Апертура: определение и применение¶

Апертура (от лат. apertura — отверстие) — в оптике и смежных областях техники действующее отверстие оптической системы, определяемое размерами линз, зеркал или диафрагм, которое ограничивает поперечное сечение световых (или иных) пучков, проходящих через систему. Размер апертуры характеризует способность системы собирать свет и определяет её разрешающую способность.

¶Основные характеристики

Апертура описывается несколькими взаимосвязанными параметрами. Геометрическая (физическая) апертура — это фактический диаметр действующего отверстия, выраженный в единицах длины. Для характеристики светосилы объектива чаще используется относительное отверстие — отношение диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию системы. Эта величина обычно записывается в виде дроби (например, 1:2,8) или обозначается как f/2,8, где число после f показывает, во сколько раз фокусное расстояние больше диаметра апертуры.

Для количественной оценки светопропускания применяется шкала диафрагменных чисел. Каждая соседняя ступень шкалы изменяет количество проходящего света вдвое. Стандартный ряд значений: f/1,0; f/1,4; f/2,0; f/2,8; f/4,0; f/5,6 и так далее. Числовая апертура (NA), используемая в микроскопии и волоконной оптике, вычисляется как произведение показателя преломления среды на синус апертурного угла — половины угла конуса света, входящего в систему.

¶Виды апертур

В сложных оптических системах различают несколько типов апертур. Входной зрачок — это изображение апертурной диафрагмы, видимое со стороны пространства предметов; выходной зрачок — её изображение со стороны изображения. Апертурная диафрагма — это элемент (например, лепестки диафрагмы в объективе), который фактически ограничивает пучок лучей. Полевая диафрагма, напротив, ограничивает поле зрения системы.

Эффективная апертура учитывает потери света на отражение и поглощение в элементах системы, а также виньетирование — частичное затемнение краёв изображения. В системах с переменным фокусным расстоянием (трансфокаторах) различают относительную и абсолютную апертуру, поскольку при изменении фокусного расстояния относительное отверстие может меняться даже при неизменном физическом диаметре.

¶Апертура в фотографии

В фототехнике апертура — ключевой параметр экспозиции наряду с выдержкой и светочувствительностью. Изменение диафрагмы регулирует количество света, попадающего на матрицу или плёнку. Кроме того, размер апертуры напрямую влияет на глубину резкости: при открытой диафрагме (малых числах f) глубина резкости уменьшается, что позволяет отделить объект съёмки от фона; при закрытой диафрагме резким становится большее пространство.

Диафрагма также влияет на качество изображения. На полностью открытой диафрагме объектив часто даёт менее резкое изображение из-за аберраций; при сильном закрытии (например, f/16 и далее) проявляется дифракция, снижающая разрешение. Оптимальная резкость обычно достигается на средних значениях (f/5,6–f/11). Конструкция лепестков диафрагмы определяет форму боке — характера размытия нерезких областей: чем больше лепестков, тем ближе отверстие к окружности и тем мягче боке.

¶Апертура в астрономии и микроскопии

В телескопах апертура — главный параметр, определяющий способность прибора собирать слабый свет далёких объектов. Светособирающая мощность пропорциональна квадрату диаметра объектива или зеркала. Разрешающая способность телескопа также зависит от апертуры: теоретический предел разрешения (по критерию Рэлея) обратно пропорционален диаметру. Поэтому астрономы стремятся создавать инструменты с максимально возможной апертурой — от любительских рефракторов в 100 мм до гигантских зеркальных телескопов диаметром 8–10 метров и планируемых инструментов с апертурой 30–40 метров.

В микроскопии числовая апертура объектива определяет его разрешающую способность и яркость изображения. Максимальная полезная апертура ограничена показателем преломления среды между объективом и препаратом. Для увеличения апертуры применяется иммерсия — заполнение пространства маслом (n ≈ 1,5) или водой, что позволяет достичь значений NA до 1,4–1,5. Теоретический предел разрешения светового микроскопа, связанный с апертурой и длиной волны, составляет примерно 200 нанометров.

¶Апертура в других областях

Понятие апертуры используется не только в оптике. В радиотехнике и антенной технике апертура антенны — это площадь её раскрыва, определяющая коэффициент усиления и ширину диаграммы направленности. В акустике апертура относится к размеру излучающей или принимающей поверхности. В ускорительной физике говорят об апертуре ускорительной камеры — поперечном размере области, в которой могут двигаться частицы.

В вычислительной технике термин «апертура» применяется для описания характеристик систем рендеринга и трассировки лучей, где она моделирует глубину резкости. В цифровой обработке изображений апертурой называют функцию, описывающую форму чувствительного элемента или фильтра, используемого при интерполяции и антиалиасинге.

¶Влияние апертуры на качество изображения

Дифракционные эффекты накладывают фундаментальное ограничение на разрешающую способность любой оптической системы. Свет, проходя через круглое отверстие, образует дифракционную картину — центральное пятно Эйри, окружённое концентрическими кольцами. Радиус первого тёмного кольца определяется формулой θ = 1,22λ/D, где λ — длина волны, D — диаметр апертуры. Это означает, что увеличение апертуры всегда улучшает теоретическое разрешение, но одновременно требует более точного изготовления и юстировки оптических элементов.

Аберрации — сферическая, хроматическая, кома и другие — проявляются тем сильнее, чем больше апертура. Поэтому конструкции высокоапертурных объективов значительно сложнее: они содержат дополнительные корректирующие элементы, специальные сорта стёкол и асферические поверхности. В фотографических объективах с большой светосилой (f/1,2–f/1,8) применяются плавающие элементы и сложные многоэлементные схемы для поддержания качества изображения по всему полю кадра.

¶Апертура и экспозиция

В фотометрии апертура связана с освещённостью изображения квадратичной зависимостью: удвоение диаметра отверстия увеличивает освещённость в четыре раза. Освещённость изображения также зависит от увеличения системы: при прочих равных условиях она обратно пропорциональна квадрату фокусного расстояния. Это учитывается в конструкции зум-объективов: для поддержания постоянной светосилы при изменении фокусного расстояния диаметр апертуры должен меняться пропорционально.

Современные беззеркальные камеры и объективы используют электромагнитный привод лепестков диафрагмы, позволяющий поддерживать заданную апертуру при серийной съёмке и точно отрабатывать экспозицию. В киносъёмочных объективах часто применяется кольцевая диафрагма с плавной регулировкой, обеспечивающая бесступенчатое изменение светосилы без скачков экспозиции.