Тема 5.6. Оптическая система цифровой фотокамеры
Особое значение на качество съемки цифровой камерой оказывает оптическая система (объектив), проецирующая изображение на светочувствительную матрицу.
Объектив современной цифровой фотокамеры – устройство сложное, состоящее из множества линз разной формы, перемещающихся друг относительно друга при изменении фокусного расстояния и фокусировке. Рассмотрим объектив (рис. 5.6.11), состоящий всего из одной двояковыпуклой линзы.
Рисунок 5.6.1.
Линия, проходящая через центры обеих поверхностей линзы, является оптической осью объектива. Строго перпендикулярно ей внутри цифровой камеры расположена матрица со светочувствительными элементами.
Лучи света от бесконечно далеко расположенного источника попадают на линзу объектива параллельно оптической оси и потом сходятся в одной точке, называемой фокальной. С ней и совмещена плоскость матрицы (фокальная плоскость). Отрезок от середины линзы (главной точки объектива) до этой плоскости называется фокусным расстоянием. Более сложный объектив, собранный из нескольких линз, имеет две главные точки – переднюю и заднюю. В этом случае фокусное расстояние отсчитывается вдоль оптической оси от матрицы до задней главной точки. В объективе с несколькими линзами можно плавно менять фокусное расстояние путем перемещения линз вдоль оптической оси.
На практике при съемке объект находится на конечном удалении от объектива, поэтому дистанцией съемки называется отрезок от фокальной плоскости до объекта. Лучи из точки, расположенной на некотором сравнительно небольшом расстоянии от объектива, идут не параллельно его оптической оси, но все равно сходятся по другую сторону линзы в одной точке и дальше снова расходятся конусом. Процесс фокусировки объектива или наводки на резкость как раз и состоит в том, чтобы совместить точку схождения лучей с плоскостью светочувствительной матрицы. Для этого часть линз объектива (подвижная группа) немного сдвигается вдоль оптической оси.
Даже самые совершенные профессиональные объективы не способны собрать лучи в бесконечно малую точку правильной формы. К тому же обеспечить схождение точно на плоскости не удается – поле формируемого изображения имеет кривизну, и если в центре кадра фокальные точки совпадают с поверхностью матрицы, то по краям они находятся ближе к объективу. Поэтому снимаемая идеальная точка формируется на поверхности матрицы в виде небольшого овала (круг нерезкости). Если его размер приемлемо мал, получается визуально четкое изображение. Диапазон дистанций съемки, точки внутри которого при проецировании на матрицу через объектив не превышают диаметр допустимого круга нерезкости, называется глубиной резкости (расстояние между дальней и ближней границами этого диапазона).
Диаметр допустимого круга нерезкости принято считать равным 0.033 мм – этого достаточно для снимков формата 10×15 см. Если необходимо распечатывать изображения большего размера, следует при расчете ориентироваться на диаметр круга нерезкости порядка 0.020–0.025 мм.
Объектив можно настроить так, чтобы дальняя точка глубины резкости ушла в бесконечность. Полученное расстояние фокусировки называется гиперфокальным расстоянием и рассчитывается по формуле:
H = f2/F*d,
где Н – гиперфокальное расстояние; f – фокусное расстояние объектива; F – диафрагменное число (один из параметров экспозиции) и d – диаметр допустимого круга нерезкости. Величина f всегда известна: она либо постоянна, либо изменяется в некоторых пределах. Число F зависит от выбранного режима экспозиции. Ближняя (h) и дальняя (h') точки глубины резкости определяют по формулам:
h = H*D/(H+D) и h’ = H*D/(H-D),
где D – дистанция съемки или расстояние фокусировки объектива.
Знание гиперфокального расстояния на практике позволяет заранее сфокусировать объектив камеры на эту дистанцию. В этом случае на изображении резкими получатся все предметы, расположенные дальше половины гиперфокального расстояния и до бесконечности. По такому принципу регулируются на производстве дешевые объективы с фиксированной фокусировкой. Фокусировку на величину гиперфокального расстояния полезно применять при пейзажной съемке. В этом случае резко изображаемое пространство начнется с гораздо меньшей дистанции, чем при фокусировке "на бесконечность", как обычно поступает автоматика фотокамеры. Пригодится знание глубины резкости и при портретной съемке, когда важно получить размытый фон.
Очевидно, что управлять глубиной резкости можно путем подбора диафрагмы и фокусного расстояния. При полностью открытой диафрагме (минимальное диафрагменное число F) имеет место наименьшая глубина резкости, при закрытой (максимальная величина F) – наибольшая.