Диафрагма оптической системы: принципы и применение.

Введение

Отверстие или проём, через который проходит свет.

В оптике апертура оптической системы (включая систему, состоящую из одной линзы) — это отверстие или проём, который в первую очередь ограничивает свет, распространяющийся через систему. Более конкретно, входной зрачок, как переднее изображение апертуры и фокусного расстояния оптической системы, определяет конус угла пучка лучей, который фокусируется в плоскости изображения. Оптическая система обычно имеет множество отверстий или структур, которые ограничивают пучки лучей (пучки лучей также известны как световые карандаши). Эти структуры могут быть краем линзы или зеркала, кольцом или другим креплением, удерживающим оптический элемент на месте, или специальным элементом, таким как диафрагма, расположенная в оптическом пути для ограничения света, проходящего через систему. В общем, эти структуры называются стопами, а апертурный стоп — это стоп, который в первую очередь определяет конус лучей, принимаемых оптической системой (см. входной зрачок). В результате он также определяет угол конуса луча и яркость в точке изображения (см. выходной зрачок). Апертурный стоп обычно зависит от местоположения точки объекта; точки объекта на оси в разных плоскостях объекта могут иметь разные апертурные стопы, и даже точки объекта в разных боковых положениях на одной и той же плоскости объекта могут иметь разные апертурные стопы (виньетирование). На практике многие объективные системы разрабатываются так, чтобы иметь один апертурный стоп на заданном рабочем расстоянии и поле зрения. В некоторых контекстах, особенно в фотографии и астрономии, апертура относится к диаметру отверстия апертурного стопа, через которое может проходить свет. Например, в телескопе апертурный стоп обычно представляет собой края объективной линзы или зеркала (или крепления, которое его удерживает). В этом случае говорят, что телескоп имеет, например, определённую апертуру. Апертурный стоп не обязательно является самым маленьким стопом в системе. Увеличение и уменьшение масштаба линзами и другими элементами может привести к тому, что относительно большой стоп станет апертурным стопом для системы. В астрофотографии апертура может быть указана как линейная мера (например, в дюймах или миллиметрах) или как безразмерное отношение между этой мерой и фокусным расстоянием. В других видах фотографии она обычно указывается в виде отношения. Обычно предполагается, что термин «апертура» относится к отверстию апертурного стопа, но на самом деле термины «апертура» и «апертурный стоп» используются взаимозаменяемо. Иногда даже стопы, которые не являются апертурным стопом оптической системы, также называют апертурами. Контекст должен уточнять эти термины. Слово «апертура» также используется в других контекстах для обозначения системы, которая блокирует свет за пределами определённой области. В астрономии, например, фотометрическая апертура вокруг звезды обычно соответствует круглому окну вокруг изображения звезды, внутри которого предполагается интенсивность света.

In optics, the aperture of an optical system (including a system consisted of a single lens) is a hole or an opening that primarily limits light propagated through the system. More specifically, the entrance pupil as the front side image of the aperture and focal length of an optical system determine the cone angle of a bundle of rays that comes to a focus in the image plane. An optical system typically has many openings or structures that limit ray bundles (ray bundles are also known as pencils of light). These structures may be the edge of a lens or mirror, or a ring or other fixture that holds an optical element in place or may be a special element such as a diaphragm placed in the optical path to limit the light admitted by the system. In general, these structures are called stops, and the aperture stop is the stop that primarily determines the cone of rays that an optical system accepts (see entrance pupil). As a result, it also determines the ray cone angle and brightness at the image point (see exit pupil). The aperture stop generally depends on the object point location; on axis object points at different object planes may have different aperture stops, and even object points at different lateral locations at the same object plane may have different aperture stops (vignetted). In practice, many object systems are designed to have a single aperture stop at designed working distance and field of view. In some contexts, especially in photography and astronomy, aperture refers to the opening diameter of the aperture stop through which light can pass. For example, in a telescope, the aperture stop is typically the edges of the objective lens or mirror (or of the mount that holds it). One then speaks of a telescope as having, for example, a aperture. The aperture stop is not necessarily the smallest stop in the system. Magnification and demagnification by lenses and other elements can cause a relatively large stop to be the aperture stop for the system. In astrophotography, the aperture may be given as a linear measure (for example, in inches or millimetres) or as the dimensionless ratio between that measure and the focal length. In other photography, it is usually given as a ratio. A usual expectation is that the term aperture refers to the opening of the aperture stop, but in reality, the term aperture and the aperture stop are mixed in use. Sometimes even stops that are not the aperture stop of an optical system are also called apertures. Contexts need to clarify these terms. The word aperture is also used in other contexts to indicate a system which blocks off light outside a certain region. In astronomy, for example, a photometric aperture around a star usually corresponds to a circular window around the image of a star within which the light intensity is assumed.

Применение

Диафрагма является важным элементом в большинстве оптических конструкций. Её наиболее очевидная функция – ограничение количества света, достигающего плоскости изображения/плёнки. Это может быть обусловлено практическими ограничениями размера диафрагмы, особенно когда требуется собрать максимум света в телескопах для получения чётких изображений – например, большая диафрагма требует оптики большего диаметра, которая тяжелее и дороже, – или сделано намеренно, чтобы избежать насыщения детектора или переэкспонирования плёнки. В любом случае, размер диафрагмы определяет количество света, пропускаемого оптической системой. Диафрагма также влияет на свойства оптической системы следующим образом:

The aperture stop is an important element in most optical designs. Its most obvious feature is that it limits the amount of light that can reach the image/film plane. This can be either unavoidable due to the practical limit of the aperture stop size while one wants to collect as much light as possible in telescopes for clear images, e. g., a larger aperture stop requires larger diameter optics, which are heavier and more expensive, or deliberate, to prevent saturation of a detector or overexposure of film. In both cases, the size of the aperture stop determines the amount of light admitted by an optical system. The aperture stop also affects optical system properties as the following:
The opening size of the stop is one factor that affects DOF (depth of field). A smaller stop (larger f number) produce a longer DOF because it only allows a smaller angle of the cone of light reaching the image plane so the spread of the image of an object point is reduced. A longer DOF allows objects at a wide range of distances from the viewer to all be in focus at the same time. The stop limits the effect of optical aberrations by limiting light such that the light does not reach edges of optics where aberrations are usually stronger than the optics centers. If the opening of the stop (called the aperture) is too large, then the image will be distorted by stronger aberrations. More sophisticated optical system designs can mitigate the effect of aberrations, allowing a larger aperture and therefore greater light collecting ability. The stop determines whether the image will be vignetted. Larger stops can cause the light intensity reaching the film or detector to fall off toward the edges of the picture, especially when, for off axis points, a different stop becomes the aperture stop by virtue of cutting off more light than did the stop that was the aperture stop on the optic axis. The stop location determines the telecentricity. If the aperture stop of a lens is located at the front focal plane of the lens, then it becomes image space telecentricity, i. e., the lateral size of the image is insensitive to the image plane location. If the stop is at the back focal plane of the lens, then it becomes object space telecentricity where the image size is insensitive to the object plane location. The telecentricity helps precise two dimensional measurements because measurement systems with the telecentricity are insensitive to axial position errors of samples or the sensor. In addition to an aperture stop, a photographic lens may have one or more field stops, which limit the system's field of view. When the field of view is limited by a field stop in the lens (rather than at the film or sensor) vignetting results; this is only a problem if the resulting field of view is less than was desired. In astronomy, the opening diameter of the aperture stop (called the aperture) is a critical parameter in the design of a telescope. Generally, one would want the aperture to be as large as possible, to collect the maximum amount of light from the distant objects being imaged. The size of the aperture is limited, however, in practice by considerations of its manufacturing cost and time and its weight, as well as prevention of aberrations (as mentioned above). Apertures are also used in laser energy control, close aperture z scan technique, diffractions/patterns, and beam cleaning. Laser applications include spatial filters, Q switching, high intensity x ray control. In light microscopy, the word aperture may be used with reference to either the condenser (that changes the angle of light onto the specimen field), field iris (that changes the area of illumination on specimens) or possibly objective lens (forms primary images). See Optical microscope.

Размер отверстия диафрагмы – один из факторов, определяющих глубину резкости (ГР). Меньшая диафрагма (большее число f) обеспечивает большую ГР, поскольку пропускает свет под меньшим углом, что уменьшает размытие изображения точечного объекта. Большая ГР позволяет одновременно получать в фокусе объекты, расположенные на разных расстояниях от наблюдателя. Диафрагма ограничивает влияние оптических аберраций, предотвращая попадание света на края линз, где аберрации обычно сильнее, чем в центре. Если отверстие диафрагмы (так называемая апертура) слишком велико, изображение будет искажено из-за усиления аберраций. Более сложные оптические схемы могут уменьшить влияние аберраций, позволяя использовать большую апертуру и, следовательно, собирать больше света. Диафрагма определяет, будет ли наблюдаться виньетирование. Большие диафрагмы могут приводить к уменьшению интенсивности света, достигающего плёнки или детектора, к краям изображения, особенно для внеосевых точек, когда другая диафрагма становится ограничивающей из-за перекрытия большего количества света, чем диафрагма на оптической оси. Расположение диафрагмы определяет телецентричность. Если диафрагма объектива расположена в передней фокальной плоскости объектива, то достигается телецентричность в пространстве изображения, то есть поперечный размер изображения не зависит от положения плоскости изображения. Если диафрагма находится в задней фокальной плоскости объектива, то достигается телецентричность в пространстве объекта, где размер изображения не зависит от положения плоскости объекта. Телецентричность важна для точных двумерных измерений, поскольку системы измерений с телецентричностью нечувствительны к ошибкам осевого положения образцов или сенсора. Помимо диафрагмы, фотографический объектив может иметь одну или несколько полевых диафрагм, которые ограничивают поле зрения системы. Ограничение поля зрения полевой диафрагмой (а не плёнкой или сенсором) приводит к виньетированию, что является проблемой только в том случае, если полученное поле зрения меньше желаемого. В астрономии диаметр отверстия диафрагмы (называемый апертурой) является критическим параметром при проектировании телескопа. Обычно требуется, чтобы апертура была максимально большой для сбора максимального количества света от удалённых объектов. Однако на практике размер апертуры ограничен стоимостью и временем изготовления, её весом, а также необходимостью предотвращения аберраций (как упоминалось выше). Диафрагмы также используются для управления энергией лазера, в Z-сканировании с закрытой апертурой, в дифракционных/интерференционных экспериментах и для очистки луча. Лазерные приложения включают пространственные фильтры, Q-переключение и управление высокоинтенсивным рентгеновским излучением. В световой микроскопии термин «диафрагма» может относиться к конденсору (который изменяет угол освещения образца), ирисовой диафрагме (которая изменяет область освещения образца) или, возможно, к объективу (формирующему первичные изображения). См. Оптический микроскоп.

В фотографии

Затворное число (или диафрагменное число) фотообъектива может быть настроено для регулирования количества света, достигающего пленки или матрицы. В сочетании с изменением выдержки, диафрагма регулирует степень экспозиции пленки или матрицы. Как правило, короткая выдержка требует большей диафрагмы для обеспечения достаточной экспозиции, а длинная выдержка – меньшей, чтобы избежать переэкспонирования. Устройство, называемое диафрагмой, обычно выполняет функцию затворного числа и управляет диафрагмой (отверстием диафрагмы). Диафрагма функционирует аналогично радужной оболочке глаза – она контролирует эффективный диаметр отверстия объектива (называемого зрачком в глазу). Уменьшение диаметра диафрагмы (увеличение числа f) уменьшает количество света, попадающего на матрицу, и увеличивает глубину резкости (за счет ограничения угла конуса света, достигающего матрицы), которая определяет, насколько объекты, находящиеся ближе или дальше плоскости фокусировки, кажутся резкими. В общем, чем меньше диаметр диафрагмы (чем больше число f), тем большее расстояние от плоскости фокусировки может быть у объекта, оставаясь в фокусе. Диафрагма объектива обычно указывается в виде числа f – отношения фокусного расстояния к эффективному диаметру диафрагмы (диаметру входного зрачка). Объектив обычно имеет набор отмеченных значений диафрагмы ("f-чисел"), на которые можно установить число f. Меньшее число f соответствует большему отверстию диафрагмы, пропускающему больше света на пленку или матрицу. Термин "одна ступень диафрагмы" обозначает изменение числа f примерно на 1,41, что соответствует изменению диаметра диафрагмы и, как следствие, изменению интенсивности света в два раза (изменению площади диафрагмы в два раза). Приоритет диафрагмы – это полуавтоматический режим съемки, используемый в камерах. Он позволяет фотографу выбрать значение диафрагмы, а камера автоматически определяет выдержку, а иногда и чувствительность ISO для правильной экспозиции. Этот режим также известен как автоматический режим с приоритетом диафрагмы, режим A, режим AV (режим значения диафрагмы) или полуавтоматический режим. Типичные диапазоны диафрагм, используемые в фотографии, составляют примерно от до , охватывающие шесть ступеней, которые можно разделить на широкие, средние и узкие – по две ступени каждая, приблизительно (с округлением) от до , от до , и от до или (для светосильного объектива) от до , от до , и от до . Эти границы не являются четкими, и диапазоны для конкретных объективов могут отличаться.

The aperture stop of a photographic lens can be adjusted to control the amount of light reaching the film or image sensor. In combination with variation of shutter speed, the aperture size will regulate the film's or image sensor's degree of exposure to light. Typically, a fast shutter will require a larger aperture to ensure sufficient light exposure, and a slow shutter will require a smaller aperture to avoid excessive exposure. A device called a diaphragm usually serves as the aperture stop and controls the aperture (the opening of the aperture stop). The diaphragm functions much like the iris of the eye – it controls the effective diameter of the lens opening (called pupil in the eyes). Reducing the aperture size (increasing the f number) provides less light to sensor and also increases the depth of field (by limiting the angle of cone of image light reaching the sensor), which describes the extent to which subject matter lying closer than or farther from the actual plane of focus appears to be in focus. In general, the smaller the aperture (the larger the f number), the greater the distance from the plane of focus the subject matter may be while still appearing in focus. The lens aperture is usually specified as an f number, the ratio of focal length to effective aperture diameter (the diameter of the entrance pupil). A lens typically has a set of marked "f stops" that the f number can be set to. A lower f number denotes a greater aperture which allows more light to reach the film or image sensor. The photography term "one f stop" refers to a factor of (approx. 1.41) change in f number which corresponds to a change in aperture diameter, which in turn corresponds to a factor of 2 change in light intensity (by a factor 2 change in the aperture area). Aperture priority is a semi automatic shooting mode used in cameras. It permits the photographer to select an aperture setting and let the camera decide the shutter speed and sometimes also ISO sensitivity for the correct exposure. This is also referred to as Aperture Priority Auto Exposure, A mode, AV mode (aperture value mode), or semi auto mode. Typical ranges of apertures used in photography are about – or – , covering six stops, which may be divided into wide, middle, and narrow of two stops each, roughly (using round numbers) – , – , and – or (for a slower lens) – , – , and – These are not sharp divisions, and ranges for specific lenses vary.

Максимальные и минимальные диафрагмы

Спецификации для данного объектива обычно включают максимальные и минимальные размеры диафрагмы (открытия), например, – В этом случае, в настоящее время является максимальной диафрагмой (самый широкий диаметр отверстия на полнокадровом формате для практического использования), а – минимальной диафрагмой (самый маленький диаметр отверстия). Максимальная диафрагма обычно представляет наибольший интерес и всегда указывается в описании объектива. Это значение также известно как "светосила" объектива, поскольку оно влияет на выдержку. Поскольку площадь диафрагмы пропорциональна количеству света, проходящего через объектив или оптическую систему, диаметр диафрагмы пропорционален квадратному корню количества света и, следовательно, обратно пропорционален квадратному корню требуемой выдержки, так что диафрагма позволяет использовать выдержки в четыре раза короче, чем (площадь диафрагмы в 4 раза больше площади диафрагмы ). Объективы с диафрагмой, открывающейся до или шире, называются "быстрыми" объективами, хотя конкретное значение этого понятия менялось со временем (например, в начале XX века диафрагмы шире, чем считались быстрыми). Самые светосильные объективы для распространенного 35-мм формата пленки в серийном производстве имеют диафрагмы или , большинство – и , и многие – или меньше; встречается редко, но иногда используется. При сравнении "быстрых" объективов необходимо учитывать формат изображения. Объективы, предназначенные для небольших форматов, таких как полукадр или APS-C, должны проецировать гораздо меньший круг изображения, чем объективы, используемые для крупноформатной фотографии. Таким образом, оптические элементы внутри объектива могут быть значительно меньше и дешевле. В исключительных случаях объективы могут иметь еще более широкие диафрагмы с числом f меньше 1,0; подробный список см. в статье "Светосила объектива: быстрые объективы". Например, как текущий Leica Noctilux M 50mm ASPH, так и объектив дальномер Canon 50mm 1960-х годов имеют максимальную диафрагму . Более доступные альтернативы начали появляться в начале 2010-х годов, такие как Cosina Voigtländer Nokton (некоторые в диапазоне 10.5) и (29) объективы с ручной фокусировкой Super Nokton для системы Micro Four Thirds, а также Venus Optics (Laowa) Argus 35 – самый светосильный объектив в истории фотографии. Помимо стоимости, эти объективы имеют ограниченное применение из-за соответствующей малой глубины резкости (ГРИП) – сцена должна быть либо небольшой, снятой с расстояния, либо значительно размытой, хотя это может быть желаемым эффектом. Зум-объективы обычно имеют максимальную относительную диафрагму (минимальное число f) от до во всем диапазоне зума. Высококачественные объективы имеют постоянную диафрагму, например, или , что означает, что относительная диафрагма остается неизменной во всем диапазоне зума. Более типичный потребительский зум-объектив имеет переменную максимальную относительную диафрагму, поскольку сложнее и дороже поддерживать максимальную относительную диафрагму пропорциональной фокусному расстоянию на больших фокусных расстояниях; до – пример типичного диапазона переменной диафрагмы в потребительском зум-объективе. Напротив, минимальная диафрагма не зависит от фокусного расстояния – она ограничена тем, насколько сильно диафрагма может быть закрыта, а не конструкцией объектива, – и обычно выбирается исходя из практичности: очень малые диафрагмы имеют меньшую резкость из-за дифракции на краях диафрагмы, в то время как увеличение глубины резкости обычно не полезно, и, следовательно, в использовании таких диафрагм обычно мало смысла. Соответственно, объективы для зеркальных камер обычно имеют минимальную диафрагму , , или , в то время как для крупноформатной фотографии она может быть уменьшена до , что отражено в названии группы f/64. Однако глубина резкости является важной проблемой в макросъемке, и там используются меньшие диафрагмы. Например, Canon MP-E 65mm может иметь эффективную диафрагму (из-за увеличения) настолько маленькую, как . Диафрагма оптического отверстия для креативных объективов Lensbaby составляет всего .

The specifications for a given lens typically include the maximum and minimum aperture (opening) sizes, for example, – In this case, is currently the maximum aperture (the widest opening on a full frame format for practical use), and is the minimum aperture (the smallest opening). The maximum aperture tends to be of most interest and is always included when describing a lens. This value is also known as the lens "speed", as it affects the exposure time. As the aperture area is proportional to the light admitted by a lens or an optical system, the aperture diameter is proportional to the square root of the light admitted, and thus inversely proportional to the square root of required exposure time, such that an aperture of allows for exposure times one quarter that of ( is 4 times larger than in the aperture area.) Lenses with apertures opening or wider are referred to as "fast" lenses, although the specific point has changed over time (for example, in the early 20th century aperture openings wider than were considered fast. The fastest lenses for the common 35 mm film format in general production have apertures of or , with more at and , and many at or slower; is unusual, though sees some use. When comparing "fast" lenses, the image format used must be considered. Lenses designed for a small format such as half frame or APS C need to project a much smaller image circle than a lens used for large format photography. Thus the optical elements built into the lens can be far smaller and cheaper. In exceptional circumstances lenses can have even wider apertures with f numbers smaller than 1.0; see lens speed: fast lenses for a detailed list. For instance, both the current Leica Noctilux M 50mm ASPH and a 1960s era Canon 50mm rangefinder lens have a maximum aperture of Cheaper alternatives began appearing in the early 2010s, such as the Cosina Voigtländer Nokton (several in the 10.5 range) and (29) Super Nokton manual focus lenses in the for the Micro Four Thirds System, and the Venus Optics (Laowa) Argus 35 the fastest lens in film history. Beyond the expense, these lenses have limited application due to the correspondingly shallower depth of field (DOF) – the scene must either be shallow, shot from a distance, or will be significantly defocused, though this may be the desired effect. Zoom lenses typically have a maximum relative aperture (minimum f number) of to through their range. High end lenses will have a constant aperture, such as or , which means that the relative aperture will stay the same throughout the zoom range. A more typical consumer zoom will have a variable maximum relative aperture since it is harder and more expensive to keep the maximum relative aperture proportional to the focal length at long focal lengths; to is an example of a common variable aperture range in a consumer zoom lens. By contrast, the minimum aperture does not depend on the focal length – it is limited by how narrowly the aperture closes, not the lens design – and is instead generally chosen based on practicality: very small apertures have lower sharpness due to diffraction at aperture edges, while the added depth of field is not generally useful, and thus there is generally little benefit in using such apertures. Accordingly, DSLR lens typically have minimum aperture of , , or , while large format may go down to , as reflected in the name of Group f/64. Depth of field is a significant concern in macro photography, however, and there one sees smaller apertures. For example, the Canon MP E 65mm can have effective aperture (due to magnification) as small as The pinhole optic for Lensbaby creative lenses has an aperture of just .

Контроль диафрагмы

Хотя еще в 1933 году Торкель Корлинг изобрел и запатентовал автоматический контроль диафрагмы для зеркальной камеры большого формата Graflex, не все ранние 35-мм однообъективные зеркальные камеры обладали этой функцией. Малая диафрагма затемняла видоискатель, что затрудняло просмотр, фокусировку и компоновку кадра. Конструкция Корлинга позволяла вести наблюдение с полностью открытой диафрагмой для точной фокусировки, при этом диафрагма закрывалась до предварительно выбранного значения в момент срабатывания затвора и одновременно осуществлялась синхронизация со вспышкой. Начиная с 1956 года производители зеркальных камер независимо друг от друга разрабатывали автоматический контроль диафрагмы (например, "Pressure Automatic Diaphragm" в Miranda T и другие решения в Exakta Varex IIa и Praktica FX2), позволяющий вести наблюдение на максимальной диафрагме объектива, прикрывая его до рабочей диафрагмы в момент экспозиции и возвращая к максимальному значению после нее. Первые зеркальные камеры с встроенными ("через объектив" или "TTL") экспонометрами (например, Pentax Spotmatic) требовали прикрытия объектива до рабочей диафрагмы при измерении экспозиции. В последующих моделях вскоре была реализована механическая связь между объективом и корпусом камеры, которая передавала значение рабочей диафрагмы камере для определения экспозиции, позволяя объективу оставаться на максимальной диафрагме для компоновки и фокусировки; что позволяло устанавливать объектив на рабочую диафрагму, а затем быстро переключаться между рабочей и полностью открытой диафрагмой, не отвлекаясь на управление диафрагмой. Типичная последовательность действий могла заключаться в предварительной компоновке кадра, установке рабочей диафрагмы для измерения экспозиции, возврате к полностью открытой диафрагме для окончательной проверки фокусировки и компоновки, и, наконец, возврате к рабочей диафрагме непосредственно перед экспозицией. Хотя это немного проще, чем измерение с закрытой диафрагмой, такая работа менее удобна, чем автоматическая. Устройства предварительной установки диафрагмы принимали различные формы; наиболее распространенным было использование двух колец диафрагмы на объективе, одно из которых устанавливало значение диафрагмы, а другое служило ограничителем при переключении на рабочую диафрагму. Примерами объективов с таким типом предварительной установки диафрагмы являются Nikon PC Nikkor 28 мм и SMC Pentax Shift 6×7 75 мм. Объектив Nikon PC Micro Nikkor 85 мм оснащен механической кнопкой, которая устанавливает рабочую диафрагму при нажатии и возвращает к полностью открытой при повторном нажатии. Объективы Canon EF, представленные в 1987 году, имеют электромагнитные диафрагмы, что устраняет необходимость в механической связи между камерой и объективом и позволяет автоматически управлять диафрагмой с объективами Canon TS-E tilt/shift. Перспективные объективы Nikon PC-E, представленные в 2008 году, также оснащены электромагнитными диафрагмами, эта функция была расширена на их линейку типа E в 2013 году.

Though as early as 1933 Torkel Korling had invented and patented for the Graflex large format reflex camera an automatic aperture control, not all early 35mm single lens reflex cameras had the feature. With a small aperture, this darkened the viewfinder, making viewing, focusing, and composition difficult. Korling's design enabled full aperture viewing for accurate focus, closing to the pre selected aperture opening when the shutter was fired and simultaneously synchronising the firing of a flash unit. From 1956 SLR camera manufacturers separately developed automatic aperture control (the Miranda T 'Pressure Automatic Diaphragm', and other solutions on the Exakta Varex IIa and Praktica FX2) allowing viewing at the lens's maximum aperture, stopping the lens down to the working aperture at the moment of exposure, and returning the lens to maximum aperture afterward. The first SLR cameras with internal ("through the lens" or "TTL") meters (e. g., the Pentax Spotmatic) required that the lens be stopped down to the working aperture when taking a meter reading. Subsequent models soon incorporated mechanical coupling between the lens and the camera body, indicating the working aperture to the camera for exposure while allowing the lens to be at its maximum aperture for composition and focusing; which allows the lens to be set to working aperture and then quickly switched between working aperture and full aperture without looking at the aperture control. A typical operation might be to establish rough composition, set the working aperture for metering, return to full aperture for a final check of focus and composition, and focusing, and finally, return to working aperture just before exposure. Although slightly easier than stopped down metering, operation is less convenient than automatic operation. Preset aperture controls have taken several forms; the most common has been the use of essentially two lens aperture rings, with one ring setting the aperture and the other serving as a limit stop when switching to working aperture. Examples of lenses with this type of preset aperture control are the Nikon PC Nikkor 28 mm and the SMC Pentax Shift 6×7 75 mm The Nikon PC Micro Nikkor 85 mm lens incorporates a mechanical pushbutton that sets working aperture when pressed and restores full aperture when pressed a second time. Canon EF lenses, introduced in 1987, have electromagnetic diaphragms, eliminating the need for a mechanical linkage between the camera and the lens, and allowing automatic aperture control with the Canon TS E tilt/shift lenses. Nikon PC E perspective control lenses, introduced in 2008, also have electromagnetic diaphragms, a feature extended to their E type range in 2013.

Оптимальная диафрагма

Оптимальная диафрагма зависит как от оптики (глубина сцены против дифракции), так и от характеристик объектива. С точки зрения оптики, при закрытии диафрагмы размытие от дефокуса в пределах глубины резкости уменьшается, но увеличивается дифракционное размытие. Наличие этих двух противоположных факторов указывает на точку, в которой суммарное размытие минимально (Gibson 1975, 64); в этой точке значение диафрагменного числа оптимально для резкости изображения при данной глубине резкости – более открытая диафрагма (меньшее число f) приводит к большему дефокусу, а более закрытая диафрагма (большее число f) – к большему дифракционному размытию. Что касается характеристик объектива, то многие объективы не демонстрируют оптимальную резкость при полностью открытой диафрагме и, как правило, показывают лучшие результаты при некотором ее закрытии. Это резкость в плоскости критической фокусировки, если не учитывать вопросы глубины резкости. После определенной точки дальнейшее закрытие диафрагмы не дает дополнительного прироста резкости, и дифракция на краях апертуры начинает существенно влиять на качество изображения. Соответственно, существует оптимальный диапазон значений диафрагмы, обычно в пределах – , в зависимости от объектива, где достигается максимальная резкость, хотя некоторые объективы рассчитаны на оптимальную работу при полностью открытой диафрагме. Степень влияния этого фактора варьируется в зависимости от объектива, и мнения расходятся относительно его практической значимости. Хотя оптимальную диафрагму можно определить механически, требуемая степень резкости зависит от того, как будет использоваться изображение. Если конечное изображение будет просматриваться в обычных условиях (например, изображение 8″×10″, просматриваемое с расстояния 10″), может быть достаточно определить значение диафрагменного числа, исходя из критериев минимально необходимой резкости, и дальнейшее уменьшение размытия может не дать практической пользы. Однако это может быть не так, если конечное изображение будет просматриваться в более требовательных условиях, например, очень большое изображение на обычном расстоянии или увеличенная часть изображения (Hansma 1996). Хансма также отмечает, что окончательный размер изображения может быть неизвестен на момент съемки, и получение максимально возможной резкости позволяет принять решение о создании большого изображения позднее; см. также критическую резкость.

Optimal aperture depends both on optics (the depth of the scene versus diffraction), and on the performance of the lens. Optically, as a lens is stopped down, the defocus blur at the Depth of Field (DOF) limits decreases but diffraction blur increases. The presence of these two opposing factors implies a point at which the combined blur spot is minimized (Gibson 1975, 64); at that point, the f number is optimal for image sharpness, for this given depth of field – a wider aperture (lower f number) causes more defocus, while a narrower aperture (higher f number) causes more diffraction. As a matter of performance, lenses often do not perform optimally when fully opened, and thus generally have better sharpness when stopped down some – this is sharpness in the plane of critical focus, setting aside issues of depth of field. Beyond a certain point, there is no further sharpness benefit to stopping down, and the diffraction occurred at the edges of the aperture begins to become significant for imaging quality. There is accordingly a sweet spot, generally in the – range, depending on lens, where sharpness is optimal, though some lenses are designed to perform optimally when wide open. How significant this varies between lenses, and opinions differ on how much practical impact this has. While optimal aperture can be determined mechanically, how much sharpness is required depends on how the image will be used – if the final image is viewed under normal conditions (e. g., an 8″×10″ image viewed at 10″), it may suffice to determine the f number using criteria for minimum required sharpness, and there may be no practical benefit from further reducing the size of the blur spot. But this may not be true if the final image is viewed under more demanding conditions, e. g., a very large final image viewed at normal distance, or a portion of an image enlarged to normal size (Hansma 1996). Hansma also suggests that the final image size may not be known when a photograph is taken, and obtaining the maximum practicable sharpness allows the decision to make a large final image to be made at a later time; see also critical sharpness.

В биологии

Во многих живых оптических системах глаз состоит из радужной оболочки, которая регулирует размер зрачка, через который проходит свет. Радужная оболочка аналогична диафрагме, а зрачок (являющийся регулируемым отверстием в радужной оболочке) – апертуре. Преломление в роговице приводит к тому, что эффективная апертура (в оптической терминологии – входной зрачок) незначительно отличается от физического диаметра зрачка. Входной зрачок обычно имеет диаметр около 4 мм, хотя он может варьироваться от 2 мм в ярко освещенном месте до 8 мм в темноте в процессе адаптации. В редких случаях у некоторых людей зрачки могут расширяться даже больше 8 мм (при скотопическом освещении, приближаясь к физическому пределу радужной оболочки). У человека средний диаметр радужной оболочки составляет около 11,5 мм, что, естественно, влияет и на максимальный размер зрачка: у людей с большей радужной оболочкой зрачки обычно способны расширяться сильнее, чем у людей с меньшей радужной оболочкой. Максимальный размер расширенного зрачка также уменьшается с возрастом. Радужная оболочка контролирует размер зрачка посредством двух взаимодополняющих наборов мышц – сфинктера и дилататора, которые иннервируются парасимпатической и симпатической нервной системами соответственно и вызывают сужение и расширение зрачка. На состояние зрачка оказывает влияние множество факторов, прежде всего свет (или его отсутствие), но также эмоциональное состояние, интерес к объекту внимания, возбуждение, сексуальная стимуляция, физическая активность, состояние аккомодации и когнитивная нагрузка. Размер зрачка не влияет на поле зрения. Некоторые люди также способны непосредственно и сознательно контролировать мышцы радужной оболочки, и, следовательно, могут произвольно сужать и расширять зрачки по команде. Однако эта способность редка, и потенциальная польза или преимущества неясны.

Эквивалентный диапазон диафрагмы

В цифровой фотографии диапазон диафрагмы, эквивалентный 35 мм, иногда считается более важным, чем фактическое число f. Эквивалентная диафрагма – это число f, скорректированное для соответствия числу f с тем же абсолютным диаметром отверстия диафрагмы на объективе с эквивалентным фокусным расстоянием 35 мм. Ожидается, что меньшие эквивалентные числа f приведут к более высокому качеству изображения за счет большего количества света, поступающего от объекта, а также к уменьшению глубины резкости. Например, Sony Cyber-shot DSC-RX10 использует 1-дюймовый сенсор с объективом 24–200 мм и постоянной максимальной диафрагмой по всему диапазону зума; имеет эквивалентный диапазон диафрагм, который характеризуется меньшим эквивалентным числом f, чем у некоторых других камер с меньшими сенсорами. Однако современные оптические исследования показывают, что размер сенсора на самом деле не влияет на глубину резкости изображения. Число f диафрагмы не изменяется размером сенсора камеры, поскольку это отношение, относящееся только к характеристикам объектива. Вместо этого, больший кроп-фактор, возникающий из-за меньшего размера сенсора, означает, что для получения аналогичной композиции необходимо снимать объект с большего расстояния, что приводит к менее размытому фону и, следовательно, к изменению воспринимаемой глубины резкости. Аналогично, меньший размер сенсора при эквивалентной диафрагме приведет к более темному изображению из-за более высокой плотности пикселей у сенсоров меньшего размера с тем же количеством мегапикселей. Каждый фотосайт на сенсоре камеры требует определенной площади поверхности, нечувствительной к свету, что приводит к различиям в шаге пикселя и изменениям в отношении сигнал/шум. Однако ни изменение глубины резкости, ни кажущееся изменение светочувствительности не являются результатом диафрагмы. Скорее, эквивалентная диафрагма может рассматриваться как эмпирическое правило для оценки того, как изменения размера сенсора могут повлиять на изображение, даже если такие факторы, как плотность пикселей и расстояние до объекта, являются истинными причинами изменений в изображении.

При сканировании или отборе проб

Термины "апертура сканирования" и "апертура отбора образцов" часто используются для обозначения отверстия, через которое изображение отбирается или сканируется, например, в барабанном сканере, датчике изображения или телевизионном устройстве. Апертура отбора образцов может быть физической оптической апертурой, то есть небольшим отверстием в пространстве, или апертурой во временной области для отбора проб формы сигнала. Например, зернистость пленки количественно оценивается путем измерения флуктуаций плотности пленки, наблюдаемых через апертуру отбора образцов размером 0,048 мм.

В популярной культуре

Aperture Science, вымышленная компания во вселенной игр Portal, получила своё название от оптической системы. Логотип компании содержит изображение апертуры и стал символом всей серии, самой компании и Компьютерного центра обогащения Aperture Science Laboratories, где и происходят события игр.