Большие фокусные расстояния захватывают больше света?

Question

Я никогда не понимал, что на самом деле означает f в значениях диафрагмы, например, f / 1.8. Википедия объясняет это в разных статьях, но я все еще нахожу это очень запутанным. Однако я понимаю, что это связано с фокусным расстоянием.

Должен ли я поэтому предположить, что большие фокусные расстояния захватывают больше света? Например, должен ли объектив 85 мм f / 1,8 захватывать намного больше света, чем, например, 24 мм f / 1,8?

Ссылки, подтверждающие мою путаницу:

Статья о апертуре продолжает утверждать:

Количество света, захваченного объективом, пропорционально площади апертура, равная:

Где f - фокусное расстояние, а N - число f.

Здесь упоминается «число f». Но статья о F-числе утверждает:

В оптике число f оптической системы выражает диаметр входного зрачка через фокусное расстояние объектива; Проще говоря, число f - это фокусное расстояние, деленное на «эффективный» диаметр апертуры.

Это кажется очень рекурсивным. Почему в статье с апертурой упоминается как фокусное расстояние, так и число f, если в последней статье утверждается, что число f уже обладает свойством фокусного расстояния?

Что здесь происходит?

Answer 1

Число f используется для обозначения количества света, которое может захватить объектив, поэтому 85 мм f / 1,8 и 24 мм f / 1,8 могут захватывать одинаковое количество. Здесь f равно фокусному расстоянию, а f / 1.8 означает, что максимальный диаметр диафрагмы составляет 47,2 мм в первом примере и 13,3 мм во втором.

Здесь необходимо учитывать, что 85-мм объектив имеет гораздо более узкое поле зрения, поэтому он должен собирать такое же количество света из гораздо меньшей области - чтобы компенсировать узкое изображение, диафрагма должна быть больше.

Насколько диафрагма должна быть больше, линейно связана с фокусным расстоянием. Можно сказать, что 24-миллиметровый объектив с апертурой 13,3 мм может собирать столько же света, сколько 85-миллиметровый объектив с апертурой 47,2 мм, но если говорить о числе F, это заметно легче заметить.

Answer 2

Терминология сбивает с толку, не так ли?

Число f объектива f / 1.8 просто 1.8 . Это дается N , а не f . f - это фокусное расстояние.

f / 1.8 буквально означает «фокусное расстояние, деленное на N ». Так что если вы обращаетесь к f / 1.8, это не число f, а фокусное расстояние, деленное на число f.

Чтобы объяснить уравнения далее:

Второе уравнение говорит, что фокусное расстояние f , деленное на диаметр апертуры d , представляет собой число f N . Или f / N = d . Таким образом, f / 1.8 буквально означает «фокусное расстояние, деленное на 1.8 (равно диаметру).

Если вы посмотрите на верхнее уравнение, так как f / N = d , тогда f / 2N должно быть d / 2 (и d / 2 - это половина диаметра, то есть радиус отверстия). И мы знаем, что площадь круга равна пи квадрат . То есть пи раз f / 2N в квадрате - это просто площадь отверстия апертуры.

Таким образом, одно уравнение сообщает вам диаметр отверстия апертуры, а другое использует базовую геометрию для вычисления области отверстия апертуры, которая представляет собой круг.

Answer 3

Я думаю, что путаница возникает из-за двух разных вещей: объяснения ошибочно объединяются в «количество света».

Истинное количество света, которое пропускает объектив, зависит только от площади апертуры. Поскольку площадь соответствует квадрату диаметра, это пропорционально квадрату диаметра.

Однако, что более важно для экспозиции, это не общее количество света, которое может собрать объектив, а яркость сфокусированного изображения, которое он производит. Это где фокусное расстояние оказывается вовлеченным. Допустим, у вас есть объектив 100 мм с диафрагмой диаметром 25 мм (или с регулируемой диафрагмой, установленной на 25 мм). Теперь сравните это с объективом 200 мм. Если объектив 200 мм также имеет апертуру 25 мм, он пропускает такое же количество света. Однако то же самое количество света, исходящего от объекта, теперь фокусируется вдвое больше, тем самым занимая в 4 раза большую площадь. Это означает, что объектив 200 мм с апертурой 25 мм создает изображение на 1/4 ярче (на 2 диафрагмы вниз) по сравнению с объективом 100 мм с такой же апертурой 25 мм.

Обратите внимание, что яркость сфокусированного изображения уменьшается с квадратом фокусного расстояния, но увеличивается с квадратом диаметра апертуры. Это означает, что если бы мы взяли соотношение двух, мы получили бы нормализованную меру того, насколько ярким будет сфокусированное изображение в целях экспозиции. Это соотношение именно то, что F-стопы. Они обычно пишутся как f / n, например, f / 8.0 или f / 11. Это просто выражение. Полное уравнение:

aperture = focallength / n

В первом примере объектива 100 мм с апертурой 25 мм, то есть:

25mm = 100mm / 4

Поскольку писать и говорить все время становится громоздко, и дело в том, что не нужно заботиться о том, каковы абсолютное фокусное расстояние и диафрагма, это сокращенно означает «f / 4», где «f» обозначает фокусное расстояние. длина объектива и «4» - это отношение этого фокусного расстояния к диаметру апертуры. Второй пример был:

25mm = 200mm / 8

или "f / 8". Помимо незначительных потерь света и других тонких эффектов, которые вы можете игнорировать большую часть времени, один объектив с диафрагмой, установленной на f / 8, будет создавать такое же изображение с фокусировкой яркости, что и другой объектив с f / 8 независимо от фокусного расстояния. Это также объясняет, почему длинные линзы имеют больший диаметр. Для объектива 50 мм требуется диафрагма 12,5 мм для достижения f / 4. С другой стороны, для объектива 300 мм требуется диафрагма диаметром 75 мм, чтобы получить изображение с той же яркостью для того же объекта. Это означает, что базовые физики говорят, что для достижения f / 4 необходимо, чтобы диаметр объектива 300 мм был как минимум 3 дюйма в диаметре.

Answer 4

Что означает f в значениях диафрагмы

f обозначает фокусное расстояние объектива. Линза f / 1.8 имеет диаметр входного зрачка D = f / 1.8. Линза 85 мм с диафрагмой f / 1,8 будет иметь диаметр входного зрачка 85 / 1,8 = 47,2 мм. Линза 24 мм будет иметь диаметр зрачка 24 / 1,8 = 13,3 мм. Поскольку количество света, проходящего через объектив, пропорционально площади входного зрачка, а последний пропорционален квадрату его диаметра, объектив 85 мм, по-видимому, будет собирать

(47,2 / 13,3) ^ 2 = (85/24) ^ 2 = 12,5

раз больше света. Однако это соображение справедливо только для количества света, собираемого из каждой отдельной точки объекта, а не для общего количества света, поступающего из пространства объекта.

Тот же номер f, та же экспозиция (независимо от f или D )

Одна вещь, которую я также использовал, чтобы вводить в заблуждение, состоит в том, что количество света, собираемого на сенсоре с одинаковой скоростью затвора разными объективами с одинаковым f-числом, одинаково. Как получится, если один объектив явно больше другого?

Вот иллюстрация того, что происходит в камере:

Для простоты предполагается, что объект находится на бесконечности, так что все лучи из одной и той же точки объекта идут параллельно друг другу. Сплошные красные лучи проникают в объектив параллельно его оси и все фокусируются в центре кадра. Синие пунктирные лучи параллельны друг другу, но не параллельны оси. Все они сосредоточены на краю кадра. Таким образом, размер кадра вместе с фокусным расстоянием объектива определяют поле зрения объектива.

(Обратите внимание, что, поскольку я сделал расстояние до объекта бесконечным, поле зрения в пространстве объектов составляет угловое .)

Если мы заменим объектив на объектив с более длинным фокусным расстоянием, сохранив при этом размер кадра, поле обзора объектива уменьшится:

Таким образом, хотя линза по-прежнему собирает одинаковое количество света от каждой точки в пространстве объектов, размер этого пространства меньше, поэтому общее количество света, достигающего пленки или детектора, уменьшается.

Это уменьшение пропорционально увеличению фокусного расстояния, т. Е. Количество света с таким же D уменьшается в коэффициент (f2 / f1) ^ 2. (Это квадрат, потому что мы должны учитывать уменьшение поля зрения в обоих направлениях.)

Если мы теперь увеличим D на f2 / f1, мы снова соберем старое количество света (так как оно пропорционально D ^ 2). Число f станет: D2 / f2 = [D1 * (f2 / f1)] / f2 = D1 / f1. Таким образом, если мы хотим собрать одинаковое количество света при изменении фокусного расстояния, нам нужно сохранить число f постоянным.

Размер рамки имеет значение

Последний интересующий параметр - это размер кадра. Возьмите компактную камеру с тем же объективом с цифровым номером, что и у полнокадровой зеркальной фотокамеры. Если размер объектива и датчика будет уменьшен пропорционально фокусному расстоянию, две камеры будут иметь одинаковое поле зрения. Компактная камера будет собирать меньше света, чем зеркальная, потому что ее объектив меньше. Тем не менее, он все равно будет давать то же значение экспозиции на датчике, поскольку экспозиция - это количество света на единицу площади .

Если две камеры имеют одинаковое разрешение, экспозиция будет одинаковой, но фактическое количество света на каждом пикселе будет больше с большей зеркальной камерой, что приведет к снижению шума.

Answer 5

Любой объектив с f / 2.8 должен обеспечивать одинаковое количество света для камеры. Некоторые линзы должны работать усерднее, чтобы туда добраться.

Это не технически точно, но я нашел, что лучший способ обойти мою точку f-stop - это думать о том, что он представляет количество потерянного света. Таким образом, при f / 2.8 вы теряете только в 2,8 раза больше света, в то время как при f / 11 вы теряете в 11 раз больше света. *

Телеобъектив по своей природе имеет дело с меньшим количеством света, чем широкоугольный объектив. Таким образом, чем тяжелее должен работать объектив, чтобы не потерять свет, тем больше стекла нужно, чтобы захватить как можно больше света, так что вы можете получить 55-250 ф / 4-5,6, который весит около 1 фунта и составляет 6-8 дюймов в то время как 70-200 мм f / 2,8 весит 6 фунтов и имеет длину более 12 дюймов.

* Это не так, как это работает с математической точки зрения, но это может помочь вам с практическим пониманием работы.