Перейти к содержимому






Фотография

Краткий очерк геометрического виньетирования.

Написано Андрей АМ, 02 Апрель 2012 · 6 101 просмотров

Сперва следует отметить, что в оптике, как правило, собственно "виньетированием" (часто - "геометрическим виньетированием"), именуется частичное затенение наклонного пучка лучей вступающих во входной зрачок системы. Т/е, пучков лучей, выходящих из точек предмета, лежащих вне оптической оси.(см. напр. Д.С.Волосов "Фотографическая оптика" стр. 62)
Таким образом, применение термина "виньетирование", ко всем случаям падения освещености по полю изображения, будет... несколько спорным...
Т/к, не смотря на внешнее сходство проявлений, причины затенения по полю изображения могут быть разными.
Собственно, отсюда и многочисленные "типы" виньетирования. Подобные "механическому", "оптическому", "натуральному", "пиксельному"... и прочим кошмарам Оккама...

Для илюстрации геометрического виньетирования я взял "типовой" семилинзовый светосильный объектив Гауссовой схемы (с эффективной диафрагмой 1,4).
Патентная схема масштабирована до "полтинника", полевой угол +/- 24 град. (что примерно соответствует плёночному кадру 24Х36).
Из первой представленной трассировки (рис.1) видно, как, на максимальной диафрагме, наклонные широкие пучки ограничиваются диаметром линз.
Прикрепленное изображение
Таким образом, на периферии кадра изображение равномерно освещённого предмета образуется "усечёнными" пучками лучей, и следовательно будет темнее, чем в центре.
Что, собственно, и является типичным случаем геометрического виньетирования.

Впрочем, как указано во многих справочниках: "виньетирование уменьшается диафрагмированием".
Прикинем, так ли это...
Если "прикрыть" диафрагму до ~ 2.8 (рис.2), то освещённость несколько выравнивается, поскольку центральные пучки "уравниваются" с наклонными. Т/е, очевидно, что диаметр апертурной диафрагмы, конечно же, влияет на геометрическое виньетирование... но только до тех пор пока пучки не "уравнялись". Поскольку дальнейшее диафрагмирование в равной степени подрежет, как осевые, так и наклонные пучки.
Прикрепленное изображение

Впрочем, освещённость выравнивается не полностью, поскольку существуют и другие причины затенения.
Такие, как известное из светотехники, падение освещённости пропорционально четверной степени косинуса полевого угла (куда входит затенение, вследствии разницы площади сечения осевых и наклонных пучков в плоскости апертурной диафрагмы).; затенение вследствие нескомпенсированных аберраций (так наз. "аберрационое виньетирование"); затенение, связанное с частичным и/или полным отражением наклонных лучей от сферических поверхностей линз... Т/е, дальнейшее диафрагмирование, уже никак не связано с затенением и/или "относительной освещённностью".

Вот, к примеру, для рассмотренной схемы ZEMAX нарисовал мне диаграммы "[геометрического] виньетирования" и "относительной освещённости поля" (рис. 1а; 2а).
Здесь достаточно хорошо видно, что отсутствие геометрического виньетирования ещё не гарантирует равномерной освещённости.
Прикрепленное изображение

Впрочем, для объективов иных схем, иным же будет и вклад геометрического виньетирования в общую картину затенения/освещённости...

***
Необходимо отметить, что снижение освещённости по краю поля, как правило (не без исключений), есть практически у всех объективов. В той или иной степени.
Его величина зависит от назначения. Так, для "обычных фотографических объективов широкого применения" допускается виньетирование до 40-50%*.
Для "нормальных проекционных" - не более 20%.
И виной тому, отнюдь, не конструкторские "просчёты"...
Как раз наоборот. С помощью усечения "лишних", не достаточно скоррегированных, лучей, частенько уменьшается влияние полевых аберраций (чем улучшается резкость по полю).
В частности, практически все объективы Гауссового типа (планары, плазматы и пр), обладают значительными аберрациями наклонных пучков (в основном отрицательной СФА), для коррекции которых, требуется рассчитанное "... введение в систему значительного геометрического виньетирования и ограничение поля зрения..."**.

Впрочем этот способ весьма почтенен, традиционен и общепринят, а область его применения, никак не ограничивается объективами типа Гаусса.
Вот, например, одна из типичных модификаций "тессара" рассчитанная на фирме Zeiss в 1936г...
Прикрепленное изображение
Из рисунка 3а видно, что, на диафрагме 3,5, некоторая часть лучей ограничена размером линз/оправ. Т/е, наличиствует геометрическое виньетирование.
Если посмотреть, какую форму примет изображение точечного объекта (полученного этим объективом), то можно заметить, что, благодаря (по вине) полевым аберрациям, форма точки меняется в зависимости от угла поля. И краевые изображения уже вовсе и не точечные, что, определённо, снизит резкость изображения на периферии кадра. К тому же, как известно, "хвостатость" пятен рассеяния отнюдь не способствует контрасту.

А теперь, посмотрим, что получится, если убрать геометрическое виньетирование. Тем более, что конструкция, вроде бы, позволяет увеличить диаметр линз/оправ без изменения всех остальных ключевых параметров (радиусов кривизны, толщин и воздушных промежутков). См. рис. 3б...
Прикрепленное изображение
O-o-o-ps...
Наклонные пучки, конечно же, обрели должную полноту... вот только, "хвосты" краевых пятен рассеяния "отросли" почти что вдвое... Да и "подраспушились"...
Вследствие чего, и контраст изображения упадёт заметно ниже, да и разрешение отнюдь не повысится...
Примечательно, что, поскольку основные параметры не изменились, то и коэффициенты аберраций остались неизменными. Просто, последствия стали куда более видимы...

Т/е, применение, сравнительно небольшого, геометрического виньетирования позволило разработчикам заметно уменьшить влияние аберраций на изображение...
и кстати, почти безболезненно, увеличить апертурную диафрагму до 2,8 (рис. 3в).
Прикрепленное изображение
Замечу, что этот объектив (50/2,8) выпускался цайссовцами достаточно долго, и довольно-таки хорошо известен.


***

Ну и о закрученном боке...

Вполне понятно и логично, что геометрическое виньетирование должно влиять на распределение освещённости.
Однако, есть и другие видимые проявления. Например, известный, а иногда и "культовый" эффект "закручивания"...
Собственно, этот эффект - некая зрительная иллюзия связанная со видимым "сплющиванием" краевого кружка рассеяния.
Вызываться такое "сплющивание" может разными причинами... Например, сочетанием значительной кривизны поля изображения, со, значительным же, отрицательным астигматизмом (как у портретников XIX в), и, иногда, комой.
Однако, подобные проблемы, в современной фото-оптике "широкого применения", практически отсутствуют (не то чтоб совсем, но малы пренебрежительно)
Так что, основной причиной закручивания анастигматов, как раз, и остаётся ограничение пучков лучей.
Вследствии которого, краевой кружок рассеяния, по мере увеличения угла, приобретает всё более и более "чечевичную" форму (см. рис.4).
Прикрепленное изображение



***
В заключение, хочу добавить, что, несмотря на явную зависимость виньетирования от полевого угла, бОльшее, виньетирование широкоугольных объективов, совсем не правило. Не смотря на то, что падение освещённости по полю для шириков достаточно велико (и конечно же увеличивается с ростом угла зрения/изображения), специальные меры уменьшают краевое затенение. Так, например, столь "традиционные" для широкоугольных схем отрицательные мениски очень неплохо выравнивают освещённость...

-------------------------
*Причём, именно по 50%-ному виньетированию, как правило, проводят границу рассчитываемого поля изображения системы. Поскольку, для человеческого зрения, падение освещённости менее 50%, как правило, малозаметно.
**См. напр. М.М. Русинов "Техническая оптика" стр 427 - 429




Очерк был опубликован где-то на пенте, где-то году в 2008...
Данная его версия несколько отредактирована.
  • Жалоба
Вот здесь вначале Путс рассказывает о некоторых различиях в современных подходах к дизайну оптики Лейки и Цейса. Если у Вас возникнут какие-то мысли по этому поводу, я бы с удовольствием тоже почитал.

Мне показалось интересно, и я, вообще, хотел перевести это дело на русский, только не знаю интересно ли это кому-то еще.
  • Жалоба

Kuzmich (02 Апрель 2012 - 22:23) писал:

...Если у Вас возникнут какие-то мысли по этому поводу...
Вряд ли...
Слишком уж Путс тенденциозен. Отделять его тараканов, от его котлет мне, давно уже, лень.
  • Жалоба

Андрей АМ (02 Апрель 2012 - 23:47) писал:

Вряд ли...Слишком уж Путс тенденциозен. Отделять его тараканов, от его котлет мне, давно уже, лень.
А какие у него тараканы? Я, честно говоря, именно на Ваш рассказ о его тараканах и надеялся )
  • Жалоба

Kuzmich (03 Апрель 2012 - 00:23) писал:

Я, честно говоря, именно на Ваш рассказ о его тараканах и надеялся )
Извините, что разочаровал... :D
  • Жалоба
Но в общих чертах, не влезая в конкретику: куда тенденциозность?
  • Жалоба

Kuzmich (03 Апрель 2012 - 00:32) писал:

Но в общих чертах...
Ну, если в общих, то в ляйкофилию... Что, впрочем, очевидно.
Понимаете ли.., это.., как читать передовицу "Правды" (газета такая была, если помните)... Вроде и реальные факты есть, но отделить их от домыслов и толкований можно только при очень большом желании.
  • Жалоба
Да, это можно ожидать ) В статье выше про Цейссы я как-то не усмотрел лейкофильства, меня, честно говоря, это и озадачило ) Было бы оно, я бы отметил и понял, но статья показалась именно странно взвешенной в отношении Цейсса. Вот и захотелось понять что же не так )
  • Жалоба
Ну извините...
  • Жалоба

Обратные ссылки на эту запись [ URL обратной ссылки ]

Обратных ссылок на эту запись нет

Май 2019

П В С Ч П С В
  12345
6789101112
13141516171819
202122232425 26
2728293031  

Новые комментарии