Как размер сенсора влияет на минимальный размер переднего элемента для данной диафрагмы и фокусного расстояния?

Question

Влияет ли размер датчика на необходимый размер переднего элемента с учетом фокусного расстояния и диафрагмы? Моя интуиция говорит мне, что больший круг изображения потребует большего переднего элемента, чтобы поддерживать ту же «плотность света», но я не могу понять, каково точное соотношение.

Answer 1

Как размер сенсора влияет на минимальный размер переднего элемента для данной диафрагмы и фокусного расстояния?

Влияет на ширину угла, с которого входной зрачок должен быть виден при взгляде через переднюю часть объектива.

Влияет ли размер датчика на необходимый размер переднего элемента с учетом фокусного расстояния и диафрагмы?

Это влияет на ширину угла, с которого входной зрачок должен быть виден при взгляде через переднюю часть объектива.

Для большинства практических конструкций линз это означает больший элемент при использовании аналогичных материалов с аналогичными показателями преломления и схожими формами для построения передних элементов линз.

Что, вы можете хорошо спросить, является входным зрачком? Это в основном отверстие диафрагмы, если смотреть через переднюю часть объектива. Размер физической апертуры обычно увеличивается (либо отрицательно, либо положительно - т.е. уменьшается в размере или увеличивается в размерах) с помощью линзовых элементов между передней частью линзы и физическим расположением апертуры. Фактический физический размер апертурной диафрагмы не используется для вычисления f-числа. Размер входного зрачка, иногда называемый эффективной апертурой , - это то, что фактически используется.

Моя интуиция говорит мне, что больший круг изображения потребует большего переднего элемента, чтобы поддерживать ту же «плотность света», но я не могу понять, каково точное соотношение.

Больший передний элемент не требуется для поддержания плотности света в областях сцены, которые захватываются комбинацией объектива и датчика. Density Плотность света поддерживается входным зрачком, который имеет одинаковый размер для обеих линз .¹ Более крупный передний элемент необходим для сбора света при том же увеличении с достаточно широким углом обзора, чтобы обеспечить круг изображения, достаточно большой, чтобы охватить датчик большего размера.

Когда оба имеют одинаковое фокусное расстояние и число f, объективы для более крупных датчиков не собирают больше света из того же поля зрения, что и объективы для более мелких датчиков. Они собирают «больше» света только в той же пропорции, с точки зрения площади, к соответствующим размерам полей обзора, необходимых для двух соответствующих линз .²

Учитывая ту же самую точную сцену, объектив для большего датчика будет собирать такое же количество света от центра его поля зрения, которое равно общему полю зрения объектива для меньшего датчика. ¹ Не только будет ли количество света, «собранного» из этой части поля зрения объектива, таким же, но размер виртуального изображения, проецируемого на датчик объектов в сцене, находящихся в поле зрения объектива, будет таким же необходим для меньшего датчика.

Но объектив для датчика большего размера также будет "собирать" свет от частей его требуемого поля зрения, которые не находятся в пределах требуемого поля зрения объектива для меньшего датчика. Вот где "больше света" «собирает» происходит из - более широких частей сцены, которые потребуются для обеспечения круга изображения, достаточно широкого, чтобы покрыть больший сенсор .²

Когда некоторые люди запутываются, когда мы видим два изображения, снятые с одинаковых позиций съемки с помощью камер с датчиками двух разных размеров, использующих объективы с одинаковым фокусным расстоянием, с одинаковым размером дисплея. Причина, по которой одни и те же объекты выглядят крупнее на изображении от меньшего датчика, заключается не в том, что объектив с одинаковым фокусным расстоянием увеличивает эти объекты больше. Это не так. Оба объектива проецируют одни и те же объекты на соответствующие датчики одного и того же размера. Это связано с тем, что мы увеличили размер изображения, собранного меньшим датчиком, чтобы отобразить его в том же размере, что и изображение, полученное большим датчиком.

Если мыПри увеличении изображений с обоих датчиков на один и тот же коэффициент увеличения изображение с большего датчика будет больше, чем изображение с меньшего датчика. Например, если мы увеличим изображение с полнокадрового (FF) датчика, чтобы просмотреть его с разрешением 18x12 дюймов, и используем такое же значение увеличения (12,7X) для изображения с 1,5-кратной камеры APS-C, мы будем просматривать Второе изображение размером 12х8 дюймов. Объекты на обоих изображениях будут одинакового размера, когда изображение FF будет просмотрено в разрешении 18x12, а изображение APS-C будет просмотрено в разрешении 12x8.¹ Если затем мы поместим изображение 12x8 с камеры APS-C на середину изображения 18x12 с камеры FF они будут совпадать, и она будет выглядеть так же, как изображение с датчика FF до того, как мы наложили изображение от меньшего датчика на его центр (если оба объектива используют проекции одного типа и не имеют геометрических искажений ) .¹ Но когда мы видим изображение с камеры APS-C с разрешением 18x12 дюймов, мы использовали коэффициент увеличения 19,05X для изображения APS-C по сравнению с коэффициентом увеличения 12,7X для просмотра изображения FF с разрешением 18x12 дюймов. Больший размер тех же объектов на изображении APS-C, видимом в 18x12, по сравнению с изображением с камеры FF, видимым в 18x12, не возникает из-за разницы в объективах или датчиках, чем больше размер тех же объектов, результат нашего более высокого коэффициента увеличения. ¹

Ключом к пониманию разницы между светом, который необходимо «собрать» для большого и меньшего датчика с объективами с одинаковым фокусным расстоянием и диафрагмой, является понимание того, что плотность света будет одинаковой для обоих объективов. это угол обзора , который должен быть больше для датчика большего размера. Части сцены, которые необходимы для обоих датчиков, будут проецироваться обеими линзами (с одинаковым фокусным расстоянием) одинакового размера. ¹ Но объекты, которые находятся на периферии, непосредственно за пределами требуемого угла обзора меньшего датчика, должны будут будет проецироваться на датчик большего размера объективом для датчика большего размера. Таким образом, передняя часть объектива для датчика большего размера должна быть способна собирать свет с более широкого угла обзора, чем передняя часть объектива с таким же фокусным расстоянием. нужно собрать для меньшего датчика.

Это довольно легко наблюдать. Просто сравните довольно широкоугольный объектив для датчика FF рядом с объективом с таким же фокусным расстоянием, например, для датчика Micro Four Thirds, который в два раза меньше линейного и в четыре раза больше по площади. Для нашего примера мы будем использовать 17 мм f / 4.

Объектив 17 мм с кругом изображения, достаточным для покрытия датчика µ4 / 3, должен обеспечивать угол обзора 52 °.
Объектив 17 мм с кругом изображения, достаточно большим, чтобы покрыть датчик FF, должен обеспечивать угол обзора 104 °.

С любого угла в поле зрения каждой линзы (для соответствующих размеров датчиков) входной зрачок имеет одинаковый размер для того же числа f.

Объектив 17 мм f / 4 FF имеет входной зрачок шириной 4,25 мм.
Объектив 17 мм µ4 / 3 имеет входной зрачок шириной 4,25 мм.

Нет разницы в размере каждого входного ученика. Разница заключается в том, что объективу µ4 / 3 необходим только достаточно широкий передний элемент, чтобы входной зрачок можно было видеть в любом месте в пределах конуса 26 ° от центра оптической оси объектива. Это дает объективу угол обзора 52 °. Объектив FF, с другой стороны, должен иметь конус с двойным углом. Передний элемент для этой линзы должен быть достаточно большим или иметь более высокую преломляющую способность, чтобы входной зрачок был виден под углом 52 ° от центра оптической оси линзы. Это дает объективу угол обзора 104 °.

_{¹ Для одной и той же сцены при одинаковом освещении, одинакового положения камеры, одинакового фокусного расстояния и одинакового числа f.}

_{² При наличии одной и той же сцены при одинаковом освещении, которая является постоянной во всем поле зрения, одинаковое положение камеры, одинаковое фокусное расстояние и одно и то же число f.}

Answer 2

Объектив камеры проецирует круговое изображение внешнего мира на поверхность пленки или цифрового датчика. Полученное изображение будет самым ярким и четким в центре. Это падение изображения обычно называют виньеткой. Пленочная камера, загруженная негативной пленкой, имеет преимущество. Получающийся отрицательный показывает виньетку. Теперь, когда мы печатаем этот негатив проекцией, используя увеличитель, его линза также виньетирует. Я описываю негативную / позитивную систему. Это имеет тонкое преимущество в том, что виньетка камеры и виньетка увеличителя часто встречаются. Истинно при печати негатива, но виньетка усиливается при печати позитива (слайда) на бумаге с разворотом Цифровая система отображает усиление, если не настроено программным обеспечением.

Оптическая виньетка имеет много ингредиентов. Основная ответственность связана с геометрией того, как изображение проецируется объективом камеры. Края проекции находятся дальше от объектива, чем от центра. Закон обратного квадрата берет свое, края получают меньше света. Свет, который играет на пленке или сенсоре по краям, попадает под углом. Оглядываясь на объектив от границ, мы видим овальное отверстие, а не круг. Овальная апертура имеет меньшую площадь поверхности, поэтому на границах играет меньше света. Подумайте о луче фонарика, мертвого, это круг. Держите фонарик под углом, и он играет как овал, и он менее яркий. Это называется «ошибка знака».

Широкоугольный объектив больше всего страдает от отсутствия однородности поля. Однородность широкоугольного объектива можно улучшить, если каким-либо образом установить объектив подальше от пленки или цифрового датчика. Увеличенный задний фокус умерит угол приходящего света на границах. Широкие углы, таким образом, построены с увеличенным задним фокусом. Перевернутый телефото дизайн делает этот трюк. Точкой измерения фокусного расстояния является задний узел. Если телеобъектив перевернут, мы получим широкоугольный плюс, задний узел смещен вперед. В результате получается более длинный задний фокус и большая однородность изображения.

Если широкоугольный элемент не предназначен для обеспечения более высокой однородности, угол обзора 70 ° приведет к потерям, разница между центром и полем составит более 45%. Мы также говорим о потере остроты на границах.

Чтобы получить более равномерный охват и остроту, задний фокус удлиняется. Цилиндр объектива сконструирован таким образом, что он дает четкое представление, без затенения полного диаметра линз. Симметричные линзы со средней апертурой обеспечивают большие круги хорошего разрешения. Чтобы получить больший круг хорошего определения, разработчик объектива пожертвует поправками для промежуточных зон (немного вне оси), чтобы получить улучшенное предельное определение. Другими словами, хороший объектив - это серия компромиссов.

Answer 3

Простой ответ, который хочет получить этот респондент, был разработан инженерами Zeiss в Йене до Второй мировой войны. Чтобы получить М = 1, фокусное расстояние объектива должно быть равно диагонали размера сенсора. Итак, с точки зрения пленки, пленка 35 мм имеет размер изображения (датчика) 36 мм х 24 мм. Диагональ = sq rt (36 ^ 2 + 24 ^ 2) = 43 мм, точно фокусное расстояние первого 35-мм объектива камеры. Доверие в мире к тому, чтобы назвать 50-мм объектив «стандартом», фактически дало М = 1,16.