med att kontrollera objektivet för fram-/bakfokus.

Vilket objektiv ska man köpa - "beskärt" eller "helformat"?

Om du har en "beskuren" enhet och du inte planerar att byta till en fullbildsbild inom överskådlig framtid, ser jag personligen inte så mycket mening med att köpa ett "fullformat" 70-300 mm objektiv - det kostar en och en halva gånger dyrare, åtminstone, och kvaliteten är jämförbar med "beskärda" objektiv i 55-250 mm-familjen.

Jag påminner dig om att budget-tv-apparater bara har 2/3 av det "fungerande" räckvidden, då är det en märkbar minskning av klarheten. Samtidigt försvinner generellt skillnaden i "effektiva" brännvidder mellan 55-250 och 70-300.

55-250-linsen saknar inte mekaniska konstruktionsbrister - den har inte dammskydd, med en teleskopisk design kommer detta oundvikligen att få damm att tränga in och lägga sig på linserna. Men för ett sådant pris - det här är ett mycket bra köp, särskilt om det ingår i det så kallade "dubbel kitet" - då är priset i allmänhet löjligt.

Det finns också ett mycket intressant alternativ - Canon EF 70-200mm f/4L USM. Dess kostnad är cirka 40 tusen rubel (begagnad kan hittas billigare). Trots att denna billigaste version av objektivet inte har någon stabilisator är dess bildkvalitet märkbart bättre än de ovan nämnda teleobjektiven. För vissa kommer detta att vara ett starkt argument - när du använder ett stativ kommer detta objektiv att tillåta resultat som helt enkelt är ouppnåeliga för budgetoptik.

Objektivet har en exceptionellt robust design med intern fokusering och intern zoom för att förhindra att fukt och damm kommer in i objektivet. Nackdelar - ganska stora dimensioner och avsevärd vikt. Det finns en version av objektivet med stabilisator, men det kostar 1,5 gånger basversionen.

Tredjeparts budgetteleobjektiv – är det värt att engagera sig?

De mest populära tredjepartstillverkarna är Sigma och Tamron. I regel är deras linser billigare än de ursprungliga, men ofta är de inte sämre i sina egenskaper och ger jämförbara eller t.o.m. den bästa kvaliteten Bilder. Men det finns också fallgropar. Den viktigaste är en större sannolikhet att stöta på en kopia av låg kvalitet. Om du är benägen att köpa en Sigma, Tamron tele, rekommenderar jag att inte ta det första objektivet som stöter på, utan att testa flera exemplar och välja det bästa.

Hur väljer man det bästa?

Det finns två sätt - att ta foton med alla testlinser och sedan titta på en stor skärm (till exempel på en bärbar dator som du tagit med dig till butiken) välj den med bäst bildkvalitet. Alternativet är pålitligt, men inte alltid acceptabelt - det är inte alltid möjligt att använda en bärbar dator.

Det andra sättet - sätt kameran på ett stativ, fixa dess inställningar och placera alla linser från testsetet i ordning på den, fotografera samma sak och titta på filstorlek! Ju större den är, desto bättre detalj är bilden. Denna metod låter dig snabbt välja den skarpaste instansen. Men, jag upprepar, för alla linser måste du skapa absolut lika förhållanden. De mest lämpliga för fotografering är färgglada föremål som helt faller in i skärpedjupszonen, till exempel en sida med text, ett skyltfönster, en affisch på väggen.

Hur man testar en lins vid köp, läs i mina uppsatser.