Светосила объектива и её значение¶

Светосила — характеристика оптической системы, определяющая её способность пропускать световой поток и создавать освещённость изображения на светочувствительной поверхности или в плоскости наблюдения. Количественно светосила выражается отношением диаметра действующего отверстия объектива к его фокусному расстоянию либо величиной, обратной этому отношению. Понятие применяется в фотографии, киносъёмке, астрономии, микроскопии, оптическом приборостроении и в расчётах осветительных систем.

¶Физическая сущность

Светосила описывает, какая доля света, попадающего в объектив, достигает плоскости изображения. Чем больше действующее отверстие при данном фокусном расстоянии, тем выше освещённость изображения и тем при меньшей выдержке или меньшей яркости объекта возможно получить корректно экспонированный кадр.

Ключевая величина — относительное отверстие, то есть отношение диаметра входного зрачка \(D\) к фокусному расстоянию \(f\):

\[ N = \frac{f}{D} \]

Эта величина называется диафрагменным числом (f-числом). Запись «f/2,8» означает, что диаметр действующего отверстия в 2,8 раза меньше фокусного расстояния. Чем меньше знаменатель, тем выше светосила.

Освещённость изображения пропорциональна квадрату относительного отверстия. Поэтому переход от f/4 к f/2 увеличивает освещённость в четыре раза, что эквивалентно двум ступеням экспозиции.

¶История понятия

Представление о связи между размером отверстия и яркостью изображения возникло ещё в эпоху камеры-обскуры. В XIX веке, с развитием фотографии, потребовалось нормировать экспозицию, и оптики ввели стандартизованные обозначения относительного отверстия. В XX веке шкала f-чисел стала общепринятой: ряд 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22 построен так, что каждое последующее значение уменьшает освещённость вдвое. В астрономии аналогичную роль играет относительное отверстие телескопов и астрографов, где светосила напрямую определяет время накопления сигнала при съёмке слабых объектов.

¶Способы выражения

Светосилу выражают несколькими способами:

Относительное отверстие — отношение диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию, например 1:2,8.
Диафрагменное число (f-число) — обратная величина, например f/2,8.
Квадрат относительного отверстия — коэффициент пропускания по освещённости.
Геометрическая светосила — без учёта потерь в стекле и покрытиях.
Эффективная светосила — с учётом коэффициента пропускания оптики, который у реальных объективов составляет 0,8–0,95.

Различают также угловую и линейную светосилу применительно к задачам проекции и наблюдения.

¶Факторы, влияющие на светосилу

На реальную светосилу влияют:

количество оптических элементов и качество просветляющих покрытий;
внутренние отражения и виньетирование по краям поля;
конструкция диафрагмы и форма лепестков;
аберрации, которые приходится корректировать, ограничивая максимальное отверстие.

Высокосветосильные объективы сложнее и дороже: для сохранения резкости при открытой диафрагме требуются специальные стёкла, асферические элементы и точная сборка.

¶Применение

¶Фотография и кино

Светосила определяет возможности съёмки при слабом освещении, позволяет сокращать выдержку и уменьшать глубину резкости для художественного размытия фона. Репортажные, портретные и астрофотографические объективы традиционно проектируют с повышенной светосилой.

¶Астрономия

Для телескопов и астрографов относительное отверстие влияет на яркость изображения протяжённых объектов и на время экспозиции. Светосильные системы удобны для съёмки туманностей и комет, тогда как для наблюдения точечных объектов решающее значение имеет диаметр апертуры, а не относительное отверстие.

¶Микроскопия и приборы

В микроскопии светосила связана с числовой апертурой, определяющей разрешение и яркость изображения. В оптических прицелах, биноклях и наблюдательных приборах она влияет на работу в сумерках.

¶Светосила и экспозиция

При прочих равных изменение диафрагменного числа на одну ступень (например, с f/4 до f/2,8) изменяет освещённость вдвое. Это позволяет строить экспозиционные пары: увеличение выдержки компенсируется закрытием диафрагмы. Светосила не влияет на экспозицию напрямую при автоматическом замере, но определяет доступный диапазон режимов.

¶Распространённые заблуждения

Светосила не тождественна качеству изображения: высокосветосильный объектив при открытой диафрагме может давать мягкую картинку и заметные аберрации. Также светосила не равна разрешающей способности и не гарантирует малую глубину резкости сама по себе — последняя зависит ещё и от масштаба съёмки. В астрономии увеличение относительного отверстия не повышает проницающую способность по звёздам, если диаметр остаётся неизменным.

¶Обозначения на объективах

Маркировка вида «1:1,4» или «f/1,4» указывает максимальную светосилу. Ряд стандартных значений: 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22. У зум-объективов светосила может меняться при изменении фокусного расстояния, что отражают двойной маркировкой, например f/3,5–5,6.

¶Значение в технике

Светосила — один из ключевых параметров при проектировании объективов, телескопов, микроскопов, спектрографов и систем ночного видения. Она определяет энергетику оптического тракта и напрямую связана с массогабаритными характеристиками и стоимостью прибора.

Источники: учебники по общей и прикладной оптике, справочники по фотографии и киносъёмке, руководства по астрономическим приборам, технические каталоги объективов.