Lichtabfall - bis Linsenoberfläche, Brennpunkt oder Kamerasensor?

In der Radiometrie versuchen Sie normalerweise, ein Objekt auf eine Punktquelle oder einen gleichmäßigen Emitter mit einer primitiven Geometrie (Scheibe, Quadrat usw.) zu reduzieren. Wir sagen, Sie sind weit genug entfernt, dass sich die Glühbirne wie eine Punktquelle verhält.

Aus dem Gesetz des umgekehrten Quadrats ersehen Sie, dass bei Kontakt mit der Glühbirne unendliche Leistung und bei extremer Entfernung von der Glühbirne eine unendlich kleine Leistung vorhanden ist. Dies ist kein Energieverlust, sondern nur die Ausbreitung der Energie. Wenn Sie einen Teil der Leistung mit einer Linse sammeln, gibt es zwei Fälle - einer besteht darin, sie zu "kollimieren" (sie in geraden Linien reisen zu lassen). In diesem Fall ist die Energiedichte jetzt als Funktion der zurückgelegten Entfernung oder des Projekts konstant es zu einem Fokus. Ihr Kameraobjektiv erledigt letzteres. Da Sie Sekundäreffekte wie Transmission ignorieren möchten, ist die Linse ein idealer Kollektor und projiziert die gesamte Leistung auf einen unendlich kleinen Punkt auf dem Sensor mit unendlicher Energiedichte (dh W/cm² = ∞).

Das Kernstück Ihrer Frage ist, wo genau die Linse Energie sammelt und wie groß das Ding ist.

Von oben beginnend wird das vordere Element Ihres Objektivs vom gesamten Sichtfeld genutzt. Gerade bei einem Weitwinkelobjektiv wird das nicht alles von einer Punktquelle genutzt. Stellen Sie sich ein Fischaugenobjektiv vor, bei dem das vordere Element riesig ist, aber wenn Sie hindurchsehen, ist der helle Kreis, den Sie sehen, ziemlich klein. Dieser helle Kreis, den Sie sehen, ist die Öffnung, die Licht von einer unendlichen Anzahl von Punktquellen wie Ihrer Glühbirne sammelt.

Diese Öffnung ist wahrscheinlich virtuell (was bedeutet, dass Sie sie nicht berühren können) und wird Eingangspupille (EP) genannt. Es ist das Bild der Aperturblende, das durch alle Linsen davor gesehen wird. Das EP sammelt Licht, um herauszufinden, wie viel Ihr Objektiv sammelt, müssen Sie seine Größe und Position kennen.

Wenn Ihr Objekt sehr weit entfernt ist, ist der Unterschied zwischen der Position des EP und der Position der Bildebene wahrscheinlich eine kleine "Korrektur". Seine Größe kann auch einfach aus dem Verhältnis von Brennweite und F/# berechnet werden. Für Ihr 35/2-Beispiel hat es also einen Durchmesser von 17,5 mm. Dies ist ungenau, da die F/# auf dem Lauf eine Marketingzahl ist und tatsächlich zwischen F/1,9 und F/2,3 oder so liegen könnte, ohne dass der Anbieter gegen die CIPA-Anforderungen verstößt, die ISO 517 entsprechen. Die F/# ist auch nur für ein Objekt im Unendlichen, und die Arbeits-F / # ist größer. Dieser Unterschied ist in der Fotowelt auch als Balgeffekt bekannt.

Sie können die EP-Größe und -Position auch ziemlich einfach messen. Legen Sie das Objektiv vor ein Blatt Papier und machen Sie mit einem Makroobjektiv ein Foto von seiner Blende. Nehmen Sie dann ein Bild von einem Lineal auf, ohne den Fokus anzupassen. Ermitteln Sie die Plattenskala (mm/px) und nehmen Sie dann den Durchmesser der Öffnung in px und berechnen Sie den Durchmesser in mm. Wenn die Vergrößerung bekannt ist (und sie ist mit sehr hoher Genauigkeit bekannt – das Lineal und die Pixelgröße in Mikrometern lassen Sie dies berechnen), können Sie die Gesamtspurlänge des Abbildungssystems berechnen. Auf diese Weise können Sie Entfernungen vom Sensor der Kamera berechnen, der ein ziemlich gut lokalisiertes Datum ist.

Licht aus einer Punktquelle gehorcht dem Gesetz des umgekehrten Quadrats. Wenn Sie dieses Prinzip anwenden, können Sie die Strahlungsenergie berechnen, die auf die Oberfläche der Linse einwirkt. Jetzt wirkt das Kameraobjektiv wie ein Trichter, indem es Licht sammelt. Die Menge an Lichtenergie, die die Linse durchquert, wird durch mehrere zusätzliche Faktoren bestimmt. Die Arbeitsfläche (Apertur) des Objektivs steht an erster Stelle. Die Rede ist von der verfügbaren Fläche (Capture Area). Je größer die Oberfläche der Blende ist, desto mehr Licht wird gesammelt.

Jetzt besteht die Aufgabe des Objektivs darin, ein Bild der Außenwelt auf die flache Oberfläche eines Films oder eines digitalen Bildsensors zu projizieren. Wenn dieses Licht die Linse durchquert, geht Lichtenergie verloren, da die verschiedenen Elemente der Linse nicht einwandfrei transparent sind. Außerdem ist ein Kameraobjektiv ein Array, das aus mehreren Linsenelementen besteht. Ein solches Schema ist notwendig, um die sieben optischen Aberrationen zu mildern, die plagen. Jedes Element hat zwei polierte Oberflächen, die das Licht reflektieren. Linsenbeschichtung mildert den Lichtverlust; dennoch gehen 2 % oder mehr pro Element verloren.

Die Helligkeit des projizierten Bildes in der Brennebene wird massiv durch den Abstand Objektiv-Bild (Brennweite) beeinflusst. Jede Verdoppelung der Brennweite führt zu einer zweifachen Größenänderung des projizierten Bildes. Jede 2-fache Vergrößerungsänderung führt zu einer 4-fachen Änderung der Bildfläche. Das Delta (Änderung) hat eine Größenordnung von 4X. In anderen Welten führt eine Verdoppelung der Brennweite zu einer 4-fachen Änderung der Bildhelligkeit.

In der Mitte ist das Bild am hellsten. Wenn Sie die Bildhelligkeit außerhalb der Achse untersuchen, werden Sie einen Abfall entdecken, der als Vignette bezeichnet wird. Die Vignette hat zwei Hauptbeiträge. In der Mitte des Bildes ist die Objektivblende eine kreisförmige Öffnung. Eine außeraxiale Ansicht zeigt, dass die Blende elliptisch erscheint und daher weniger Oberfläche hat – daher lässt sie weniger Licht durch.

Das Objektiv erzeugt ein Bild, das aus unzähligen winzigen Lichtpunkten besteht. In der Mitte dieses Bildes sind diese Punkte kreisförmig. An den Grenzen sind diese Punkte Ellipsen. Die von diesen Ellipsen übertragene Lichtenergie wird dadurch gekürzt, dass sie in einem schrägen Winkel eintreffen.

Es gibt mehr Dämpfungsfaktoren als erwähnt. All dies macht Ihre Methode zur Berücksichtigung der in der Bildebene empfangenen Energie entmutigender.

Ich denke, der Abstand von einer Lichtquelle zum vorderen Linsenelement folgt genau dem Gesetz des umgekehrten Quadrats, vorausgesetzt, das Licht geht von einem Punkt aus. Stammen die Lichtstrahlen von einer breiten Quelle oder sind die einfallenden Lichtstrahlen nicht omnidirektional, verringert sich die Genauigkeit der Berechnung.

Wenn das Licht die vordere Linsenelementgruppe durchquert, negiert die Brechkraft das Gesetz des umgekehrten Quadrats. Dies liegt daran, dass der tatsächliche Durchmesser gegenüber dem scheinbaren Durchmesser der Aperturblende unterschiedlich ist.

Dies kann bei einem Zoomobjektiv sehr nützlich sein. Das Zoomobjektiv erfährt einen Gewinn oder Verlust hinsichtlich der Bildhelligkeit, wenn sich die Brennweite ändert. Zur Abmilderung ändert die vordere Linsengruppe ihren Abstand zur Blende im Verhältnis zum Zoom. Das Ergebnis ist; der scheinbare Durchmesser der Blende ändert sich entsprechend dem Zoom. Diese Aktion bewahrt die Bildhelligkeit während des größten Teils, wenn nicht des gesamten Zooms (konstante Blende).

Tatsache ist, dass bei allen Objektiven der scheinbare Durchmesser der Aperturblende vom tatsächlichen Durchmesser abweicht, basierend auf der Stärke der Gruppe vor der Irisblende. Die untere Zeile, ein Strahl durchquert das vordere Element, das inverse Quadrat wird negiert.