РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СИСТЕМЫ ОБЪЕКТИВ/МАТРИЦА - 27 Апреля 2012 - Фотограф Александр Иванов - Alexiva

Главная » 2012 » Апрель » 27 » РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СИСТЕМЫ ОБЪЕКТИВ/МАТРИЦА
08:00
РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ СИСТЕМЫ ОБЪЕКТИВ/МАТРИЦА
Объектив
 
За предел разрешающей способности, согласно критерию Рэлея, понимается расстояние между двумя точками, при котором центр одного пятна совпадает с серединой первого темного дифракционного кольца второго пятна
 
 
Разрешающая способность оптической системы.
 
E max, Emin – освещенности светлого и темного дифракционных колец соответственно,
D – диаметр входного зрачка,
f‘ – заднее фокусное расстояние,
d - линейный предел разрешения,
l – длина волны света.
 
Напишем эту формулу в других обозначениях, чтобы на компьютере шрифт не менять:
 
(1) d = 1.22*h*F/D, где теперь
 
d – различимое расстояние на матрице фотоаппарата по уровню 26%
h – длина волны света
F – заднее фокусное расстояние или просто фокусное расстояние для удаленных объектов
D – диаметр линзы
 
Отношение фокусного расстояния к диаметру линзы иначе называется диафрагмой. Обозначим ее K. Величину, обратную линейному пределу разрешения d, назовем разрешающей способностью объектива R0. Тогда формула (1) принимает вид:
 
(2) R0 = 1/1.22hK
 
Для длины волны 546 нм получим простое выражение:
 
(3) R0 = 1500/K, где R0 – число штрихов на мм. Но для определения разрешения объектива уровень 0.26 слишком "строгий", поэтому с экспериментальными данными лучше согласуется R0 = 2200-2400/K
 
Фотоаппарат
 
Число пикселей матрицы по ширине нам известно. Обозначим это число N. Ширину матрицы обозначим W. Тогда разрешающая способность матрицы
 
(4) R1’ = N/W/2, согласно китерию Найквиста
 
Реальное разрешение гораздо меньше. Во-первых, «цветной» пиксель состоит из красного, двух зеленых и одного синего пикселя. Производители указывают их сумму. Поэтому матрица 16 мп имеет 4 мп «цветных» пикселей. Во-вторых, штрихи могут расположиться удачно (попасть на пиксели), а могут и между ними. В-третьих, мы имеем дело с разными длинами волн: от красного до синего. Хотя последнее соображение стоило бы отнести к разделу «Объектив». Заполнение матрицы пикселями не 100%, так как между ними есть некоторое  расстояние. Также в фотоаппарате имеется антимуаровый фильтр, который в качестве платы за свою работу забирает часть резкости. Для простоты будем считать освещение монохромным с длиной волны 546 нм. Поэтому
 
(5) R1 = R1’/1.2, где понижающий коэффициент 1.2 найден экспериментально, так как с любыми объективами разрешение, выше 86 штрих/мм никогда не получалось (проверялось на Pentax K-5. Для Pentax K-5IIs без антимуарового фильтра понижающий коэффициент будет немного меньше). Для Panasonic FZ-200 этот коэффициент 1.0, для Pentax K-20D и Samsung GX-10 - 1.1.
 
Система
 
Для расчета разрешающей способности системы будем использовать формулу:
 
(6) R = R0*R1/sqrt(R0^2 + R1^2)   Хорошо согласуется с экспериментами.
 
Поэтому по ней и будем оценивать разрешающую способность системы. Для расчетов эта формула очень приблизительна, но позволят качественно понять, что же творится с изображением.Когда системы сильно отличаются друг от друга по разрешающей способности, то определяющую роль, очевидно, играет худшая система (система объектива или система матрицы).
 
Если разрешение системы R, а расстояние до объекта L, то мы сможем увидеть штрихи на объекте, расстояние между которыми S:
 
(7) S = L/(R*F), где F – фокусное расстояние объектива
 
Для примера рассмотрим объектив Samyang 650-1300mm в режиме 1300 мм, диафрагме K = 16 и фотоаппарат Pentax K-5 с матрицей 4928*3264 и размерами матрицы 23.7*15.7 мм (N = 4928, W = 23.7 mm).
 
Подставляя численные значения, получим
 
R0 = 2400/16 = 150 (штрих/мм) разрешение объектива с учетом только критерия Релея. Реально - несколько меньше.
R1 = 4928/23.7/2/1.2 = 87 (штрих/мм)
 
Подставляя R0 и R1 в формулу (6), получим R = 72 (штрих/мм). В Телеобъектив SAMYANG MF 650-1300 f/8.0-16.0 (T-mount) в результате измерений получилось практически то же значение: 73.
 
Предположим, что объект в этом примере находится на расстоянии 100 метров. Тогда можем сфотографировать «штрихи» (это 100% контрастность, а реальная контрастность объекта гораздо меньше!)
 
100000/(72*1300) = 1.07mm
 
Т.е. мы как-то различим детали около 1.0 мм.
 
В статье ПРИМЕНЕНИЕ ОБЪЕКТИВА SAMYANG 650-1300mm f/8-16  размещена фотография кондиционера http://alexiva.ucoz.ru/_nw/0/14791787.jpg , который находится на расстоянии 87 метров. Еще там же есть снимок таблицы с миллиметровыми черно-белыми полосками (контрастность близка к 100%) на расстоянии 115 метров. На первом снимке прекрасно видны винтики с крестообразными шлицами, их грани, песчинки и рельеф штукатурки на стене, фактура кирпича и кладки, граница наклейки с названием кондиционера. На другой четко чередующиеся штрихи и фактура столба, на котором находится таблица. В последствии я заменил таблицу на радиальную миру, которой гораздо удобнее пользоваться.
 
Рассмотрим другую систему с дорогим объективом Sigma AF 400-1000mm f/5.6 APO EX DG.
 
R0 = 2400/5.6 = 429 (штрих/мм), R1 то же: 86 (штрих/мм). Получим, что для системы
R = 84 (с учетом матрицы), что не впечатляюще больше, чем 72 с дешевым объективом.
 
По формуле (7) получаем:
 
S = 100000/(84*1000) = 1.2mm
 
Не впечатляет так сильно, как стоимость 600 тыс. руб., вес 15.7 кг и монументальный штатив. Хотя светосила, конечно, больше. Поэтому замечательный объектив за 600 тыс. руб. проявит себя с фотоаппаратом, где стоит матрица с высоким разрешением. Мало для него 86 штрих/мм.

По выше приведенным формулам для различных фотоаппаратов можно построить графики теоретической разрешающей способности (число штрихов по ширине кадра) с "идеальными" объективами:



Очень похоже выглядят графики приведенной к Pentax K-5 разрешающей способности (число штрихов на мм):



Выводы из полученных данных
 
1. Разрешающая способность матрицы не определяет возможности системы, где слабым звеном является объектив. Например, матрица Panasonic FZ-200 имеет высочайшее разрешение, но разрешение системы определяет дифракция. Хорошо видно, что для фотоаппаратов с маленькой матрицей крайне важно иметь светосильный объектив.
2. Телеконвертор 2х для Samyang 650-1300mm позволит несколько увеличить разрешение объекта. Например, при диафрагме 16 (соответствует 1300 мм) разрешение для Pentax K-5 равно 75 штрих/мм. С конвертором диафрагма будет 32 и разрешение 57. Но изображение будет в два раза крупнее и детализация будет выше примерно в 104/75=1.39 раз. Реально несколько меньше, но все же применение телеконвертора может что-то улучшить. Хотя неудобства вырастут в разы.
3. Телеконвертор 2х для Sigma 150-500mm практически уравнивает Sigma 159-500mm с Samyang 650-1300mm, так как теряется возможность автофокуса и OS в объективе, но минимальная дистанция съемки при этом во всем диапазоне фокусных расстояний остается прежней 2.2 метра!

Для всех объективов справедливо правило: лучшее качество достигается при максимальном приближении к объекту. Ноги очень важный инструмент для фотографа.

Общий обзор объективов
 
 
Объектив очень разносторонний. Им можно снимать мелкие объекты, ландшафты. Архитектурная и панорамная съемка при широком угле (F=17mm) без коррекции сложных искажений (аналогичны искажениям Samyang 14mm/2.8, но менее выраженным) может оказаться неудачной. В то же время он подходит (не самым лучшим образом) и для портретных съемок, даже крупным планом.
 
 
Объектив очень резкий. По всему полю, даже при f/1.4. С другой стороны он может обеспечить малую ГРИП при относительно небольших расстояниях. Например, на расстоянии 5-7 метров можно выделить объект из толпы (45-90 см). При портретной съемке крупным планом он диафрагмируется на 4-8, что дает исключительную четкость и нужную ГРИП. Им можно снимать ландшафты, удаленную городскую архитектуру общим планом, панорамы высокой четкости. При панорамном методе возможна съемка в тесных условиях с повышенной четкостью.
 
Часто в обсуждениях объектива F = 50mm возникает вопрос: является ли он портретным. Правильный ответ: любой объектив является портретным, если фотография рассматривается под тем же углом, при котором осуществлялась съемка. Если расстояние просмотра больше, требуется увеличить размер фотографии для предотвращения перспективных искажений. Например, портрет крупным планом 30х40 см следует рассматривать с расстояния не более метра, если применялся объектив с F = 50mm, а небольшие портретные отпечатки 10х15 см хорошо смотрятся в руках. Смотрите об этом СДЕЛАНО SIGMA 150-500mm F5-6.3 APO DG OS .
 
Объектив явно портретный. Но подходит и для других видов съемки удаленных объектов или создание перспективы на больших пространствах. При этом не требует квалификации при съемке с рук на максимальном фокусном расстоянии. Легко фокусируется в ручном и автоматическом режиме. В ручном режиме возможно создание любого ГРИП. Требует установки на камеры с высоким разрешением матрицы. Хорошо показывает себя в условиях низкой освещенности.
 
 
Компактный дешевый телеобъектив, но достаточно резкий по центру кадра. Подходит для макросъемок с больших расстояний. В этом ему замены нет из имеющихся объективов. В условиях хорошего освещения дает отличную детализацию, не уступающую Sigma 70-200mm/2.8.
 
 
На коротком конце объектив прекрасно подходит для портретных съемок. ГРИП при F = 150мм, f/5, L = 3 метра всего 6 см. Диафрагмируя, ее можно расширить до 19-23 см. На длинном конце автофокусировка была бы невозможна без оптической стабилизации. Съемка природы, спорта, животных, самолетов – это его стихия. Но, например, мелкие птицы - «плохие» модели. Ближе, чем на 5 метров к ним не подойти. А надо бы метра два. В отличие от охоты, надо не только прицелиться (поймать в кадр), но еще и фокусироваться. Но это интересно. Буду тренироваться на летящих утках, воронах. Когда они сидят – нет проблем. Альтернативой является для больших расстояний Samyang 650-1300mm/8-16.
 
 
Уникальный объектив. Очень резкий для таких фокусных расстояний. Требует тщательной фокусировки, что в свою очередь требует увеличительной насадки на видоискатель или LCD зкран. Эквивалента для съемки очень удаленных объектов ему не вижу. Рабочий диапазон от десятков метров до бесконечности. Причем 30-40 метров соответствует очень крупному плану. Более-менее справляюсь с ним при 650-700 мм. При фокусном расстоянии 1300 мм трудно «поймать» объект и удерживать его в поле зрения. Желательно облокотиться, использовать подручные опоры. Если съемка на природе, то удобнее лежа, с колена или сидя, привалившись к чему-нибудь спиной. Желательны навыки снайпера и трезвый образ жизни. Луна или Солнце на закате/восходе при максимальном фокусном расстоянии занимает почти весь кадр. Стоит чуть зазеваться, как объект «выскакивает» из кадра. Пользуюсь им относительно недавно, еще не освоил. Самый сложный объектив. Предполагаю, что номерной знак автомашины можно сфотографировать с расстояния 1-2 км. Наилучшие результаты достигаются при серийной съемке. Оперативность низкая, так как требует тщательно «прицелиться» и настроить фокусное расстояние.
 
7) D-XENON 18-55 MM F 3.5-5.6 SAMSUNG прекрасно держит контровой свет, имеет малые геометрические искажения, обеспечивает высокую четкость изображения. На фокусном расстоянии 18 мм явно лучше, чем SIGMA 17-70 F2.8-4.5 DC MACRO . Замечательно подходит для интерьерной и архитектурной съемки. Тем более, ландшафтной.
 
Какими объективами, в каких условиях пользоваться
 
Если нет возможности перемещения, а объекты сильно удалены, то оптимально применить объектив Samyang 650-1300mm/8-16. При этом большие фокусные расстояния следует применять в крайних случаях или в условиях отличного освещения. Уменьшение фокусного расстояния, конечно, снизит детализацию, но не не настолько сильно, чтобы пойти на сокращение длительности выдержки или повышение чувствительности матрицы. Установка его на Pentax K-20 или Samsung GX-10 практически не скажется на результате.
Если есть возможность приблизиться к объекту съемки, то объектив Sigma 150-500mm/5-6.3 обеспечит ту же детализацию, что Samyang 650-1300mm/8-16, но с большими удобствами.
 
Еще больший выигрыш (раза в полтора) по детализации мы получим, если сможем приблизиться к объекту съемки, применяя Sigma 70-200mm/2.8 или Sigma 70-300mm/4-5.6. Детализация для них будет примерно одинакова, но в условиях низкой освещенности предпочтение следует отдать Sigma 70-200mm/2.8. Влияние матрицы для этих объективов уже заметно, особенно для Sigma 70-200mm/2.8. Поэтому следует предпочесть камеру Pentax K-5.
 
В условиях низкой освещенности и съемке крупным планом, наиболее подходят камеры с меньшим размером матрицы. Например, Panasonic Lumix FZ200 или аналогичные с оптической стабилизацией. Обоснование этому факту можно найти в статье КАК СДЕЛАТЬ БОЛЬШУЮ ГЛУБИНУ РЕЗКОСТИ СЛОЖНЫМ ПУТЕМ. Самое большое внимание должно быть для компакт-камер уделено качеству объектива. Затем максимальной чувствительности матрицы, т.е. шумам.
 
 
Приложение: калькулятор для приведенных вычислений на основе EXEL

1) Откройте EXEL
2) Заполняйте ячейки текстом, исходными данными, формулами (то, что выделено светло-голубым), как показано ниже:
Номер строкиЧто набирать в столбце A
1Число пикселей матрице по ширине
223,7
3Ширина матрицы, мм
44928
5Разрешающая способность матрицы, R1
6=A2/A4/2/1,2
7Диафрагма, K
85
9Разрешающая способность объектива, R0
10=2400/A8
11Разрешающая способность системы
12=A6*A10/КОРЕНЬ(A6*A6+A10*A10)
13Число штрихов по ширине кадра
14=A12*A4
15
Перерасчет на Pentax K-5
16=A14/23,7



Когда в строках 2, 4, 8 укажите свои данные, то EXEL пересчитает результаты для них.
 
Категория: Объективы | Просмотров: 10054 | Добавил: Alexiva | Теги: SAMYANG 650-1300MM, Pentax K-5, критерий Рэлея, Panasonic Lumix FZ-18, Sigma 70-300mm, разрешающая способность | Рейтинг: 4.0/4
Всего комментариев: 0