Что такое светосила в смартфоне? | Super G

Сейчас камера — чуть ли не главная функция любого смартфона. А на камеру и качество фото влияет целая куча факторов. Один из них — диафрагма или попросту светосила. Сегодня разберёмся, что это такое, на что влияет и почему это одна из принципиальных характеристик любой камеры — смартфона или фотоаппарата.

Диафрагма, светосила, дырка, пропускная способность объектива — всё это одно и тоже понятие. Оно всегда обозначается литерой «f» и какой-нибудь цифрой рядом.

• И чем цифра меньше, тем лучше.

Например, f/1.6 лучше f/2.4, так как на матрицу камеры попадает больше света. Если что, за единицу взята пропускная способность человеческого глаза. Однако в мире профессиональной фототехники встречаются объективы со светосилой f/0.95 и даже выше. Стоят они, как правило… впрочем, лучше вам не знать.

Диафрагма в объективе фотоаппарата состоит из металлических лепестков

Строго говоря, мЕньшая светосила не всегда гарантирует лучшую картинку. На качество снимков влияет миллион факторов: сама матрица, качество стёкол объектива, программные алгоритмы, которые занимаются обработкой фото в смартфоне и многое-многое другое. Однако светосила — одна из важнейших характеристик.

Диафрагма означает, какое количество света пройдёт сквозь объектив из 5-6 линз (бывает и больше) и в конечном счёте осядет на матрице.

Нагляднее всего это видно на фото с котиком в начале статьи — можете сохранить себе на память, если вдруг забудете ключевой принцип. И да, работа всех объективов и камер базируется на природной модели.

Так, объектив — это глаз человека или животного. Хрусталик — это линза внутри объектива. Матрица — это сетчатка, что находится на внутренней стороне глаза. У смартфонов матрица тоже спрятана позади объектива, в глубине устройства. Ну и диафрагма, которая работает ровно по тому же принципу что и радужная оболочка глаза. Когда света много, зрачки сужаются. Если освещение слабое, зрачки = диафрагма объектива раскрывается, чтобы захватить как можно больше света.

В мире серьёзной фототехники светосила напрямую влияет на глубину резкости. Чем светосила выше (f/1.6), тем меньше глубина резкости. И чем светосила ниже (скажем, f/4.0), тем больше глубина резкости. Я объясню наглядно.

На первой картинке в фокусе всего лишь пара сантиметров. Остальные объекты, что перед носом человека и за бровями: уши, волосы и тем более позади стоящие предметы — все они будут размыты.

Второе изображение снято, когда «дырка» объектива заметно уже, а значит и светосила ниже — f/4.0. И чем она ниже, тем больше глубина резкости — то самое расстояние, что в фокусе. В данном случае это вся голова от кончика носа до макушки человека. Однако предметы позади всё равно будут размыты, ибо f/4.0 — это средний уровень светосилы.

Если же сузить отверстие объектива ещё сильнее, скажем, до f/16, то в фокусе окажутся вообще все предметы, что есть на фото. В расстоянии это могут быть десятки, а то и сотни метров.

Кстати, то самое размытие фона именуется боке. Да, именно так и пишется, я не ошибся. Боке может быть разным — например, однородным и плотным, как туман. А может быть зернистыми, спиральными и так далее. Тут уж кто во что горазд — каждый производитель объективов считает красивым и достойным своё видение.

Всё это касается лишь фотоаппаратов и объективов к ним. В смартфонах светосила практически всегда постоянная. Для основной камеры она варьируется в пределах f/1.5 — f/1.8. Всякие телеобъективы, что призваны снимать с двойным или тройным приближением, имеют светосилу заметно ниже: от f/2.2 до f/2.8. Почему так? Всё просто.

Чтобы приблизить объект вдали, нужно использовать увеличительные линзы: одна, две, три и больше. Установка каждой дополнительной линзы понижает пропускную способность света. Следовательно, объектив становится темнее, на матрицу попадает меньше света, а значит, творческие возможности для съёмки ограничиваются.

Например, телеобъектив Huawei Mate 30 Pro отлично снимает видео днём даже несмотря на не самую выдающуюся светосилу f/2. 4. А вот ночью переключение на телевик недоступно. Объекты в кадре приближаются только за счёт простого растягивания картинки с основной камеры. Будто вы увеличиваете фото на компьютере, бесконечно нажимая на плюс. Предметы на фото как бы приближается, но на деле картинка попросту портится.

Поскольку в камерах смартфонов светосила всегда примерно одинаковая, играться с глубиной резкости невозможно. За размытие фона или боке отвечают исключительно программные алгоритмы. Лучше всего это получается у смартфонов Google Pixel. У них там своя атмосфера запатентованная технология машинного зрения, которая сама понимает, где человек на переднем плане, а где фон. Именно по этой причине все остальные смартфоны снимают плюс-минус одинаково. Иногда получаются удачные кадры, а подчас с кучей ошибок размытия и так далее.

Чтобы не забыть, что такое светосила / диафрагма в смартфоне и на что она влияет, давайте ещё раз коротко.

Светосила — это способность объектива пропускать сквозь себя свет. Чем его больше, тем лучше. Показатель f/1.6 лучше диафрагмы f/2.4. Для фотоаппаратов и объективов светосила — принципиально важная характеристика. В смартфонах она тоже важна, но отходит на второй план.

Сейчас за качество фотографий с камеры смартфона по большей части отвечают программные алгоритмы. А для их продвинутой работы нужен мощный процессор. Именно по этой причине бюджетники снимают не очень, а флагманы выдают максимально возможное качество. И именно по этой причине, каждое новое поколение смартфонов снимает лучше предыдущего. Да, зачастую сюда вмешивается маркетинг и искусственное ограничение функционала старых смартфонов. Однако и физические параметры камер вкупе с производительностью процессоров не менее важны.

что это такое? Что такое светосила объектива

Фото или видеосъемка — это зафиксированный на светочувствительной поверхности (в случае с цифровой техникой — на матрице) поток света, проходящий через объектив. Оптика в съемке играет первостепенную роль и ее качество во многом определяет качество будущего снимка.

Любой объектив состоит из нескольких линз, объединенных в группы. Каждая из них имеет свою функцию. Линзы преломляют свет, фокусируя его на матрице, защищают от искажений, переотражений и других негативных оптических эффектов. Проходя через эти «барьеры» световой поток закономерно ослабевает. В результате свет, который попадает на матрицу, становится менее ярким, тускнеет.

Существует немало способов, которые помогают избежать «световых потерь», из которых самый эффективный — применение просветленных линз, проходя через которые, свет будет терять минимум своей интенсивности. Так вот, способность объектива пропускать наибольшее количество света без потери интенсивности и называется светосилой.

Как определить светосилу

Светосила — это комплексное понятие и ее значение производители выражают при помощи цифровых коэффициентов. Так, самые простые, недорогие зум-объективы современных фотоаппаратов имеют светосилу от 3,5 до 5,6 единиц. Чем ниже значение коэффициента, тем выше светосила объектива. Самой большой светосилой обладает объектив Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7, созданный для съемок в . Объективы с высокой светосилой для съемок имеют диапазон от 0,7 до 2,8 единиц.

Объектив Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7 использовался для съемок обратной стороны Луны.

Как светосила влияет на качество съемки

Светосила определяет не только интенсивность светового потока, что позволяет вести съемки с короткими выдержками при очень слабом освещении. Она также связана и с диаметром относительного отверстия диафрагмы. Чем выше светосила, тем шире относительное отверстие, а значит и меньше глубина . Это особенно важно в портретной съемке, так как с помощью такого объектива можно выделять объекты на переднем плане и размывать фон.

Наибольшей светосилой обладают объективы с фиксированным фокусным расстоянием.

Именно поэтому светосила — наиболее важная характеристика для портретных объективов и любой профессиональный фотограф-портретист имеет светосильную оптику в своем арсенале.

Все желают получать красивые светлые снимки, когда фотографируют. Однако очень часто выходит так, что при виде интересного момента вы успеваете его заснять, но фото получается каким-то темным. В этом может оказаться виноватым объектив со слабой светосилой. Именно поэтому так важно знать, что означает Давайте в этом разберемся.

Светосила объектива представляет собой еще один весьма показательный его параметр. Он так же важен, как и угол зрения и прочие. Данный параметр характеризует яркость изображения, построенного на матрице объектива. Чем более светосильный объектив, тем более яркое изображение им создается. А при меньшем показателе оно будет более темным.

Светосила характеризуется относительным значением величины отверстия, а обозначается в форме дроби. Например, надпись ¼ означает, что у объектива с относительным размером отверстия ¼ диаметр отверстия вчетверо меньше параметра фокусного расстояния. Важно отметить, что размер действующего реально объективного отверстия скорее является виртуальной величиной. Данный диаметр обычно не совпадает ни с диаметром диафрагмы, ни с передней

Вполне реально рассчитать размер действующего объективного отверстия, однако его невозможно измерить. Традиционно относительные значения находятся в зависимости от размеров поля изображения, на которое прибор рассчитан. Можно сказать, что объективы с неизменным фокусным расстоянием обладают весьма высокой светосилой, к примеру, f/1,4-f/1,8, в отличие от тех, у которых фокусное расстояние является переменным. Обычно у оптики с изменчивым фокусным расстоянием и параметр светосилы тоже является переменным, так как их конструкция намного более простая.

Если говорить об этом, базируясь на каком-то примере, то можно сказать, что если на оптике имеется маркировка 20-80/3,4-4,7, это будет означать, что при фокусном расстоянии в 20 миллиметров относительный размер отверстия будет составлять f/3,4, а если фокусное расстояние станет 80 мм, то отверстие изменится и станет f/4,7. Однако, чем выше светосила объектива, тем дороже сам прибор.

Идеально было бы иметь в своем арсенале набор с разным показателем данного параметра, однако для простых людей такой вариант не подходит, так как траты на них несоизмеримы ни с чем. Смысл приобретать настолько дорогую технику есть только в том случае, если фото будут печататься в журналах или еще где-то, а иначе нет.

При отсутствии такой цели вполне достаточно приобрести обычный фотоаппарат. Не стоит брать камеры, обладающие малым показателем светосилы, так как очень скоро вы сами ощутите, что фотографии получаются недостаточно красивыми и светлыми, а этот дефект не получится убрать. Однако современные аппараты, даже наиболее простые, обладают весьма качественной встроенной автоматикой.

По своей сути светосила объектива — это свойство, которое демонстрирует количество света, проходящее сквозь этот прибор. Если исходить из данного положения, то наименьшей светосилой обладают объективы, допускающие лишь малую диафрагму. Линзы могут быть медленными или быстрыми, то есть обладающие большей или меньшей светосилой в зависимости от значения размера диафрагмы, обычно по нему и сопоставляются разные камеры, чье фокусное расстояние одно и то же.

По такому параметру, как светосила объектива, чаще всего сопоставляют разные виды фототехники. Считается, что при максимальном значении данного показателя получаются наилучшие снимки при различной степени освещенности. Если используется то у вас появляются возможности не только изменять фокусное расстояние, но и получать разный показатель светосилы.

Если вы хотя бы немного занимались фотографией, если покупали новый фотоаппарат или объектив, вы, скорее всего, слышали о светосиле оптики. Дело в том, что светосила — очень важный критерий любого объектива. При покупке объектива именно на показатель светосилы обращают обычно особое внимание. Практически любой продавец в магазине будет «навяливать» наивному новичку светосильный объектив. И только лишь потому, что достаточно светосильные объективы дороже тех, у которых светосила не очень хорошая. К тому же, многие наивно полагают, что светосила может решить все проблемы, возникающие у фотографа в процессе его работы.

Вот о светосиле мы и решили поговорить с вами в нашей сегодняшней статье.

Для начала давайте разберемся, что же все-таки это такое — светосила. Если объяснять популярно, что называется, «на пальцах», то светосила — это способность объектива пропускать свет. Светосила показывает, какое максимально возможное количество света тот или иной объектив пропускает на матрицу цифровой фотокамеры или на фотопленку. Чем светосила у объектива больше, тем большее количество света проходит сквозь объектив. Стало быть, чем больше светосила объектива, тем больше возможностей делать качественные фотографии при условиях недостаточного освещения, не используя при этом дополнительные источники света, например фотовспышку, а так же и штатив для съемки на длительных выдержках.

От чего зависит светосила объектива? А зависит она, в первую очередь вот от этих параметров:

• Диафрагма
• Фокусное расстояние
• Качество оптики

Сегодня мы не видим смысла углубляться в теорию физики (если вам это все-таки интересно, откройте учебник). Мы просто скажем, что светосила объектива — это отношение диаметра максимально широко открытого отверстия диафрагмы к фокусному расстоянию. Именно это соотношение и указывают на оправе объективов их производители. Скорее всего, вы обращали внимание на такие цифры на своем объективе: 1: 1,2, 1:1,4, 1:1,8 1:2,8, 1:5,6 и тому подобные. Чем это соотношение больше, тем больше светосила объектива. К светосильным можно отнести объективы, у которых этот показатель 1:2,8, 1:1,8, 1:1,4 и больше.

Для общего интереса можно сказать, что объектив, который считается самым светосильным в мире, был изготовлен в 1966 году для NASA и использовался он для фотографирования темной стороны Луны. Назывался этот объектив Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7. Его светосила была равна 1: 0,7. Этот объектив был изготовлен всего в десяти экземплярах.

Даже начинающий фотограф, не говоря уж о профессионалах, наверняка знает, что самыми светосильными объективами являются портретные объективы, у которых фиксированное фокусное расстояние (для краткости объективы с постоянным фокусным расстоянием на языке профессионалов принято называть фиксами). Подобный объектив должен иметь каждый фотограф, который считает себя мастером фотографии. У таких светосильных фиксов есть одно неоспоримое преимущество. И оно весьма существенно. Заключается это преимущество в том, что светосильные фиксы достаточно доступны по своей стоимости. И, к тому же, если их сравнить со светосильными зумами — фиксы порой даже качественнее их и способны создавать очень даже замечательную картинку.

Объективы с хорошей светосилой прекрасно подходят для съемки портретов, так как они дают достаточно небольшую глубину резко изображаемого пространства. А это, как известно, для портретной съемки очень важно.

Какой же портретный объектив лучше всего выбрать для работы? Со светосилой 1: 1,2, 1:1,4 или 1:1,8?

Как мы уже сегодня говорили, новички в фотоделе обычно стараются приобрести себе более светосильный объектив. И продавцы охотно предлагают им такие объективы, ведь они стоят весьма недешево, а это, конечно же, очень выгодно магазину. Но вот как раз тут и возникает вопрос: нужно ли в значительной степени переплачивать за объектив, имеющий диафрагму f/1.

Глубина резко изображаемого пространства на снимке зависит напрямую от светосилы объектива, которым вы снимаете. Вот поэтому при съемке с диафрагмой f/1,2, f/1,4, и f/1,8 плоскость фокуса весьма невелика. В этом случае очень велик риск того, что не весь объект съемки попадет в эту плоскость. Вот, например, как на этом снимке.

Его автор считает, что он испортил этот кадр. Снимал он его с полностью открытой диафрагмой f/1,2. И именно поэтому не попал в фокус, и картинка получилась нерезкой. А вот этот снимок был сделан им же, но уже с диафрагмой f/2,8. Как вы видите, фотография получилась достаточно хорошей: и фон размыт, и лицо модели изображено резко.

Вообще диафрагму f/1,2 нужно использовать только в самых исключительных случаях. Например, в случае реальной нехватки света для съемки. Да и то это помогает далеко не всегда. Чаще бывает проще просто повысить светочувствительность (поднять значение ISO). Особенно это актуально в том случае, если вы работаете полноформатной фотокамерой. Даже снимая объективом с фиксированным фокусным расстоянием в 50 мм. при диафрагме f/2,8 легко можно не попасть в зону резкости. И тогда некоторые детали фотографируемого объекта на снимке будут нерезкими. Поэтому мы всегда рекомендуем в этом случае несколько перестраховаться и снимать при хорошем освещении на диафрагме не меньше чем f/3,2.

Ну, и в заключение нашей статьи давайте кратко подведем итоги рассказанного в ней.

Итак, светосильные объективы с фиксированным фокусным расстоянием идеально подходят для съемки портретов. Именно по этой причине такой объектив мы настоятельно рекомендуем иметь каждому фотографу.

Когда будете покупать светосильный объектив, не поддавайтесь на уговоры продавцов и на заявленную светосилу 1:1,2 или 1:1,4. Снимать на такой диафрагме вам вряд ли придется. А если и придется, то очень и очень в редких случаях. Вот почему, если у вас всё же есть выбор между объективом со светосилой 1:1,2, 1:1. 4 и 1:1,8 — не тратьте зря свои деньги на покупку того, что вам совершенно не нужно. В практической работе вполне хватает объектива со светосилой 1:1,8.

Наверняка, если вы покупали объектив, то не раз слышали такое понятие как светосила объектива . Скорее всего, именно светосила играла ключевую роль при выборе той или иной линзы и конечно же продавец старался вам продать более дорогой объектив именно ссылаясь на этот мистический параметр – светосила, как-будто он решит все ваши проблемы;)

Вначале давайте разберемся что такое светосила объектива, и с чем её едят. Если просто, то светосила, это пропускная способность объектива, т.е. светосила показывает какое максимально возможное количество света проходит через объектив и попадает на матрицу цифрового фотоаппарата. Чем больше светосила у объектива – тем больше света через него может проходить, тем больше возможности при съемке в плохом освещении без использования вспышки или штатива .

Светосила объектива зависит от следующих параметров:

• диафрагма
• фокусное расстояние
• качество оптики

Не будем углубляться в физику, скажу лишь что отношение диаметра максимально открытой к фокусному расстоянию, как раз и будет вашей светосилой (так называемой геометрической светосилой объектива). Именно эту светосилу производители оптики и указывают у себя на объективах, наверняка вы встречали следующие подписи – 1:1.2, 1:1.4, 1:1.8, 1:2.8, 1:5.6 и так далее. Естественно, чем больше это соотношение, тем больше светосила объектива. Поэтому светосильные объективы считаются те, у которых соотношение 1:2.8, 1:1.8, 1:1.4 и более.

Для заметки, самый светосильный объектив в мире, был сделан в 1966 году для NASA которые использовали его в целях съемки темной стороны луны. Называется он Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7 и светосила у него равна 1:0.7, таких объективов было выпущено всего десять.

Каждый фотограф, будь-то он начинающий или профи, знает – самые светосильные объективы это портретные объективы с фиксированным фокусным расстоянием. И конечно же, каждый уважающий себя фотограф имеет в арсенале такой объектив. Ещё один плюс, светосильных фиксов – то что они относительно недорогие, к примеру если сравнивать с светосильными зум-объективами, но не менее качественные.

Светосильные объективы идеально подходят для портретной съемки, потому что они дают малую , что очень важно для .

Какой портретный объектив выбрать, со светосилой 1.2, 1.4 или 1.8?

Существует тот факт, что новички хотят купить себе более светосильный объектив, и конечно же продавцы с радостью им продают этот объектив, который стоит в разы дороже. Вопрос только нужно ли переплачивать за диафрагму f/1.4 если вы ей практически не будете ей пользоваться!

Потом я сфотографировал ещё один, в котором все хорошо: лицо в фокусе а фон размытый, но диафрагма уже была f/2.8.

Я много перепортил кадров, до того, как я понял, что f/1.2 нужно использовать только в случае если не хватает света для съемки и то, это не всегда помогает, проще повысить , особенно если у вас . Порой, даже на 50мм фикс с диафрагмой f/2.8 – можно промахнуться и многие детали окажутся не в фокусе, поэтому я всегда перестраховываюсь, особенно когда фотографирую моделей, при хорошем освещении использую диафрагму не меньше чем f/3.2.

Как видите, глубина резкости вполне ощутима.

— обзор

3.6.3 Оптический анализ коллекторов с параболическим желобом

Поперечное сечение коллектора с параболическим желобом показано на рисунке 3.37, где показаны различные важные факторы. Падающее излучение на отражатель на краю коллектора (где радиус зеркала r _r максимален) составляет угол φ _r с центральной линией коллектора, который называется Угол обода .Уравнение параболы в системе координат:

Рисунок 3.37. Поперечный разрез параболического желобного коллектора с круглым ресивером.

(3,95) y2 = 4fx

, где f = фокусное расстояние параболы (м).

Для зеркальных отражателей с идеальным выравниванием размер приемника (диаметр D ), необходимый для перехвата всего солнечного изображения, может быть получен из тригонометрии и рисунка 3. 37, что дает

(3,96) D = 2rrsin (θm)

, где θ _м = половина угла приема (градусы).

Для параболического отражателя радиус r , показанный на рисунке 3.37, равен

(3,97) r = 2f1 + cos (ϕ)

, где φ = угол между осью коллектора и отраженным лучом в фокус; см. Рисунок 3.37.

При изменении φ от 0 до φ _r , r увеличивается с f до r _r , а теоретический размер изображения увеличивается с 2 f sin (θ _m ) to 2 r _r sin (θ _m ) / cos (φ _r + θ _m ).Следовательно, есть изображение, растекающееся по плоскости, перпендикулярной оси параболы.

По углу обода, φ _r , уравнение. (3.97) становится

(3.98) rr = 2f1 + cos (ϕr)

Еще одним важным параметром, связанным с углом обода, является апертура параболы, W _a . Из рисунка 3.37 и простой тригонометрии можно найти, что

(3.99) Wa = 2rr sin (ϕr)

Подставляя уравнение. (3.98) в уравнение. (3.99) дает

(3.100) Wa = 4f sin (ϕr) 1 + cos (ϕr)

, что сокращается до

(3,101) Wa = 4f tan (ϕr2)

Угол половинного приема, θ _м , используемый в Уравнение (3.96) зависит от точности следящего механизма и неровностей поверхности отражателя. Чем меньше эти два эффекта, тем ближе θ _м к углу солнечного диска, что приводит к меньшему изображению и большей концентрации. Следовательно, ширина изображения зависит от величины двух величин.На рис. 3.37 предполагается идеальный коллектор, и показан солнечный луч, падающий на коллектор под углом 2θ _м и уходящий под тем же углом. Однако в практическом коллекторе из-за наличия ошибок угол 2θ _м должен быть увеличен, чтобы также включить ошибки. Увеличенные изображения также могут быть результатом режима отслеживания, используемого для пересечения коллектора. Проблемы также могут возникать из-за ошибок в расположении приемника относительно отражателя, что приводит к искажению, увеличению и смещению изображения.Все это объясняется коэффициентом перехвата, который объясняется далее в этом разделе.

Для трубчатого приемника коэффициент концентрации определяется как

(3,102) C = WaπD

Путем замены D и W _на на уравнения. (3.96) и (3.100), соответственно, получаем

(3.103) C = sin (ϕr) πsin (θm)

Максимальное соотношение концентраций достигается, когда φ _r составляет 90 ° и sin (φ _r ) = 1.Следовательно, заменив sin (φ _r ) = 1 в уравнении. (3.103) можно получить следующее максимальное значение:

(3.104) Cmax = 1πsin (θm)

Разница между этим уравнением и уравнением. (3.84) заключается в том, что это применимо, в частности, к коллектору параболического желоба с круглым приемником, тогда как уравнение. (3.84) — идеализированный случай. Таким образом, при использовании того же угла половинного приема солнца, равного 16 ′, для одноосного отслеживания, C _max = 1 / πsin (16 ′) = 67,5.

Фактически, величина угла обода определяет материал, необходимый для создания параболической поверхности.Длина кривой отражающей поверхности определяется как

(3,105) S = Hp2 {sec (ϕr2) tan (ϕr2) + ln [sec (ϕr2) + tan (ϕr2)]}

, где H _p = прямая кишка параболы (m). Это открытие параболы в фокусе.

Как показано на рис. 3.38 для одной и той же апертуры, возможны различные углы обода. Также показано, что для разных углов обода изменяется отношение фокусировки к отверстию, определяющее кривизну параболы. Можно продемонстрировать, что при угле обода 90 ° среднее расстояние от фокуса до отражателя и, следовательно, разброс отраженного луча сводятся к минимуму, так что наклон и ошибки отслеживания менее выражены.Однако площадь поверхности коллектора уменьшается с уменьшением угла обода. Таким образом, существует соблазн использовать меньшие углы обода, поскольку потеря оптической эффективности мала, но большая экономия на стоимости отражающего материала.

Рисунок 3.38. Фокусное расстояние и кривизна параболы.

Пример 3.10

Для параболического желобного коллектора с углом обода 70 °, апертурой 5,6 м и диаметром приемника 50 мм, оцените фокусное расстояние, коэффициент концентрации, радиус обода и длину параболической трубы. поверхность.

Решение

Из уравнения. (3.101),

Wa = 4f tan (ϕr2)

Следовательно,

f = Wa4tan (ϕr / 2) = 5.64tan (35) = 2 м

Из уравнения. (3,102), отношение концентраций составляет

C = Wa / πD = 5,6 / 0,05π = 35,7

Радиус обода определяется формулой. (3.98):

rr = 2f1 + cos (ϕr) = 2 × 21 + cos (70) = 2,98 м

Парабола прямой кишки, H _p , равна W _a при φ _r = 90 ° и f = 2 м. Из уравнения. (3.101),

Hp = Wa = 4f tan (ϕr2) = 4 × 2 tan (45) = 8 м

Наконец, длина параболы может быть получена из уравнения. (3.105) вспоминая, что sec ( x ) = 1 / cos ( x ):

S = Hp2 {sec (ϕr2) tan (ϕr2) + ln [sec (ϕr2) + tan (ϕr2)]} = 82 {sec (35) tan (35) + ln [sec (35) + tan (35)]} = 6,03 м

ОПТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Оптическая эффективность определяется как отношение энергии, поглощенной приемником энергии, падающей на отверстие коллектора.Оптическая эффективность зависит от оптических свойств используемых материалов, геометрии коллектора и различных недостатков, возникающих из-за конструкции коллектора. В форме уравнения (Содха и др., 1984)

(3.106) ηo = ρταγ [(1-Af tan (θ)) cos (θ)]

, где

ρ = коэффициент отражения зеркала.

τ = коэффициент пропускания стеклянной крышки.

α = поглощающая способность приемника.

γ = коэффициент пересечения.

A _f = геометрический коэффициент.

θ = угол падения.

Геометрия коллектора определяет геометрический фактор, A _f , который является мерой эффективного уменьшения площади апертуры из-за аномальных эффектов падения, включая засорения, тени и потерю отраженного излучения. зеркало за концом приемника. Во время ненормальной работы PTC некоторые лучи, отраженные от конца концентратора, противоположного солнцу, не могут достичь приемника.Это называется конечным эффектом . Величина потерянной площади апертуры показана на Рисунке 3.39 и представлена ​​

Рисунок 3.39. Концевой эффект и блокировка в коллекторе параболического желоба.

(3.107) Ae = fWa tan (θ) [1 + Wa248f2]

Обычно коллекторы этого типа заканчиваются непрозрачными пластинами, чтобы предотвратить нежелательную или опасную концентрацию вдали от приемника. Эти пластины приводят к засорению или затемнению части отражателя, что, по сути, уменьшает площадь апертуры.Для пластины, простирающейся от обода до обода, потерянная площадь показана на рисунке 3.39 и определяется как

(3,108) Ab = 23 Втч, тангенс (θ)

, где h _p = высота параболы (м).

Следует отметить, что термин tan (θ), показанный в уравнениях. (3.107) и (3.108) то же самое, что показано в уравнении. (3.106), и его нельзя использовать дважды. Следовательно, чтобы найти полную потерю в площади апертуры, A _l , две области, A _e и A _b , складываются без включения члена tan (θ) (Jeter, 1983):

(3.109) Al = 23Wahp + fWa [1 + Wa248f2]

Наконец, геометрический фактор — это отношение потерянной площади к площади апертуры. Следовательно,

(3,110) Af = AlAa

Наиболее сложным параметром, участвующим в определении оптической эффективности коллектора с параболическим желобом, является коэффициент пересечения. Это определяется как отношение энергии, перехваченной приемником, к энергии, отраженной фокусирующим устройством, то есть параболой. Его значение зависит от размера приемника, погрешностей угла поверхности параболического зеркала и распространения солнечного луча.

Ошибки, связанные с параболической поверхностью, бывают двух типов: случайные и неслучайные (Guven and Bannerot, 1985). Случайные ошибки определяются как ошибки, которые действительно случайны по своей природе и, следовательно, могут быть представлены нормальными распределениями вероятностей. Случайные ошибки определяются как видимые изменения ширины солнца, эффекты рассеяния, вызванные случайными ошибками наклона (т.е. искажение параболы из-за ветровой нагрузки), и эффекты рассеяния, связанные с отражающей поверхностью. Неслучайные ошибки возникают при изготовлении-сборке или работе коллектора. Они могут быть идентифицированы как дефекты профиля отражателя, ошибки несоосности и ошибки местоположения приемника. Случайные ошибки моделируются статистически путем определения стандартного отклонения распределения полной отраженной энергии при нормальном падении (Guven and Bannerot, 1986) и определяются как

(3.111) σ = σsun2 + 4σslope2 + σmirror2

Неслучайные ошибки: определяется на основании информации об ошибке угла перекоса β (т.е.е., угол между отраженным лучом от центра солнца и нормалью к плоскости апертуры рефлектора) и смещение приемника от фокуса параболы ( dr ). Поскольку ошибки профиля отражателя и смещение приемника по оси Y по существу имеют одинаковый эффект, для учета обоих используется один параметр. Согласно Guven и Bannerot (1986), случайные и неслучайные ошибки могут быть объединены с геометрическими параметрами коллектора, отношением концентраций ( C ) и диаметром приемника ( D ), чтобы получить параметры ошибки, универсальные для всех геометрий коллектора.Они называются универсальными параметрами ошибок , и звездочка используется, чтобы отличить их от уже определенных параметров. Используя параметры универсальной ошибки, можно сформулировать коэффициент пересечения γ (Guven and Bannerot, 1985):

(3.112) γ = 1 + cos (ϕr) 2 sin (ϕr) ∫0ϕrErf {sin ( ϕr) [1 + cos (ϕ)] [1-2d * sin (ϕ)] — πβ * [1 + cos (ϕr)] 2πσ * [1 + cos (ϕr)]} undefined-Erf { -sin (ϕr) [1 + cos (ϕ)] [1 + 2d * sin (ϕ)] + πβ * [1 + cos (ϕr)] 2πσ * [1 + cos (ϕr)] } dϕ [1 + cos (ϕ)]

, где

d * = универсальный параметр неслучайной ошибки из-за неправильного расположения приемника и ошибок профиля отражателя, d * = d _r / D.

β * = параметр универсальной неслучайной ошибки из-за угловых ошибок, β * = βC.

σ * = универсальный параметр случайной ошибки, σ * = σC.

C = коэффициент концентрации коллектора, = A _a / A _r .

D = внешний диаметр стояка (м).

d _r = смещение приемника от фокуса (м).

β = ошибка угла перекоса (градусы).

Другой тип анализа, обычно выполняемый в концентрирующих коллекторах, — это трассировка лучей. Это процесс отслеживания путей большого количества падающих лучей излучения через оптическую систему для определения распределения и интенсивности лучей на поверхности приемника. Трассировка лучей определяет распределение концентрации излучения на приемнике коллектора, называемое коэффициентом локальной концентрации (LCR). Как видно на рисунке 3.37, излучение, падающее на дифференциальный элемент области отражателя, представляет собой конус с половинным углом 16 ‘. Отраженное излучение представляет собой подобный конус с таким же углом при вершине, если отражатель идеален. Пересечение этого конуса с поверхностью приемника определяет размер и форму изображения для этого элемента, а общее изображение представляет собой сумму изображений для всех элементов отражателя. В реальном коллекторе учитываются различные ошибки, описанные ранее, которые увеличивают размер изображения и снижают коэффициент локальной концентрации.Распределение коэффициента локальной концентрации для коллектора с параболическим желобом показано на рисунке 3.40. Форма кривых зависит от упомянутых выше случайных и неслучайных ошибок, а также от угла падения. Следует отметить, что распределение для половины приемника показано на рисунке 3.40. Другой, более представительный способ показать это распределение для всего приемника — на рис. 3.41. Как видно из этих рисунков, верхняя часть приемника по существу получает только прямой солнечный свет от солнца, а максимальная концентрация, около 36 солнц, происходит при угле падения 0 и под углом β, как показано на рисунке 3.40, 120 °.

Рисунок 3.40. Коэффициент локальных концентраций на приемнике коллектора параболического желоба.

Рисунок 3.41. Более представительный вид LCR для коллектора с диаметром ствольной коробки 20 мм и углом обода 90 °.

Пример 3.11

Для PTC с общей площадью апертуры 50 м ² , апертурой 2,5 м и углом обода 90 °, оцените геометрический фактор и фактическую потерянную площадь при угле падения, равном 60 °.

Решение

Поскольку φ _r = 90 °, высота параболы h _p = f .Следовательно, из уравнения. (3,101),

л.с. = f = Wa4tan (ϕr2) = 2,54tan (45) = 0,625 м

Из уравнения. (3.109):

Al = 23Wahp + f Wa [1 + Wa248f2] = 232,5 × 0,625 + 0,625 × 2,5 [1 + 2,5248 (0,625) 2] = 3,125 м2

Площадь потерь при угле падения 60 ° составляет :

Потерянная площадь = A1 tan (60) = 3,125 × tan (60) = 5,41 м2

Геометрический коэффициент A _f получается из уравнения. (3,110):

Af = AlAa = 3,12550 = 0,0625

Что означает f / ratio в Telescope Talk

Чтобы понять, что означает «f», необходимо сначала понять 2 основных аспекта телескопа, поскольку это в основном взаимосвязь между ними.

• Апертура — важнейшая характеристика любого телескопа. По сути, это измерение диаметра основной линзы или зеркала телескопа.

Размер апертуры телескопа определяет его способность собирать свет и напрямую пропорционален площади линзы или зеркала, которая, в свою очередь, связана с квадратом апертуры.

Например, телескоп с зеркалом объектива с апертурой 200 мм собирает в четыре раза больше света, чем телескоп с зеркалом всего 100 мм.

• Фокусное расстояние — фокусное расстояние — это расстояние от оптической линзы телескопа до плоскости, в которой изображение попадает в фокус. Плоскость, которая находится на расстоянии одного фокусного расстояния от линзы или зеркала, называется фокальной плоскостью.

Здесь вы можете увидеть реальное изображение удаленного объекта. Фокусное расстояние линзы объектива или зеркала телескопа влияет на общую длину телескопа.

Соотношение диафрагмы в фотографии означает то же самое для телескопов.Она равна f окулярной длины телескопа, деленной на его апертуру . Одна из наиболее распространенных конструкций телескопов — это рефрактор с апертурой 120 мм (4,7 дюйма) и фокусным расстоянием 1 метр (1000 мм). В этом случае соотношение f / равно 1000/120 = 8,3 Это более удобно записать как « f / 8,3 ».

Соотношение диафрагмы телескопа влияет на 3 вещи:

• Размер телескопа — более высокое f / отношение означает, что ваш телескоп имеет большее фокусное расстояние и телескопическую трубу, а меньшее f / отношение означает более короткое фокусное расстояние и телескопические тубусы.

Это потому, что фокусное расстояние пропорционально длине телескопа, или , точнее, расстоянию между линзой и точкой фокусировки .

• Типичный диапазон увеличения — телескоп с заданной апертурой и малым f / отношением даст меньшее увеличение с данным окуляром, чем телескоп с большим f / отношением.

• Оптические искажения — оптические искажения или аберрации на телескопы с более низкими значениями диафрагмы могут быть сильнее, чем на телескопы с более высокими отношениями диафрагмы.Они страдают от ложных цветов («хроматической аберрации») вокруг более ярких объектов и имеют значительные искажения по краям поля зрения. Это вступает в игру, когда фокусное расстояние мало по сравнению с диаметром апертуры .

Увеличение телескопа равно фокусному расстоянию телескопа, деленному на фокусное расстояние окуляра. Например, для телескопа с фокусным расстоянием 1200 мм, который используется с окуляром 20 мм, увеличение будет 1200/20 или 60x.

В отличие от диафрагмы, большее увеличение не всегда лучше. Существует теоретический предел для полезного увеличения данного телескопа, что в два раза превышает апертуру в миллиметрах. Для диафрагмы 120 мм теоретический предел составляет 240x. При превышении этого предела вы получите более близкое изображение, но изображение будет нечетким и тусклым.

Разные соотношения f / полезны для разных целей просмотра, поэтому нет лучшего f / ratio среди всех остальных.Например, длинное фокусное отношение дает большее увеличение , но также обеспечивает более узкое поле зрения. Это лучше всего подходит для наблюдения за луной, планетами и звездами.

Для этих объектов наилучшее f / соотношение составляет f / 10 или более. С другой стороны, меньшее фокусное расстояние лучше всего для просмотра звездных скоплений, галактик и Млечного Пути. У них меньшее увеличение, но они дают более широкий обзор ночного неба. Как Добсониан ниже .

Для визуальной астрономии самое основное правило — чем больше апертура, тем лучше. Это имеет смысл, потому что апертура определяет способность вашего телескопа собирать свет, и чем она выше, тем более мелкие детали он может разрешить. Однако для астрофотографии важнее диафрагма, а не диафрагма.

В камерах f / ratio определяет, сколько света попадает на каждый из пикселей.Мы хотели бы максимизировать это, потому что объекты, которые мы визуализируем, обычно сравнительно тусклые. Общее правило состоит в том, что чем ниже соотношение f /, тем больше света попадает на каждый пиксель. .

Можно сказать так; Чем ниже коэффициент диафрагмы, тем быстрее мы собираем свет, чем при более высоком значении диафрагмы.

Нужно больше?

Следует отметить, что Хаббл имеет отношение f F / 24. Чтобы узнать больше о характеристиках космического телескопа Хаббл здесь, в Википедии.

Plus, вот моя статья о том, как арендовать время на космическом телескопе Хаббл

Вы можете найти здесь и другие статьи, достойные внимания.Дайте мне знать, что вы думаете…

Что такое рефракторный телескоп

30 советов по улучшению обзора в телескоп

Возможно, вы даже захотите посетить рекомендованные страницы снаряжения, если хотите улучшить свою астрономию?

Общие сведения об экспозиции, Часть 2: Диафрагма

Диафрагма — это размер отверстия в объективе. Некоторые объективы имеют фиксированную диафрагму, но большинство фотографических объективов имеют переменную диафрагму для управления количеством света, попадающего в объектив.Эта апертура регулируется диафрагмой, состоящей из перекрывающих друг друга лезвий, которые можно регулировать для изменения размера отверстия, через которое проходит свет. Размер отверстия также оказывает вторичное влияние на фотографию, поскольку диафрагма также изменяет угол, под которым свет проходит через линзу. Мы обсудим два «побочных эффекта» изменения размера диафрагмы после того, как закончим обсуждение отношения диафрагмы к экспозиции.

Эта статья является частью серии статей о фотографической экспозиции.
1. Введение: Треугольник экспозиции
2. Диафрагма
3. Выдержка
4. Лезвия диафрагмы ISO

Как и зрачок в вашем глазу, апертурная диафрагма открывается и сужается для управления количеством света, проходящего через линзу. Чтобы облегчить правильно экспонированную фотографию, нам нужно количественно определить размер отверстия, чтобы мы могли математически включить это отверстие в наш расчет экспозиции +.К счастью, особенно если у вас есть мои математические навыки, это уже было сделано для нас!

Отношение раскрытия диафрагмы объектива по сравнению с фокусным расстоянием объектива — не измерение, а отношение — называется числом диафрагмы, диафрагма / ступень. , фокусное отношение, f / отношение или относительное отверстие. Независимо от используемой метки, значения диафрагмы для математических целей разнесены по значениям экспозиции (EV) или ступеням.

Преимущество математического вычисления EV состоит в том, что мы можем применить это измерение ко всем трем настройкам, которые влияют на выдержку, диафрагму, ISO и выдержку.С тремя настройками, говорящими на одном «языке», мы можем использовать их одновременно или независимо по мере необходимости.

Формула, используемая для присвоения номера отверстию объектива: f / ступень = фокусное расстояние / диаметр эффективной апертуры (входного зрачка) объектива.

Написано на тубусе объектива или в цифровой форме внутри камеры и отображено в видоискателе или ЖК-экране. Вы, вероятно, увидите отметки диафрагмы с шагом в одну ступень.

Чем меньше число, тем шире отверстие.Следовательно, объектив с оптикой и оптикой большего диаметра допускает большее отверстие, представленное меньшим диафрагменным диафрагмой. Ваш объектив / камера может позволить вам «набирать» номера, отличные от указанных выше; старые объективы с ручным управлением обычно «щелкают» с шагом 1/2 ступени. Эти числа, отображаемые на цифровом дисплее, например, такие как f / 3.3, представляют собой соотношение 1/2 ступени или 1/3 ступени.

Для простоты в этой статье давайте работать с точками, не так ли?

Возвращаясь к физике с некоторой математикой, вот как диафрагма изменяет вашу экспозицию: если вы установите камеру на f / 8, а затем расширите диафрагму до f / 5.6 вы удвоили количество света, проходящего через линзу. При переключении с f / 8 на f / 4 количество света увеличивается в четыре раза. При переходе от f / 11 к f / 16 количество света уменьшается вдвое.

Вы заметили что-то странное? Когда мы переходим от f / 8 к f / 4, мы удваиваем размер отверстия объектива. Верный? Почему же тогда количество света увеличивается в четыре раза, если проем только вдвое больше? Возвращение математики и закона обратных квадратов.

Формула для площади круга: Площадь = , умноженная на квадрат радиуса.Если вы вычислите какие-то числа, вы обнаружите, что, удвоив или уменьшив вдвое радиус апертуры, вы в четыре или четыре раза увеличите площадь, как когда мы говорили о разнице в интенсивности данного света в зависимости от расстояния.

Когда мы вводим эти числовые данные в систему для электромобилей, это довольно просто. Изменение диафрагмы, в результате которого свет удваивается или уменьшается вдвое, означает, что вы изменили экспозицию на один EV или остановились. Итак, если вы расширите диафрагму с f / 16 до f / 11, вы получите результат +1 EV, так как вы удвоили количество света, который будет проходить через апертурную диафрагму.от f / 16 до f / 8 удваивает размер отверстия, в четыре раза увеличивает количество света и представляет сдвиг на +2 EV. Все просто, правда?

Итак, теперь, когда вы знаете, как диафрагма влияет на экспозицию, давайте поговорим о тех двух «побочных эффектах» диафрагмы, о которых мы упоминали выше. Размер апертурной диафрагмы не только влияет на количество света, проходящего через объектив, он также влияет на резкость изображения и является одним из нескольких факторов, которые влияют на то, что называется «глубиной резкости».

Глубина резкости определяется как расстояние между ближайшими и самыми дальними объектами, которые кажутся резко сфокусированными на изображении.Без глубины резкости тонкая как бритва фокальная плоскость объектива создала бы проблемы для фотографии. Сфотографируйте человека, и, например, кончик его носа будет в фокусе, а остальные будут полностью размытыми. Глубина резкости позволяет этой фокальной плоскости иметь воспринимаемую глубину.

Глубина резкости — это функция размера диафрагмы объектива, фокусного расстояния объектива, расстояния между объектом и камерой и так называемого круга нерезкости.В рамках этой статьи мы сохраним обсуждение глубины резкости, относящееся к диафрагме. В зависимости от вашей камеры и объектива, открыв диафрагму до самых широких настроек, вы сузите диапазон фокальной плоскости до очень небольшого расстояния. Это можно использовать в фотографии для создания творческих композиций с макросъемкой и, что наиболее популярно, для создания размытого заднего фона при съемке портретов.

Важно отметить, что некоторые комбинации фотоаппарата / объектива не дадут ощутимо малую глубину резкости, поэтому не думайте, что, просто открыв апертурную диафрагму на максимум, вы добьетесь чрезвычайно высокой небольшая глубина резкости.Регулировка апертурной диафрагмы в другую сторону, до ее наиболее узкого значения, увеличивает глубину этой плоскости фокусировки и позволяет получить резкий фокус на большом диапазоне изображения. При съемке пейзажей обычно используются методы глубокой глубины резкости.

Для обсуждения трех частей глубины резкости на университетском уровне щелкните здесь.

Диафрагма не только контролирует количество света, проходящего через линзу, но и влияет на угол, под которым световые лучи проходят через линзу.Чтобы быть ясным, мы не говорим о том, как линзы искривляют свет, мы говорим о том, как свет, проходя мимо объекта, слегка изгибается этим объектом — в этом примере, лопастями апертурной диафрагмы. Это отклонение света называется «дифракцией» и является характеристикой свойств световой волны.

Сужая апертурную диафрагму объектива, вы приближаете эту дифракцию к центру изображения. Многие фотографы, когда начинают разбираться в диафрагме, думают, что ключом к максимальной резкости является малая диафрагма из-за того, что диафрагма влияет на глубину резкости.Однако из-за дифракции это не так. Хотя вы увеличиваете глубину резкости за счет сужения диафрагмы, вы также увеличиваете степень дифракции в изображении, что приводит к потере резкости изображения.

Кроме того, даже при современной точности производства и компьютерном дизайне не существует такой вещи, как оптически идеальные линзы. Из-за несовершенства стекла и того, как свет ведет себя при изгибе, линзы создают аберрации, которые негативно влияют на изображение.

Когда вы открываете апертурную диафрагму до максимального размера, вы пропускаете максимальное количество света в объектив и, соответственно, максимальное количество аберраций. «Останавливая объектив вниз» или уменьшая размер апертурной диафрагмы, вы уменьшаете эти аберрации, и резкость изображения, создаваемого объективом, увеличивается. Однако, как мы обсуждали выше, недостатком является то, что по мере уменьшения апертурной диафрагмы вы увеличиваете дифракцию, поскольку меньшее отверстие вызывает больший изгиб световых лучей.Золотая середина, область, где аберрации уменьшены, а дифракция управляема, известна как «зона наилучшего восприятия» объектива — обычно в области между f / 4 и f / 11 в зависимости от конструкции объектива. Эта оптимальная диафрагма — это то место, где вы получите максимальную производительность объектива в том, что касается резкости и уменьшения аберраций, а также получения средней глубины резкости.

Для получения дополнительной информации о дифракции щелкните здесь.

Итак, диафрагма служит не только для управления количеством света, проходящего через объектив, но также влияет на характеристики объектива с точки зрения глубины резкости и резкости.Пришло время перейти к следующему сегменту серии эпопозиций — «Выдержка затвора».

Что такое диафрагма, фокусное расстояние и фокусное соотношение — Blackwater Skies

Вопросы о том, как лучше выбрать оборудование для астроизображения, возникают довольно часто. В этой первой из серии постов я начну с объяснения основ диафрагмы, фокусного расстояния и фокусного соотношения.

Эти сложные темы заставляют многих начинающих фотографов делать ошибочные выводы.Если вы будете терпеливы, вы узнаете, как они (и другие вещи) влияют на визуализацию, и, следовательно, вы сможете сделать более осознанный выбор в отношении своего оборудования.

«Фокусное отношение» (f-ratio) — это распространенный термин, который вы встретите в мире фотографии. Это число, которое используется для обозначения «скорости» объектива камеры и выражается как «f / 2», «f / 4» и т. Д. Меньшие числа «быстрее», чем более высокие числа, что означает, что вы можете сделайте снимок, используя более короткую выдержку с объективом f / 2, чем с объективом f / 4.Однако, как мы выясним, простые правила, используемые в фотографии, не распространяются прямо на астроизображение.

Расчет f-отношений

Отношение f объектива фотоаппарата или телескопа очень просто рассчитывается как:

Соотношение f = фокусное расстояние / диафрагма

Так, например, мой старый Meade SCT имеет фокусное расстояние 2000 мм и апертуру 203 мм (т.е. зеркало имеет диаметр 203 мм). Следовательно, его коэффициент f составляет 2,000 / 203 = f / 9,85. Довольно часто более высокие значения f-отношения округляются в большую или меньшую сторону, поэтому этот прицел рекламировался как имеющий коэффициент диафрагмы f / 10.

Приведу еще один пример: мой SkyWatcher 80ED имеет фокусное расстояние 600 мм и апертуру 80 мм, следовательно, это f / 7,5.

Если вы используете в своей установке редуктор фокусного расстояния или линзу Барлоу, вы должны включить результирующее уменьшение или увеличение эффективного фокусного расстояния в расчет следующим образом:

Коэффициент f = фокусное расстояние x коэффициент изменения / диафрагма

Итак, если я использую редуктор с фокусным расстоянием 0,85x с моим 80ED, расчет будет 600 мм x 0.85 (эффективное фокусное расстояние 510 мм) с диафрагмой 80 мм равняется f / 6,375, поэтому назовем его f / 6,4.

При использовании двукратного диафрагмы Барлоу эффективное фокусное расстояние становится 600 мм x 2, что составляет 1200 мм для f / 15.

Примечание. Коэффициент f является безразмерным числом, т.е. не имеет единиц измерения. Если вы используете одни и те же единицы для диафрагмы и фокусного расстояния, вы можете правильно рассчитать f-соотношение. Не путайте миллиметры и дюймы в одном вычислении!

К сожалению, это сокращение от соотношения f со скоростью или временем экспозиции может ввести в заблуждение, когда дело доходит до астроизображения.Итак, давайте использовать более точное определение:

Отношение f определяет, сколько света телескоп (или объектив) сконцентрирует в данной области.

То есть, если я наведу два своих телескопа на однородный источник света, такой как пасмурное небо, то один с меньшим f-отношением будет освещать данную область сенсора камеры больше, чем тот, у которого больше f-отношение.

Теперь вы можете подумать, что я здесь придираюсь. Конечно, если более низкий коэффициент f освещает датчик больше, то любой объект, который вы пытаетесь сфотографировать, будет казаться вашей камере ярче, и, таким образом, вы сможете получить более короткую экспозицию? И да и нет; изображение будет ярче, но это не обязательно означает, что вы можете сделать более короткую экспозицию.Потерпите меня, пока мы немного исследуем f-соотношения, и мы вернемся к этому моменту позже в серии …

F-соотношения и освещение

Во-первых, давайте посмотрим, сколько света вы получаете при каждом соотношении f. На приведенном ниже графике показано, сколько света на минус упадет на заданную область (скажем, на пиксель в датчике камеры) при увеличении f-отношения. Я произвольно выбрал f / 2 в качестве точки наблюдения и назвал это 100%, а затем показал, какой процент света будет падать на ту же область на датчике камеры, когда мы увеличим f-ratio.

Простое правило состоит в том, что каждый раз, когда вы удваиваете f-ratio, вы получаете четверть света предыдущего отношения.

Таким образом, для f / 4 мы получаем 25% света f / 2 в той же области, а для f / 8 мы получаем 25% света f / 4 и, таким образом, 6,25% света f / 2 ( четверть четверти).

Имейте в виду, что я произвольно начал с f / 2, но это соотношение применимо к любой серии соотношений f. Таким образом, f / 10 даст вам четверть освещения f / 5, а f / 6 даст вам четверть освещения f / 3.

F-отношения и диафрагма

Есть два способа изменить f-отношение нашего телескопа (или объектива). Один из способов — изменить f-соотношение, изменив диафрагму и сохранив фокусное расстояние одинаковым. Я проиллюстрировал это ниже:

Допустим, у нас есть телескоп с фокусным расстоянием 800 мм. Если у нас диафрагма 400 мм, то это диафрагма f / 2, но если мы уменьшим диафрагму до 200 мм, она станет диафрагмой f / 4, а если мы дополнительно уменьшим диафрагму до 100 мм, то она станет f / 8.

Что касается освещенности, соотношение такое же, как мы исследовали для f-отношений выше — уменьшите диафрагму вдвое (при сохранении того же фокусного расстояния), и вы получите четверть освещения . Здесь нет никакой магии, это простой вопрос геометрии.

Уменьшение диафрагмы объектива вдвое снижает его светосилу до четверти от исходной. Одна четверть света, попадающего в переднюю часть прицела, равна одной четверти света, выходящего из задней части, равна одной четверти освещенности (при условии, что мы сохраняем фокусное расстояние на таком же фокусном расстоянии ).

Например, апертура 200 мм имеет площадь 31 416 мм ² (pi x радиус ² ). Апертура 100 мм покрывает 7 854 мм ² . 7,854 / 31,416 = 0,25 (т.е. одна четверть площади).

Примечание: телескопы имеют фиксированную апертуру, поэтому, если вам нужна диафрагма большего размера, вам придется купить больший прицел. Объективы фотоаппаратов имеют диафрагму, которая позволяет увеличивать или уменьшать диафрагму по мере необходимости. Если вы фотограф, ищущий свой первый телескоп, легко попасть в ловушку предположения, что более быстрое соотношение f всегда означает больше света, хотя на самом деле это может быть связано с фокусным расстоянием…

Соотношение F и фокусное расстояние

Второй вариант изменения светосилы — это изменение фокусного расстояния при сохранении постоянной диафрагмы.По освещенности происходит следующее:

Итак, если у нас есть фиксированная диафрагма 200 мм и фокусное расстояние 400 мм, у нас есть система f / 2. Увеличение фокусного расстояния до 800 мм дает нам f / 4

В этом случае соотношение таково, что если вы увеличите фокусное расстояние вдвое, вы получите четверти освещения . Опять же, это простой вопрос геометрии, как вы можете видеть на иллюстрации ниже:

Мы отображаем объекты, находящиеся на бесконечности, поэтому удвоение фокусного расстояния вашего прицела или объектива также удвоит «увеличение».Изображение прямой линии длиной 1 мм на датчике камеры с фокусным расстоянием 500 мм будет иметь длину 2 мм, если вы увеличите фокусное расстояние до 1000 мм (левая часть рисунка выше).

Но нас беспокоит, сколько света попадает в область . Таким образом, если 100% падающего света попадает в коробку размером 1 мм x 1 мм = 1 мм ² при фокусном расстоянии 500 мм, то он упадет в коробку размером 2 мм x 2 мм = 4 мм ² при фокусном расстоянии 1000 мм (середина рисунка).

Таким образом, при фокусном расстоянии 1000 мм у нас есть такое же количество света, падающего в 4 x 1 мм ² коробок, что означает, что четверть света попадает в каждую из 1 мм ² коробок, как падала в исходных 1 мм ^{2 Коробка} при фокусном расстоянии 500 мм (правая сторона иллюстрации).

В реальном мире нас беспокоят поля — это пиксели на сенсоре нашей камеры. Удвоив фокусное расстояние, мы помещаем четверть падающего света на каждый пиксель.

Примечание 1. На самом деле мы не визуализируем объекты, которые бесконечно далеки, но они настолько близки к бесконечности, что не имеет практического значения для оптики вашего телескопа или объектива.

Примечание 2: Подгонка изображения галактики размером в сотни тысяч световых лет на датчик 20 или 30 мм в поперечнике вряд ли можно считать увеличением! Когда мы используем термин «увеличение» в этом контексте, мы действительно должны сказать, что мы увеличиваем видимое угловое разделение элементов изображения.

Фокусное расстояние очень важно, поскольку оно выходит из строя, когда мы начинаем работать с точечными источниками. Точечный источник — это все, что:

• Имеет угловой размер, который слишком мал, чтобы его мог разрешить ваш телескоп; звезд , безусловно, подходят под это определение.
• Разрешается вашим телескопом, но не камерой из-за больших пикселей сенсора или короткого фокусного расстояния, то есть свет от объекта полностью падает на один пиксель камеры.(Мы вернемся к этому во второй части).

В случае точечного источника фокусное расстояние не имеет значения; Яркость объекта на датчике камеры полностью определяется апертурой прицела. Другими словами, вы не можете сделать его ярче, уменьшив фокусное расстояние (тем самым уменьшив «увеличение») — оно уже настолько мало, насколько возможно.

Наблюдатели среди вас могут заметить, что два метода изменения f-отношения имеют очень разные последствия.Увеличение диафрагмы приводит к более низкому («более быстрому») коэффициенту f за счет сбора большего количества света, тогда как уменьшение фокусного расстояния приводит к тому же за счет сжатия изображения и, таким образом, концентрации того же количества света на меньшей площади.

Таким образом, телескоп с диафрагмой 200 мм и фокусным расстоянием 2000 мм и телескоп со светосилой 100 мм и фокусным расстоянием 1000 мм имеют диафрагму f / 10. Первый соберет в четыре раза больше фотонов, чем второй, за то же время, но он также распределит их по площади, которая в четыре раза больше.Если мы используем одну и ту же камеру на обоих телескопах, пиксели сенсора будут получать одинаковое количество фотонов в каждом случае.

Значит, один прицел с диафрагмой f / 10 ничем не хуже другого, не так ли? Не обязательно:

• Во-первых, прибор с более коротким фокусным расстоянием проецирует изображение половинного размера на датчик вашей камеры, и, таким образом, результирующее изображение цели будет состоять из четверти пикселей. Важно это или нет, зависит от размера пикселей вашей камеры.
• Во-вторых, качество вашего изображения может быть лучше или хуже в зависимости от яркости вашей цели, яркости неба и количества шума чтения, создаваемого вашей камерой.

Прежде чем делать некоторые выводы, мы рассмотрим эти проблемы более подробно во второй части данной серии статей.

Астрофотография, пиксель за пикселем: Часть 2 — Оптика Cloud Break

Астрофотография, пиксель за пикселем: Часть 2

Добро пожаловать во вторую часть этой серии блогов «Астрофотография, пиксель за пикселем». Для быстрого обзора того, на чем мы остановились, вы можете найти первую часть этой серии здесь. Было бы полезно рассмотреть рассматриваемые концепции, такие как глубина скважины, квантовая эффективность и влияние различных размеров пикселей.Мы будем опираться на эти основы и перейдем к некоторым дополнительным деталям и нюансам различных систем визуализации. Так что хватайтесь за ведра, и давайте вернемся к одному пикселю!

ФОКУСНОЕ СООТНОШЕНИЕ ЭФФЕКТЫ

Для визуальной астрономии диафрагма — главное. Чем больше апертура вашего телескопа, тем больше у него светосила и тем более мелкие детали он может разрешить. Хотя в астрофотографии нельзя полностью игнорировать диафрагму, часто нас больше волнует фокусное отношение телескопа.Фокусное отношение является безразмерным числом, и его можно найти, разделив фокусное расстояние телескопа на апертуру.

Например, если телескоп имеет апертуру 80 мм и фокусное расстояние 500 мм, то фокусное отношение прицела будет 500 мм / 80 мм = f / 6,25. Мы можем увидеть влияние этого изменения, если изменим одно или другое из этих измерений за раз. Скажем, мы сохраняем диафрагму 80 мм, но увеличиваем фокусное расстояние до 800 мм. Наше фокусное отношение становится f / 10. Если мы сохраним фокусное расстояние постоянным на уровне 500 мм, но увеличим диафрагму до 125 мм, тогда фокусное отношение станет f / 4.

Что ж, это неплохая математика для наших ведер! Давайте применим эту идею к нашей аналогии. Когда наши ведра стоят на лужайке и собирают дождь, они просто собирают столько дождевой воды, сколько выпадет на их точное место. Но что, если бы мы могли увеличить скорость, с которой наши ведра собирают воду? Это именно то, что делает телескоп. Вспомните, что в этой аналогии каждое ведро — это один пиксель, а наш массив всех ведер — это весь датчик камеры, а входящая дождевая вода — это свет, исходящий от нашего астрономического объекта, который мы отображаем.Телескоп действует как большая воронка: за определенный период времени он собирает больше света, чтобы поместить его на датчик.

(Рисунок 1: Чип камеры без прицела)

(Рисунок 2: Чип камеры с телескопом или объективом)

Если диафрагма важна для визуальной астрономии, то почему в астрофотографии мы больше заботимся о соотношении диафрагмы? Самый короткий ответ на вопрос, почему мы так заботимся о фокусном соотношении, заключается в том, что f / ratio — это то, что определяет, сколько света падает на каждый из наших пикселей.Мы определенно хотим максимизировать количество света, собираемого каждым пикселем, поскольку объекты, которые мы отображаем, сравнительно тусклые, и чем ниже соотношение f /, тем больше света попадает на каждый пиксель. Давайте уменьшим размер нашего сенсора по сравнению с предыдущим и посмотрим, что произойдет, если мы изменим одну часть нашей системы визуализации за раз, которая влияет на фокусное отношение.

Возьмите следующую диаграмму в качестве отправной точки. Как мы видим, мы по-прежнему собираем больше света (дождя) на наш датчик (все наши ведра в массиве), чем без прицела вообще.Теперь давайте изменим некоторые измерения в этой отправной точке, чтобы увидеть их влияние.

(Рисунок 3: Базовый уровень фокусного отношения)

Начнем с того же фокусного расстояния, но увеличим апертуру телескопа. Это приведет к более низкому соотношению диафрагмы (напомним, что диафрагма — это фокусное расстояние, разделенное на диафрагму), или к системе, которая собирает больше света для датчика за то же время. Каждая пиксельная корзина становится светлее по сравнению с базовым примером.

(Рисунок 4: Большая диафрагма, меньшее фокусное отношение)

Должно быть ясно, что движение в другом направлении (сохраняя фокусное расстояние таким же, но уменьшая диафрагму) приводит к более высокому соотношению f /, что является более медленной системой, потому что меньше света попадает на каждый пиксель при том же количестве время.

Так как насчет изменения другого измерения, связанного с фокусным отношением? Давайте посмотрим, что происходит, когда мы сохраняем диафрагму, но увеличиваем фокусное расстояние.Это приводит к более высокому значению диафрагмы и более медленной системе. Это может быть немного менее интуитивно понятно, но, сохраняя отверстие таким же, но в основном увеличивая расстояние, мы приближаем систему к вертикали. Совершенно «вертикальная» система была бы такой же, как отсутствие телескопа, помогающего вам собирать свет на датчике.

(Рисунок 5: Большее фокусное расстояние, более высокое фокусное отношение)

Вывод из всего этого заключается в том, что мы хотим иметь быстрый телескоп для астрофотографии, потому что он позволяет нам быстрее собирать свет.Это позволяет нам либо получить больше света за ту же продолжительность кадра, либо мы можем уменьшить продолжительность экспозиции, чтобы собрать эквивалентное количество света, как система с более медленным фокусным соотношением, что облегчает нагрузку на нашу систему обработки изображений.

https://i.pinimg.com/originals/d9/ef/d5/d9efd58c8753c9d7d100c629bc8ae8a0.jpg

(Рисунок 6: Фокусное соотношение и продолжительность экспозиции)

Каждое полное изменение диафрагмы помогает (или вредит) вашему отношению сигнал / шум на 41%.В конечном счете, именно поэтому в астрофотографии мы так сильно заботимся о фокусном соотношении. Я бы предпочел получить недостаточную выборку с системой с низким фокусным расстоянием. Если вы хотите оптимизировать вашу систему визуализации, выбирайте как можно меньшее значение f / ratio!

Есть еще один аспект, который следует учитывать здесь с этим увеличением на 41% и эффектами фокусного отношения: все вышеперечисленное предполагает прямой оптический путь, как в рефракторных телескопах. Поэтому я задаю открытый вопрос: что, по вашему мнению, произошло бы, если бы было центральное препятствие, такое как на телескопе Шмидта-Кассегрена или в телескопе Ньютона? Мы будем рады услышать ваши мысли в разделе комментариев.

Takeaways

1) Фокусное отношение (f / ratio) имеет большее значение, чем диафрагма для астрофотографии (хотя диафрагму нельзя полностью игнорировать)

2) Стремитесь к установке редуктора с низким передаточным числом

Вы можете продолжить чтение следующей части этой серии здесь.

RP Photonics Encyclopedia — число f, светопропускная способность, фокусное расстояние, глубина резкости, рабочее число f

   
 Статья о f-номере  
 в  
 Энциклопедия фотоники RP   

   
  alt = "article">   

  * [https://www.rp-photonics.com/f_number.html 
, статья о «f-числе» в энциклопедии RP Photonics]