Диафрагма объектива

Устройство револьверной диафрагмы

Механизм ирисовой диафрагмы классического типа, с поворотным регулировочным кольцом

Диафра́гма объекти́ва (от греч. διάφραγμα — перегородка) в оптических приборах — разновидность апертурной диафрагмы, позволяющая регулировать относительное отверстие объектива изменением диаметра проходящих через него пучков света^[1]. Такая регулировка используется для управления светопропусканием и глубиной резкости. Диафрагма объектива представляет собой непрозрачную перегородку с круглым отверстием переменного диаметра, центр которого совпадает с оптической осью^{[* 1]}. Регулировка диаметра отверстия может выполняться тремя основными способами^[2]:

Револьверная диафрагма представляет собой поворотный диск с набором отверстий разного диаметра и широко применялась в объективах крупноформатных камер конца XIX века. Позднее револьверная диафрагма встречалась в некоторых простейших фотоаппаратах, например «Школьник», а также в оптических приборах.

Вставная диафрагма представляет собой набор пластин с разными отверстиями, вставляющихся в прорезь оправы объектива между линзами^[3]. Оба первых типа обеспечивают абсолютно круглое сечение световых пучков, но не допускают промежуточных значений относительного отверстия.

Ирисовая диафрагма получила наибольшее распространение в фото-, кино- и телевизионных объективах, поскольку позволяет бесступенчато регулировать относительное отверстие и имеет самую компактную конструкцию^[4].

Основное предназначение диафрагмы объектива — регулировка его относительного отверстия и светосилы, необходимая для управления глубиной резкости, а также точного дозирования проходящего света и получения правильной экспозиции^[5]. При регулировке диафрагмы её отверстие закрывается от краёв к центру, поскольку наиболее высокое качество изображения обеспечивается центральной частью световых пучков.

Различают геометрическое и эффективное относительные отверстия: геометрическое представляет собой отношения диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию и выражается дробью с числителем, равным единице. В фотографии вместо единицы часто используют латинскую букву f, которая конкретизирует назначение дроби: например, относительное отверстие 1/5,6 обозначается f/5,6^{[* 2]}. Эффективное относительное отверстие всегда меньше геометрического, поскольку учитывает потери на поглощение и рассеяние света в стекле^[6]. Эти потери снижаются при помощи просветления, но в сложных многолинзовых объективах могут быть существенны и должны учитываться, поэтому шкалы диафрагмы отражают значения эффективных относительных отверстий^[5]. В современной киносъёмочной оптике для обозначения эффективных относительных отверстий используется буква T^[7][8]. В то же время, значение предельной светосилы фотообъектива, указанное на его оправе, отражает геометрическое относительное отверстие.

Градуировка шкал диафрагмы производится в диафрагменных числах таким образом, что каждому соседнему делению соответствует изменение светосилы в два раза. Таким образом, при выборе соседнего значения шкалы, экспозиция всегда меняется на одну экспозиционную ступень. Так как светосила является квадратом относительного отверстия, последнее должно изменяться в ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ раз^[5]. Поэтому соседние диафрагменные числа отличаются в ${\displaystyle {\sqrt {2}}}$ раз: f/0,7; f/1; f/1,4; f/2; f/2,8; f/4; f/5,6; f/8; f/11; f/16; f/22; f/32; f/45; f/64. Конкретные значения диафрагменных чисел, используемых производителями для градуировки шкал, должны соответствовать международному стандарту ISO 517—73. В СССР ему соответствовал ГОСТ 17175—82, использовавшийся для объективов общего назначения^[9]. Кроме основного ряда чисел, отличающихся на одну экспозиционную ступень, стандартный ряд содержит два вспомогательных, со значениями отличающимися на 1/2 и 1/3 ступени. В большинстве случаев шкалы диафрагм маркируются только значениями основного ряда, но иногда допускается использование промежуточных значений^[9]. В объективах, предназначенных для современных цифровых фотоаппаратов, шкалы диафрагмы отсутствуют, поскольку она управляется из камеры, а значения относительного отверстия отображаются на дисплее. При этом шаг шкалы обычно регулируется и может предусматривать любой из двух вспомогательных рядов.

Диафрагменные числа, обозначающие геометрическую светосилу некоторых объективов, могут браться из промежуточных рядов, поскольку отражают расчётный предел возможностей конкретной конструкции, например 1,2; 4,5; 6,3. В вариообъективах максимальное относительное отверстие может быть переменным в зависимости от фокусного расстояния. В этих случаях на оправе через тире или тильду указываются крайние значения диафрагменного числа, например 3,5~5,6. Ручная регулировка диафрагмы в современных фотообъективах возможна только ступенчато из-за особенностей управления зеркальных фотоаппаратов. Однако в автоматических режимах приоритета выдержки или программном ирисовая диафрагма регулируется бесступенчато, как в киносъёмочной и телевизионной оптике.

Автоматическая двухлепестковая диафрагма видеокамеры

Ирисовая диафрагма (от лат. iris «радужная оболочка») состоит из нескольких (обычно от 2 до 20) поворотных лепестков (ламелей), приводимых в движение вращающимся кольцом на оправе объектива. Лепестки могут быть различной формы, но при полностью открытой диафрагме они формируют круглое отверстие, при частично закрытой — многоугольник, число сторон которого соответствует количеству ламелей. Этот многоугольник отображается в случае попадания в кадр несфокусированных точечных источников света, образующих «боке». Уменьшение количества лепестков ирисовой диафрагмы приводит к заметности углов между ними. Простейшие автоматические диафрагмы любительских кинокамер и видеокамер, состоящие из двух лепестков с треугольными вырезами, давали ромбовидное изображение точечных источников. Наиболее совершенными считаются диафрагмы, состоящие из 8 и более лепестков, поскольку обеспечивают сечение пучков, близкое к окружности. Такие пучки создают наиболее совершенный оптический рисунок.

Установка значения относительного отверстия при использовании ирисовой диафрагмы производится поворотным кольцом, шкала которого размечена в соответствии с получаемыми диафрагменными числами. Шкала ирисовой диафрагмы с классическим устройством не может быть равномерной, сжимаясь по мере уменьшения отверстия. В начале 1960-х годов получили распространение механизмы, шкала которых равномерна за счёт более сложной формы лепестков. Один из наиболее ярких примеров такой модернизации — советские объективы «Юпитер-8» и «Юпитер-8М». У второго, заменившего на конвейере более раннюю модель, шкала диафрагмы равномерна. Такая конструкция повышает удобство и позволяет механически сопрягать кольцо диафрагмы с экспонометром камеры, но при средних значениях относительного отверстия из-за криволинейности ламелей диафрагма теряет форму правильного круга. Управление с помощью поворотного кольца используется в большей части кино-, фото- и телевизионного оборудования за исключением однообъективных зеркальных фотоаппаратов и некоторых кинокамер с зеркальным обтюратором^[10]. Визирование непосредственно через съёмочный объектив вынуждает использовать специальные механизмы ирисовой диафрагмы, позволяющие вручную или автоматически закрывать её только в момент съёмки. Особое значение такая возможность получила после распространения фазового автофокуса, неработоспособного при закрытой диафрагме.

Диафрагма с предварительной установкой

Шифт-объектив PC-Nikkor 3,5/35 с предварительной установкой диафрагмы

Обычно такой привод диафрагмы состоит из двух колец, одно из которых напрямую управляет относительным отверстием, а другое — кольцо предустановки — регулирует положение стопора вращения первого. Таким способом угол поворота первого кольца ограничивается до выбранного вторым рабочего значения. В результате фотограф может полностью открывать диафрагму для фокусировки, и вслепую закрывать её до предустановленного относительного отверстия, не отрывая взгляда от видоискателя. Принцип используется в однообъективных зеркальных фотоаппаратах, позволяя производить фокусировку объектива при полностью открытом отверстии, и быстро закрывать диафрагму, не глядя на её шкалу^[11].

Такая конструкция использовалась в иностранной оптике для зеркальных камер (например, Asahi Pentax, Miranda-D) до изобретения прыгающей диафрагмы, и позднее, когда её механическая реализация по тем или иным причинам затруднена, в том числе в шифт-объективах. Например, объектив PC-Nikkor 3,5/28 с такой диафрагмой выпускался до 2006 года^[12][13]. Диафрагма с кольцом предустановки широко использовалась в советских объективах для фотоаппаратов «Зенит», не оснащённых механизмом нажимной диафрагмы: «Гелиос-44», «Юпитер-9» «Мир-1» и других^[14]. Некоторые объективы («Индустар-61 Л/З», «Юпитер-37А», «MC Волна-9») имели одно кольцо, служившее как для установки значения, так и для закрывания диафрагмы^[15][11]. В этом случае предустановка осуществлялась после нажатия на кольцо в осевом направлении^[16].

Нажимная диафрагма

Объектив с механизмом нажимной диафрагмы на оправе системы «Exakta»

Диафрагма, закрываемая до рабочего значения вручную за счёт дополнительного усилия на спусковой кнопке или кнопке оправы объектива, кинематически совмещённой со спусковой^[17][18]. Предшествовала изобретению прыгающей диафрагмы и впервые использована в камерах Exakta, а затем Topcon и Miranda, в сочетании с расположением спусковой кнопки на передней стенке корпуса^[19]. В иностранных источниках называется «автоматическая нажимная диафрагма» (англ. Automatic Pressure Diaphragm)^[20]. Ранние образцы основаны на оригинальной конструкции оправы объектива со специальной кнопкой закрывания диафрагмы. По такому же принципу сконструирован штатный объектив «Гелиос-44» для фотоаппарата «Старт». В зарубежном фотоаппаратостроении нажимная диафрагма быстро уступила место прыгающей, поскольку приводит к недопустимому возрастанию усилия на спусковой кнопке.

Механизм нажимных и прыгающих диафрагм с односторонним креплением лепестков

В некоторых случаях тип диафрагмы обусловлен не её конструкцией, а устройством привода в корпусе фотоаппарата. Например, диафрагма резьбовых объективов с торцевым толкателем типа Pentax M42 может быть как нажимной, так и прыгающей. В первом случае она закрывается усилием спусковой кнопки, передаваемым системой рычагов, а во втором специальным механизмом камеры, сопряжённым с затвором. В СССР выпускалась серия фотоаппаратов с приводом от спусковой кнопки, размещённым внутри корпуса: «Зенит-ЕМ», «Зенит-11», а также разработанные на основе «Зенита-TTL», включая более поздние «Зенит-122» и «Зенит-412». Тем не менее, сама диафрагма, как нажимная, так и прыгающая, отличается по устройству от обычной ирисовой. Её лепестки крепятся в оправе только одной стороной, тогда как противоположная не имеет опоры^[21]. Это обусловлено приводом от промежуточной пружины, а не самого кольца регулировки.

Прыгающая диафрагма

Наиболее сложная разновидность привода ирисовой диафрагмы, обеспечивающая кадрирование и фокусировку при полном отверстии в камерах со сквозным визированием и фазовым автофокусом^{[* 3]}. Кроме зеркальной фотоаппаратуры прыгающая диафрагма использовалась в киносъёмочной технике: например в кинокамере Arriflex 16SR и объективах Taylor Hobson^[10][22]. В этом случае она автоматически закрывается при запуске лентопротяжного механизма, обеспечивая перед этим точную фокусировку. Кольцо установки значения такой диафрагмы изменяет только положение механизма, задающего степень закрытия при срабатывании привода.

Впервые прыгающая диафрагма появилась в фотоаппарате Contaflex 1953 года с центральным затвором в несменном объективе^[23]. В более поздних моделях со сменной передней половиной объектива, прыгающая диафрагма продолжала оставаться неотъемлемой частью фотоаппарата, лишь незначительно усложняя конструкцию. В аппаратуре с фокальным затвором прыгающая диафрагма требует более сложных приводов, поскольку основная часть её механизма располагается в объективах, меняющихся целиком^{[* 4]}. Наиболее ранние механизмы оснащались пружиной с предварительным взводом, которая закрывает относительное отверстие после нажатия на спусковую кнопку^[17][19]. После каждого снимка диафрагма не возвращалась в открытое состояние и требовался её взвод^[24]. Такое устройство под названием «автоматическая пружинная диафрагма» (англ. Automatic Spring Diaphragm) исключает дополнительное усилие на кнопке, и нашло применение как в иностранной фотоаппаратуре, например, полуавтоматических объективах для «Экзакты», «Minolta SR-2» и «Contarex», так и в советской, например в объективе «Индустар-29» фотоаппарата «Салют»^[17][25][26].

Наиболее известный отечественный объектив с таким приводом — «Таир-3ФС» для «Фотоснайпера»^[27]. В зарубежных источниках заводная диафрагма получила название «полуавтоматической» (англ. Semi Automatic Diaphragm). Однако, широкого распространения система не получила из-за внедрения в фотоаппаратах зеркала постоянного визирования, возвращающегося в рабочее положение после срабатывания затвора. Это вынудило разработчиков сделать прыгающую диафрагму также самовозвратной, то есть не требующей взвода пружины после каждого снимка^[24]. В результате диафрагма автоматически открывается после срабатывания, и в видоискателе постоянно наблюдается яркое изображение при полном отверстии^{[18][* 5]}. В СССР самовозвратную диафрагму первоначально называли «моргающей», а за рубежом «автоматической» (англ. Fully Automatic Diaphragm, Fully Automatic Lens)^[28]. Поэтому иностранные объективы первых серий с таким приводом диафрагмы часто содержали в названии слово «Auto»: например, Nikkor Auto, Auto-Takumar и т. д. Советская оптика с моргающей диафрагмой получила в названиях дополнительную букву «М»^[29].

Электромагнитный исполнительный механизм прыгающей диафрагмы объектива Canon EF

В фотоаппаратах прыгающая диафрагма закрывается до рабочего значения специальным механизмом, как правило совмещённым с подъёмом зеркала. При этом используется усилие пружин или электромагнита, а не спусковой кнопки, что обеспечивает плавный спуск^[14]. Прыгающей диафрагмой с начала 1960-х годов оснащались практически все зарубежные зеркальные фотоаппараты, а в 1964 году её получили и советские камеры семейства «Зенит-4» с центральным затвором и «Киев-10 Автомат». Байонетные зеркальные фотоаппараты серии «Зенит-Автомат» и семейства «Алмаз» имели аналогичный механизм, поскольку прыгающая диафрагма и её привод являются составной частью большинства стандартных байонетов. Из резьбовых «зеркалок» прыгающей диафрагмой оснащались «Зенит-18» и «Зенит-19». В современных объективах с прыгающей диафрагмой, лишённых кольца её установки, например Canon EF, закрытие производится электромагнитом, одновременно регулирующим рабочее значение в соответствии с командами камеры. В некоторых фотосистемах, например, Nikon AI-S механический привод прыгающей диафрагмы выполняет также функцию выбора её рабочего значения в автоматических режимах приоритета выдержки и программном^[30].

Прыгающая диафрагма повышает удобство съёмки, но лишает фотографа возможности визуальной оценки глубины резкости, поскольку изображение в видоискателе видимо только при полном отверстии. Для полноценного контроля изображения большинство зеркальных фотоаппаратов оснащаются репетиром диафрагмы, при необходимости принудительно закрывающим её до рабочего значения^[14].

Механизм прыгающей диафрагмы во многом аналогичен центральному фотозатвору и обладает сопоставимым быстродействием. Эти особенности ограничивают количество лепестков: дешёвые объективы оснащаются диафрагмой, имеющей 6 или даже 5 лепестков, образующих отчётливый многоугольник^[31]. Такое сечение пучков негативно сказывается на характере оптического рисунка, поэтому дорогая оптика оснащается многолепестковыми механизмами. При использовании объективов, оснащённых прыгающей диафрагмой через адаптер на фотоаппаратах других фотосистем, её привод не работает^{[* 6]}.

Изображение при диафрагме 1/1,4 (слева) и 1/9 (справа). Основная разница: хроматические аберрации, общая резкость, глубина резкости

Кроме регулировки экспозиции и глубины резкости, изменение относительного отверстия при помощи диафрагмы влияет на другие важные параметры изображения:

• аберрации — уменьшение относительного отверстия приводит к снижению аберраций системы, поскольку уменьшается сечение пучков, и для построения изображения используется только центральная часть линз с наименьшей кривизной. Наиболее низкие значения аберрации принимают при диафрагме, закрытой до минимального значения;
• дифракция — как любая другая оптическая система, объектив дифракционно ограничен за счёт дифракции света на краях апертурной диафрагмы^[32]. Это выражается в снижении разрешающей способности при уменьшении относительного отверстия;

Таким образом, при закрывании диафрагмы одновременно со снижением аберраций возрастает дифракционное ограничение^[33]. Максимальное разрешение объектива достигается при средних значениях диафрагмы: f/8—f/11, когда аберрации и дифракция уравновешены.

• • Творческий союз семерых американских
    • Выдержка (фото)
    • Относительное отверстие
    • Оправа объектива
    • Экспонометр
    • 1. ↑ В некоторых случаях отверстие может быть не одно, и иметь форму, отличающуюся от круга
      2. ↑ Вместо дроби в обозначении может использоваться двоеточие, например 1:5,6
      3. ↑ В цифровых фотоаппаратах с электронным видоискателем прыгающая диафрагма необязательна, поскольку яркость изображения и эффективность контрастного автофокуса не зависят от относительного отверстия. В беззеркальных камерах прыгающая диафрагма применяется только для повышения точности ручной фокусировки или эффективности гибридного автофокуса
      4. ↑ В однообъективных зеркальных фотоаппаратах с залинзовым центральным затвором объектив тоже меняется целиком вместе с механизмом диафрагмы
      5. ↑ В среднеформатных зеркальных фотоаппаратах до сих пор применяется так называемое «залипающее» зеркало, требующее взвода затвора для возврата в положение визирования. Поэтому и диафрагма в объективах для этих камер открывается вместе с опусканием зеркала
      6. ↑ Исключение составляют адаптеры, оснащённые многорычажными передаточными механизмами, а также дорогостоящие адаптеры со встроенным микропроцессором, конвертирующим команды различных интерфейсов для электромагнитных диафрагм

      Источники

      1. ↑ Общий курс фотографии, 1987, с. 26.
      2. ↑ Общий курс фотографии, 1987, с. 27.
      3. ↑ Диафрагма (рус.). Конструкция фотоаппаратов. Zenit Camera. Дата обращения: 14 сентября 2013.
      4. ↑ Справочник конструктора оптико-механических приборов, 1980, с. 339.
      5. ↑ ^{1 2 3} Гордийчук, 1979, с. 152.
      6. ↑ Краткий справочник фотолюбителя, 1985, с. 35.
      7. ↑ f-стопы и t-стопы (рус.). Объективы. Образовательный проект FUJIFILM (29 августа 2012). Дата обращения: 3 мая 2014.
      8. ↑ Т-диафрагма // ГЛОССАРИЙ КИНЕМАТОГРАФИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ. — Kodak. — С. 208. — 213 с.
      9. ↑ ^{1 2} Ряды числовых значений относительных отверстий (рус.). Фототехника. Zenit Camera (25 января 1982). Дата обращения: 19 октября 2013.
      10. ↑ ^{1 2} Гордийчук, 1979, с. 133.
      11. ↑ ^{1 2} Краткий справочник фотолюбителя, 1985, с. 43.
      12. ↑ Ken Rockwell. Nikon 28mm PC (англ.). Персональный сайт. Дата обращения: 4 февраля 2017.
      13. ↑ Leo Foo. PC-Nikkor Lenses 28mm f/3.5 (англ.). Photography in Malaysia. Дата обращения: 4 февраля 2017.
      14. ↑ ^{1 2 3} История «одноглазых» (рус.). Статьи. PHOTOESCAPE. Дата обращения: 11 апреля 2013. Архивировано 18 апреля 2013 года.
      15. ↑ Советское фото, 1985, с. 43.
      16. ↑ Фотокурьер №2, 2006, с. 24.
      17. ↑ ^{1 2 3} Общий курс фотографии, 1987, с. 34.
      18. ↑ ^{1 2} Учебная книга по фотографии, 1976, с. 56.
      19. ↑ ^{1 2} Фотокурьер №2, 2006, с. 25.
      20. ↑ Инструкция к фотоаппарату Exakta VX 500, с. 24.
      21. ↑ Современные фотографические аппараты, 1968, с. 11.
      22. ↑ Киносъёмочная техника, 1988, с. 44,99.
      23. ↑ Zeiss Ikon Contaflex - 1953 (англ.). Classic Cameras. Дата обращения: 23 ноября 2020.
      24. ↑ ^{1 2} Фотоаппараты, 1984, с. 69.
      25. ↑ И. Арисов. Фотоаппарат Салют (ранний, с автоспуском) (рус.). Фототехника СССР. Дата обращения: 11 декабря 2020.
      26. ↑ Stephen Gandy. Minolta SR-2. Minolta's first 35mm SLR 1958 (англ.). Stephen Gandy's CameraQuest (25 November 2003). Дата обращения: 2 января 2020.
      27. ↑ Наука и жизнь, 1966, с. 155.
      28. ↑ Фотокинотехника, 1981, с. 265.
      29. ↑ Советское фото, 1977, с. 38.
      30. ↑ Jurgen Becker. The difference between an AI lens and an AI-S lens (англ.). Background. «Trough the F-mount» (19 February 2012). Дата обращения: 30 марта 2015.
      31. ↑ Фотоаппараты, 1984, с. 42.
      32. ↑ Дифракция объектива её влияние на фотографию (рус.). Статьи о фотографии. FotoMTV.ru. Дата обращения: 17 сентября 2013.
      33. ↑ LENS DIFFRACTION & PHOTOGRAPHY (англ.). Tutorials. Cambridge in Colour. Дата обращения: 17 сентября 2013.
      34. ↑ Общий курс фотографии, 1987, с. 20.
      35. ↑ 15 ноября 1932 года на стене музея М. Х. де Янга в Сан-Франциско был вывешен манифест знаменитой фотогруппы F64 (рус.). История фотографии. Photo Island. Дата обращения: 13 сентября 2013.

      Литература

      • Борис Бакст.
        • Понятия диафрагмы, диафрагменных чисел, относительного отверстия, светосилы

        • Диафрагма в фотографии