Ослабление света - до поверхности объектива, фокального центра или датчика камеры?

Question

Предисловие: если для этого вопроса есть подходящий форум, пожалуйста, направьте меня. Я подумал, что было бы лучше размещать в фотографиях, а не в физике, как некоторые из вас, возможно, уже изучили эту конкретную проблему. Спасибо.

Здравствуйте,

Меня интересует физическая сторона вещей. Допустим, я расположил камеру на расстоянии 25 см от идеальной лампочки 4 Вт (все 4 Вт идут на электромагнитное излучение, и мы не будем различать видимый и ИК / УФ-спектры). Предположим, что расстояние измеряется от нити накала лампы до поверхности датчика камеры. Если говорить о чем-то конкретном, скажем, это Canon 5D Mk4 с объективом Zeiss Milvus 2/35 . Фокусное расстояние фланца составляет 4,4 см, а длина линзы до переднего стеклянного элемента - около 8,5 см.

Мой вопрос: когда свет проходит от колбы к стеклу, он теряет плотность (извините, что у меня нет правильной терминологии). Однако, как только он входит в систему линз, процесс продолжается в той или иной форме? Или весь свет передается в круг изображения? Я не рассматриваю такие факторы, как виньетирование и пропускание стекла в этом случае. В конце я хотел бы иметь возможность оценить количество энергии, которая достигает моего датчика, зная расстояние до источника света и его начальную яркость и т. Д.

Ниже мое первоначальное понимание вопроса; однако, это может быть на 100% неправильно во всех аспектах. Вы можете смело игнорировать это.

Если бы я хотел рассчитать количество света, попадающего на датчик, с разумной точностью соблюдая закон обратных квадратов, я бы использовал расстояние до поверхности линзы или до поверхности датчика? Или что-то еще, например, фокусный центр объектива? Разница в ~ 12 см на этом расстоянии довольно значительная. Я предполагаю, что соответствующей мерой является входной зрачок линзы. Возможно, это должен быть весь лобовой стеклянный элемент?

Я не могу измерить входной зрачок, но давайте предположим, что его диаметр составляет 1 см. Площадь будет ~ 3,14 см ^ 2 (или 0,000314 м ^ 2), что должно быть достаточно близко. Конец объектива находится на расстоянии около 13 см (0,13 м) от источника света. Исходя из этого, легко рассчитать, что входной зрачок линзы получает около 0,15% от общего света, излучаемого лампочкой, или 0,006 Вт. Между тем, если бы наконечник объектива был расположен на расстоянии 25 см от лампочки, он получал бы только 0,04% или 0,0016 Вт. Почти в 4 раза меньше.

Но наконечник расположен на расстоянии 13 см от источника света. Мой вопрос: продолжает ли свет рассеиваться в объективе? Является ли «расстояние» внутри объектива таким же, как его физическая длина, или оно как-то расширено или сжато? Или вся энергия, которая поступает в Ученик Входа, передается в образный круг? Или, может быть, я ошибаюсь во всем с самого начала?

Answer 1

Как правило, в радиометрии вы пытаетесь свести объект к точечному источнику или однородному излучателю некоторой примитивной геометрии (диск, квадрат и т. Д.). Мы скажем, что вы достаточно далеко, чтобы лампочка вела себя как точечный источник.

Из закона обратных квадратов вы обнаружите, что при контакте с колбой существует бесконечная мощность, а при очень большом расстоянии от колбы - бесконечно малая. Это не потеря энергии, просто распространение энергии. Когда вы собираете часть энергии с помощью линзы, есть два случая - один - «коллимировать» ее (заставить ее перемещаться по прямым линиям), и в этом случае плотность энергии теперь постоянна как функция пройденного расстояния или проецируется это к фокусу. Ваш объектив камеры делает последнее. Поскольку вы хотите игнорировать вторичные эффекты, такие как передача, линза является идеальным коллектором и проецирует всю мощность на бесконечно малое место на сенсоре с бесконечной плотностью энергии (то есть Вт / см ^ 2 = ∞).

Суть вашего вопроса в том, где именно линза собирает энергию, и насколько велика эта вещь.

Начиная сверху, передний элемент объектива используется для всего поля зрения. Особенно в широкоугольных объективах, это не все используется точечным источником. Возьмем объектив «рыбий глаз», в котором передний элемент огромен, но если вы посмотрите через него, яркий круг, который вы видите, будет довольно маленьким. Этот яркий круг, который вы видите, является апертурой, собирающей свет от бесконечного числа точечных источников, таких как ваша лампочка.

Эта апертура, вероятно, является виртуальной (то есть вы не можете ее коснуться) и называется Входной зрачок (EP). Это изображение остановки диафрагмы, видимой через все линзы перед ней. EP собирает свет, поэтому, чтобы определить, сколько линз собирает ваш объектив, вам нужно знать его размер и местоположение.

Если ваш объект находится очень далеко, разница между расположением EP и местоположением плоскости изображения, вероятно, является небольшой «коррекцией». Его размер также можно рассчитать как простое соотношение фокусного расстояния и F / #. Так что для вашего примера 35/2 это 17,5 мм в диаметре. Это неточно, потому что F / # на бочке - маркетинговая цифра, и она может быть в любом месте от F / 1.9 до F / 2.3 или около того, без того, чтобы поставщик нарушил требования CIPA, которые соответствуют ISO 517. F / # также только для объекта на бесконечности, и рабочий F / # больше. Это различие также известно в сообществе фотографов как эффект сильфона.

Вы также можете довольно легко измерить размер и местоположение EP. Положите объектив перед листом бумаги и, используя макрообъектив, сделайте снимок его апертуры. Не регулируя фокус, сфотографируй линейку. Вычислите масштаб пластины (мм / px), а затем возьмите диаметр отверстия в px и рассчитайте его диаметр в мм. Если известно увеличение (и оно известно с очень высокой точностью - линейка и размер пикселей в микронах позволяют рассчитать это), вы можете определить общую длину дорожки системы формирования изображения. Это позволяет рассчитать расстояния от датчика камеры, который является достаточно хорошо расположенным датумом.

Answer 2

Свет от точечного источника подчиняется закону обратного квадрата. Применяя этот принцип, вы можете рассчитать лучистую энергию, которая играет на поверхности линзы. Теперь объектив камеры действует как воронка, собирая свет. Количество световой энергии, которая проходит через линзу, зависит от нескольких дополнительных факторов. Площадь рабочей поверхности (апертура) объектива - это прежде всего. Мы говорим о доступной площади поверхности (области захвата). Чем больше площадь апертуры, тем больше света собирается.

Теперь задача объектива - проецировать изображение внешнего мира на плоскую поверхность пленки или цифровой датчик изображения. Когда этот свет проходит через линзу, энергия света теряется из-за того, что различные элементы линзы не являются безупречно прозрачными. Кроме того, объектив камеры представляет собой массив, состоящий из нескольких элементов объектива. Такая схема необходима для уменьшения семи оптических аберраций, которые чумы. Каждый элемент имеет две полированные поверхности, которые отражают свет. Покрытие линзы уменьшает потери света; тем не менее, 2% или более будут потеряны на элемент.

Яркость проецируемого изображения в фокальной плоскости сильно зависит от расстояния от объектива до изображения (фокусное расстояние). Каждое удвоение фокусного расстояния приводит к 2-кратному изменению размера проецируемого изображения. Каждое 2-кратное изменение приводит к 4-кратному изменению площади поверхности изображения. Дельта (изменение) имеет величину 4X. В других мирах удвоение фокусного расстояния вызывает изменение яркости изображения в 4 раза.

Изображение самое яркое в центре. Когда вы осмотрите яркость изображения вне оси, вы обнаружите падение, называемое виньеткой. Виньетка имеет два основных участника. В центре изображения отверстие объектива представляет собой круглое отверстие. Внеосевой вид показывает, что апертура выглядит эллиптической и, следовательно, имеет меньшую площадь поверхности - поэтому она пропускает меньше света.

Объектив дает изображение, которое состоит из множества крошечных точек света. В центре этого изображения эти точки являются круглыми. На границах эти точки являются эллипсами. Энергия света, передаваемая этими эллипсами, сокращается из-за того, что они достигают наклонного угла.

Есть более смягчающие факторы, чем упомянуто. Все это делает ваш метод учета энергии, получаемой на плоскости изображения, более пугающим.

Answer 3

Я думаю, что расстояние от источника света до переднего объектива будет точно соответствовать закону обратного квадрата, если свет исходит из точки. Если световые лучи исходят из широкого источника или если входящие световые лучи не являются однонаправленными, точность вычисления уменьшается.

Когда свет проходит через группу элементов передней линзы, сила преломления отрицает закон обратного квадрата. Это связано с тем, что фактический диаметр относительно видимого диаметра упора диафрагмы отличается.

Это может быть весьма полезно в случае зум-объектива. Зум-объектив подвергается усилению или снижению яркости изображения при изменении фокусного расстояния. Для смягчения передняя группа линз меняет свое расстояние до упора диафрагмы в соответствии с увеличением. Результат есть; кажущийся диаметр упора изменяется в соответствии с увеличением. Это действие сохраняет яркость изображения почти во всех, если не во всех масштабах (с постоянной диафрагмой).

Дело в том, что для всех объективов кажущийся диаметр ограничителя диафрагмы отличается от фактического в зависимости от мощности группы вперёд ирисовой диафрагмы. Нижняя линия, один луч поперек переднего элемента, обратный квадрат отрицается.