Светосила объектива

Светоси́ла объекти́ва — величина, характеризующая степень ослабления объективом светового потока.

Иногда светосилой неправильно называют величину знаменателя относительного отверстия (диафрагменное число), так как светосила — характеристика самого объектива, а не связана с величиной диафрагмы, насадками в виде бленд, каше, светофильтров и т. п.

Численное выражение геометрической светосилы

Геометрическая светосила $J\!$ пропорциональна площади действующего отверстия объектива ${\pi \over 4} \cdot d^2$ (где $d\!$ — диаметр действующего отверстия), делённой на квадрат фокусного расстояния, то есть ${\pi \over 4}d^2 :f^2$, или ${\pi \over 4}\cdot\left({d \over f}\right)^2$. Следовательно, светосила объектива тем выше, чем больше его максимальное относительное отверстие.

Выразив ${d \over f}$ через ${1 \over K}$, где $K\!$ — диафрагменное число, получим:

$J={\pi \over 4} \cdot {1 \over K^2}$

Из формулы следует, что чем больше диафрагменное число, тем меньше освещённость кадра. Таким образом, диафрагмирование уменьшает освещённость кадра.

Для сравнения геометрической светосилы двух объективов необходимо брать отношение квадратов знаменателей максимальных относительных отверстий:

${K_2^2 \over K_1^2}=\left({K_2 \over K_1}\right)^2$

Например, геометрическая светосила объективов с максимальными относительными отверстиями 1:4 и 1:8 будет отличаться в ${8^2 \over 4^2}=4$ раза.

Учет светосилы при съёмке

Если объекты съёмки расположены от фотоаппарата не в фотографической бесконечности, а ближе, то освещённость оптического изображения уменьшается, так как сопряжённое фокусное расстояние, то есть расстояние от изображения до задней главной плоскости объектива, всегда больше его фокусного расстояния. В этом случае фактическая светосила объектива тоже уменьшается. До масштаба 1:10, что приблизительно соответствует расстояниям от объекта съёмки до фотоаппарата более десяти фокусных расстояний объектива, уменьшение светосилы в расчет не принимают. При репродуцировании в крупном масштабе и макрофотосъёмке уменьшение светосилы необходимо учитывать, так как оно влечет за собой увеличение выдержки для сохранения величины экспозиции (в современных фотокамерах изменение светосилы учитывается автоматически).

Эффективная светосила

Относительное отверстие объектива является геометрическим понятием и характеризует его светосилу только условно — без учёта оптических свойств линз объектива. При прохождении светового потока через объектив часть его поглощается массой стекла, а часть отражается и рассеивается поверхностью линз, поэтому световой поток доходит до светочувствительного элемента ослабленным. Светосила, учитывающая эти потери, называется эффективной светосилой.

Не следует путать эффективную светосилу с так называемой «эквивалентной светосилой», которая, якобы, приводит к единому значению светосилы для систем с различным кроп-фактором. Тем более, что термин «эквивалентная светосила» не имеет никакого физического смысла, и не встречается в специальной литературе.

Потери света в объективе

Потеря света, уменьшающая прозрачность $T\!$ объектива, определяется по формуле:

$T=(1-P)^n \cdot (1-\alpha)^m$,

где $P\!$ — доля света, теряемая при отражении одной поверхностью раздела сред;

$n\!$ — число поверхностей раздела воздух-стекло;

$\alpha\!$ — поглощение света 1 см стекла;

$m\!$ — суммарная толщина линз в объективе.

Величина $T\!$ называется коэффициентом светопропускания объектива.

В среднем, у непросветлённых объективов при прохождении света сквозь линзы световой поток ослабляется на 1 % на каждый сантиметр толщины стекла и на 5 % за счет отражения лучей на каждой поверхности раздела воздух-стекло. Среднее значение коэффициента светопропускания у непросветлённых объективов составляет 0,65, а у просветлённых — 0,9. Световой поток, проходя через непросветлённый объектив, ослабляется в среднем примерно на 1/3. У просветленных объективов световой поток ослабляется в среднем на 0,1, поэтому поправку в выдержку вносить необязательно. В настоящее время все объективы выпускаются просветлёнными.

Внутренние отражения света в объективе

Отраженные и рассеянные линзами объектива лучи света равномерно засвечивают светочувствительный элемент. Эти лучи уменьшают контраст оптического изображения. Снижение контраста происходит потому, что рассеянный свет для ярких участков изображения составляет очень небольшой процент, а для слабо освещённых — весьма значительный. Поэтому светорассеивание сильно уменьшает различие деталей в тенях и менее значительно в света́х.

Светорассеяние увеличивается при наличии царапин на линзах объектива и особенно при потертости их поверхности в центре, сильной запылённости, сколов стекла около оправы. Поэтому с фотографическими объективами необходимо обращаться бережно.

Аналогично действуют и лучи, рассеиваемые оправой объектива, диафрагмой, стенками фотоаппарата. Во избежании этого стенки объектива, оправы фильтра, профессиональных бленд и т. п. покрываются специальным составом, а другие элементы (например, корпус фотоаппарата), обычно, делают чёрным, что препятствует отражению от них света.

Типичные значения знаменателя максимального относительного отверстия объективов разных классов

Два объектива Canon EF с одинаковым фокусным расстоянием 85 мм, но разным максимальным относительным отверстием: слева 1:1.8, справа 1:1.2; у более светосильного объектива диаметр апертурной линзы больше.

• Мелкосерийный уникальный объектив для космической программы НАСА Carl Zeiss Planar 50mm f/0.7: 0,7.
• Leica Noctilux для дальномерной фотокамеры: 0,95
• Юпитер-3 для дальномерной фотокамеры (оптическая схема «зоннар»): 1,5
• Объективы с постоянным фокусным расстоянием для зеркальной фотокамеры: 1,2 — 4
• Цифровая автофокусная компактная камера: 2,0 — 5,6
• Вариообъектив среднего ценового диапазона для зеркальной фотокамеры: 2,8 — 4
• Недорогой вариообъектив для зеркальной фотокамеры: 3,5 — 5,6
• Автофокусная компактная фотокамера: 5,6
• Плёночная компактная фотокамера: 8 — 11

Литература

• Яштолд-Говорко В. А. Фотосъемка и обработка. Съемка, формулы, термины, рецепты. Изд. 4-е, сокр. М., «Искусство», 1977.
• Тамицкий Э. Д., Горбатов В. А. Учебная книга по фотографии., М., «Лёгкая индустрия», 1976