Фотоаппарат физика: Оптические приборы — урок. Физика, 9 класс.
удивительные факты о фотоаппарате из мусора
Если раз в год и палка стреляет, то и пустая коробка может превратиться в фотоаппарат. И это вовсе не метафора. Причем, не важен размер: подойдет все от пустого спичечного коробка до коробки из под холодильника. Перед вами очередное доказательство того, насколько физика может быть простой, изящной и выразительной. «TechInsider» отобрала самое интересное о необычном аппарате, созданном из мусора и науки.
Стеноп сегодня все чаще называют пинхолом, но есть и другое название — лох-камера. Нет, это не то, о чем вы подумали, в переводе с немецкого Loch означает «отверстие». В его основе принцип камеры-обскуры. Все чертовски просто: это светонепроницаемый ящик с небольшим отверстием в одной из стенок и экраном (матовым стеклом, тонкой белой бумагой или фотопленкой) на противоположной стене. Лучи света, отраженные от объектов, проходя сквозь отверстие, создают перевернутое изображение на экране. Обскурой может быть что угодно — от спичечного коробка до целого здания.
С латинского camera obscura так и переводится — «темная комната».
При своей простоте стеноп имеет ряд нюансов. Прежде всего, само отверстие — для карманных устройств оно может варьироваться в пределах от 0,2 до 1 миллиметра. Все дело в том, что если отверстие будет меньше, то эффект дифракции (переотражение световых лучей от стенок отверстия) приведет к потере резкости изображения. Слишком большое отверстие пересветит фотоэлемент. Оптимальный диаметр отверстия вычисляется по формуле Джона Уильяма Стретта, больше известного как лорд Рэйли:
D = K * √F * λ
Где D — диаметр отверстия, K — коэффициент = 1,9, F — расстояние от фотоматериала до отверстия, λ — длина волны света (0,00055).
Как такового фокусного расстояния у стенопа нет: как не приближай (отдаляй) фотоматериал, на нем все равно будет формироваться резкое изображение. Меняется только угол зрения: чем ближе отверстие к светочувствительному элементу, тем шире угол.
Причем, если диаметр отверстия и расстояние до него подобраны правильно, то глубина резкости будет безграничной. При этом важное отличие стенопа от классического фотоаппарата в ортоскопичности изображения: даже на максимально возможных широких углах изображение начисто лишено искажений. То есть, прямые линии остаются прямыми, форма и пропорции сохраняются в точности. Дисторсия также стремится к нулю — коэффициент линейного увеличения не изменяется по мере удаления отображаемых предметов от оптической оси.
Стеноп можно сделать самому. Малое отверстие, выполняющее роль объектива, обычно совершенно антинаучно прокалывается швейной иглой в фольге или тонкой алюминиевой (латунной) пластине, чтобы избежать эффекта дифракции. Затем пластина закрепляется изнутри коробки, перекрывая отверстие большего диаметра. В качестве затвора может использоваться обычный кусок картона. На противоположной стороне фиксируется фотопленка. Стеноп можно сделать из любого фотоаппарата со сменной оптикой, хоть цифрового, хоть пленочного.
Сверлим в заглушке для «тушки» сначала большое отверстие, закрываем его фольгой, которую затем все также антинаучно и предельно аккуратно протыкаем иголкой. Вуаля!
Стеноп не терпит спешки. При столь малом отверстии освещенность фотоматериала крайне низкая, а в переводе на привычные параметры диафрагменное число исчисляется не единицами и даже не десятками, а сотнями. При столь зажатой «дырке» выдержка даже в солнечный день и при значении светочувствительности 100 ISO равна нескольким секундам, чего уж говорить про более темные условия, когда выдержка равна уже нескольким часам.
Стеноп также может использоваться для съемки двойных изображений, если в передней стенке сделать несколько отверстий, или для получения фотографий с цилиндрическими или сферическими перспективными искажениями, если изогнуть плоскость с фотоматериалом. Словом, у незатейливого на вид устройства безграничные художественные возможности. А ведь по сути банальный мусор: картонная коробка с дыркой.
Фотоаппарат для водолазов :: Класс!ная физика
| |||||||||||||
|
|
| |||||||||||
| |||||||||||||
Кроме того, новинка поддерживает
технологию PictBridge, позволяющую печатать фотографии 
..
..2.7: Камера — Физика LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 4497
- OpenStax
- OpenStax
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Описать оптику камеры
- Охарактеризовать изображение, созданное камерой
Камеры очень распространены в нашей повседневной жизни.
Между 1825 и 1827 годами французский изобретатель Нисефор Ньепс успешно сфотографировал изображение, созданное примитивной камерой. С тех пор был достигнут огромный прогресс в разработке камер и детекторов на их основе.
Первоначально фотографии записывались с использованием светочувствительной реакции соединений на основе серебра, таких как хлорид серебра или бромид серебра. Фотобумага на основе серебра широко использовалась до появления цифровой фотографии в 19 веке.80s, который тесно связан с датчиками с зарядовой связью (ПЗС) . В двух словах, ПЗС-матрица — это полупроводниковый чип, который записывает изображения в виде матрицы крошечных пикселей, каждый из которых расположен в «корзине» на поверхности. Каждый пиксель способен определять интенсивность падающего на него света. Цвет вводится в игру путем наложения фильтров красного, синего и зеленого цветов на пиксели, что приводит к цветным цифровым изображениям (рис. \(\PageIndex{1}\)). При наилучшем разрешении один пиксель ПЗС соответствует одному пикселю изображения.
Например, рассмотрим камеру в смартфоне. Средняя камера смартфона оснащена стационарным широкоугольным объективом с фокусным расстоянием около 4–5 мм. (Это фокусное расстояние примерно равно толщине телефона.) Изображение, созданное объективом, фокусируется на ПЗС-детекторе, установленном на противоположной стороне телефона. В сотовом телефоне объектив и ПЗС-матрица не могут двигаться друг относительно друга. Так как же нам убедиться, что оба изображения удаленного и близкого объекта находятся в фокусе?
Вспомните, что человеческий глаз может приспосабливаться к далеким и близким изображениям, изменяя свое фокусное расстояние. Камера мобильного телефона не может этого сделать, потому что расстояние от объектива до детектора фиксировано. Вот где маленькое фокусное расстояние становится важным. Предположим, у нас есть камера с фокусным расстоянием 5 мм. Какое расстояние изображения для селфи? Расстояние до объекта для селфи (длина руки, держащей телефон) составляет около 50 см.
Используя уравнение тонкой линзы, мы можем написать
\[\frac{1}{5мм}=\frac{1}{500мм}+\frac{1}{d_i} \номер\]
Затем мы получаем расстояние изображения:
\[\frac{1}{d_i}=\frac{1}{5mm}−\frac{1}{500mm} \nonumber \]
Обратите внимание, что расстояние до объекта в 100 раз больше, чем фокусное расстояние. Мы ясно видим, что член 1/(500 мм) значительно меньше, чем 1/(5 мм), что означает, что расстояние до изображения практически равно фокусному расстоянию объектива. Фактический расчет дает нам расстояние изображения d и = 5,05 мм. Это значение очень близко к фокусному расстоянию объектива.
Теперь давайте рассмотрим случай удаленного объекта. Допустим, мы хотим сфотографировать человека, стоящего примерно в 5 м от нас. Снова используя уравнение тонкой линзы, мы получаем расстояние до изображения 5,005 мм. Чем дальше объект от объектива, тем ближе расстояние изображения к фокусному расстоянию. В предельном случае бесконечно удаленного объекта мы получаем расстояние до изображения, точно равное фокусному расстоянию линзы.
Как видите, разница между расстоянием до изображения для селфи и расстоянием до изображения удаленного объекта составляет всего около 0,05 мм или 50 микрон. Даже небольшое расстояние до объекта, такое как длина вашей руки, на два порядка больше, чем фокусное расстояние объектива, что приводит к незначительным колебаниям расстояния до изображения. (Разница в 50 микрон меньше, чем толщина среднего листа бумаги.) Такая небольшая разница может быть легко учтена тем же детектором, расположенным на фокусном расстоянии от объектива. Программное обеспечение для анализа изображений может помочь улучшить качество изображения.
В обычных камерах типа «наведи и снимай» часто используется подвижный объектив для изменения расстояния между объективом и изображением. Сложные линзы более дорогих зеркальных фотоаппаратов позволяют получать фотографические изображения превосходного качества. Оптика этих объективов камер выходит за рамки этого учебника.
Эта страница под заголовком 2.
7: Камера предоставляется по лицензии CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- ОпенСтакс
- Лицензия
- СС BY
- Версия лицензии
- 4,0
- Программа OER или Publisher
- ОпенСтакс
- Показать оглавление
- нет
- Теги
- камера
- прибор с зарядовой связью (ПЗС)
- источник@https://openstax.
org/details/books/university-physics-volume-3
org/details/books/university-physics-volume-3Физика фотографии — Начало
Как работает камера
Как работает камера. Как показано, камера использует линзы (в большинстве используется комбинация многих линз, эта была упрощена), чтобы направлять свет для формирования изображения на пленке, которое затем записывается.
Линзы
Линзы камеры используют основные свойства света для проецирования реальных изображений на пленку. Камера всегда будет содержать как минимум одну собирающую линзу, чтобы проецировать четкое четкое изображение. Кроме того, «зум» в камерах просто увеличивает увеличение (отношение высоты изображения к высоте объекта) изображения за счет изменения расстояния между элементами объектива. Различные фокусные расстояния камер определяют, насколько вы можете увеличить изображение и что будет в фокусе. В объективах фотоаппаратов используются сложные комбинации множества различных объективов, но принцип тот же, что и для двух объективов.
Изображение с первого объектива становится объектом на следующем объективе, и так далее, и так далее, пока окончательное изображение не проецируется на пленку. Некоторые линзы (называемые «рефлекторными» линзами) также имеют встроенные зеркала.0154 хроматические аберрации и другие проблемы, влияющие на фокусировку изображения. Чтобы увидеть разницу, сравните изображения с камеры-обскуры (на другой странице) и изображения с обычной камеры — камера-обскура только с одним «объективом» имеет искажение изображения. Причина, по которой большинство камер (любого типа) имеют несколько объективов, заключается в исправлении этих и других ошибок.
Различные типы объективов имеют разные диапазоны фокусных расстояний. Например, объектив 50 мм имеет фокусное расстояние 50 мм и обычно используется на камерах с размером пленки 35 мм для «нормального» обзора. Телеобъективы (как показано на рисунке) имеют большее фокусное расстояние, что позволяет увеличивать масштаб. Однако это также соответствует малой глубине резкости — чем больше вы увеличиваете масштаб, тем меньше становится изображение.
Для сравнения, широкоугольные объективы имеют большую глубину резкости, и большая часть сцены находится в кадре.
Лучевые диаграммы, иллюстрирующие концепцию зум-объективов. Как видите, изменение расстояния между элементами объектива изменяет точку фокусировки изображения, изменяя увеличение, что и позволяет ему «приближаться».
Элементы объектива в камерах.
Здесь показано различное расположение элементов объектива в типичных объективах фотоаппаратов. Как видите, все они состоят из нескольких элементов и состоят из линз разной формы для получения изображений наилучшего качества. Однако мы можем упростить эти расчеты с помощью простого уравнения линзы: 1/di +1/do=1/f. Мы можем использовать это для расчета расстояния до изображения для любого объектива (обычно известно фокусное расстояние и расстояние до объекта), просто помните, что его нужно использовать для каждый элемент линзы .
Чтобы упростить эти расчеты, мы можем просто решить задачу с двумя линзами. Представьте, что есть две собирающие линзы как часть камеры. Мы можем использовать основное уравнение линзы, чтобы вычислить расстояние до изображения для первой линзы. Затем мы применяем это ко второй линзе, но на этот раз «объект» на самом деле является изображением из первой линзы. Чтобы получить общее расстояние до изображения, сложите два расстояния изображения. Эта концепция может быть применена ко многим объективам, и, таким образом, можно рассчитать расстояние до изображения для всего объектива камеры. (Примечание: камера можно сделать вообще без объективов или с несколькими объективами — см. камера-обскура , однако в действительности большинство камер в настоящее время имеют несколько объективов).
Пример задачи:
Объектив L1 на рисунке P23.45 имеет фокусное расстояние 15,0 см и расположен на фиксированном расстоянии перед плоскостью пленки камеры.
Объектив L2 имеет фокусное расстояние 13,0 см, а его расстояние d от плоскости пленки может варьироваться от 5,00 см до 10,0 см. Определите диапазон расстояний, на которых объекты могут быть сфокусированы на пленке.
Уравнение тонкой линзы: 1/p + 1/q = 1/f
Ошибки линзы
Хроматическая аберрация вызвана различной длиной волны (и, следовательно, фокусным расстоянием) разных цветов света. Это приводит к размытию некоторых частей изображения, как показано справа.
| Сферическая аберрация и коррекция. | Коррекция хроматической аберрации. Различная форма линз позволяет разным длинам волн света встречаться в одном и том же месте. |
Поляризация и фотография
Слева: Различные типы фильтров камеры. Справа: снимок, сделанный с поляризационным фильтром (справа) и без него (слева).
Поляризационный фильтр, используемый как в цветной, так и в черно-белой фотографии, можно использовать для затемнения слишком светлого неба и улучшения качества изображений. Поскольку облака относительно неизменны, контраст между облаками и небом увеличивается. Это происходит из-за явлений поляризации. Часть движения света блокируется с помощью поляризатора. Существуют также фильтры других цветов, например, красный и фиолетовый, которые блокируют прохождение определенных длин волн света, создавая различные эффекты на фотографиях. Это происходит из-за вычитания цвета света — некоторые цвета (длины волн) могут проходить, в то время как другие блокируются, создавая разные виды изображения.
