Выше, обсуждая F-числа, мы упоминали ряд F-чисел: 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32 и т. д. Этот список можно продолжить: 44, 64, 88, 128 и т. д. Чем выше F-число, тем меньше отверстие диафрагмы, мы уже говорили об этом.
Для фотографической или кинопленки F/32 — это довольно большое число. Чувствительность эмульсии пленки такова, что даже в солнечный день такое F-число в совокупности с доступной скоростью затвора достаточно для компенсации избыточного света.
Чувствительность пленки измеряется в единицах ISO, а обычно используемая в повседневных целях пленка имеет чувствительность 100 единиц ISO.
ПЗС-матрицы гораздо более чувствительны, чем пленка в 100 единиц ISO, особенно черно-белые матрицы. Зная уровень света, F-число и скорость затвора фотокамеры, типичное время экспозиции ПЗС-телекамеры (1/50 с для CCIR) и установку диафрагмы, мы можем посчитать чувствительность черно-белой ПЗС-матрицы — она близка к значению в 100 000 единиц ISO. Это довольно высокая чувствительность.
Рис. 3.26. Встроенный в объектив нейтрально-серый фильтр
В переводе на обычный язык это означает, что ПЗС-матрица настолько чувствительна, что низкий уровень света не будет проблемой (хотя Вы могли не раз слышать от потребителей: «Насколько чувствительна ваша телекамера?»), а проблемой скорее будет сильный свет.
Поскольку телекамеры имеют только одно время экспозиции, 1/50 секунды в CCIR и SECAM и 1/60 секунды в NTSC (не учитывая электронный затвор ПЗС-телекамер), то в целях уменьшения количества света мы можем манипулировать только F-числом.
Для формирования полного видеосигнала на черно-белой ПЗС-матрице средней чувствительности требуется 0.1 лк. Ясный солнечный день на пляже или снег дает больше 100 000 лк на объекте.
Чтобы снизить эту величину до 0.1 лк требуется использование очень больших значений F-числа (порядка F/1200). Опираясь на основное определение F-числа для среднего объектива 16 мм/1.4, мы получим, что F/1200 соответствует эффективному отверстию диафрагмы в 16/1200=0.013 мм.
Механическими способами такого маленького отверстия с требуемой точностью достичь невозможно, а кроме этого мы столкнемся с новыми проблемами — краевой дифракцией света (известной как эффект Френеля), что весьма ухудшит качество изображения.
Решение было найдено в использовании внутренних фильтров нейтральной плотности.
Это очень тонкая пленка с круговым покрытием нейтрального цвета, размещаемая посередине объектива, близко к плоскости диафрагмы. Фильтр делается менее прозрачными по направлению к середине концентрических колец. Нужное F-число, таким образом, достигается путем комбинации средств механической диафрагмы (положение лепестков) и оптического нейтрально-серого фильтра (оптическое ослабление). Это очень простой и эффективный способ борьбы с сильным светом.
Фильтры называются нейтральными, потому что они ослабляют все длины волн (цвета) равномерно, таким образом не меняя световой композиции изображения.
Рис. 3.27. ND-фильтр в объективе с автодиафрагмой
Следует отметить, что очень важна оптическая точность таких тонких пленок, так как при увеличении F-числа должны сохраняться ФПМ-характеристики объектива. Теоретически, разрешающая способность любого объектива максимальна в середине диапазона установок механической диафрагмы и уменьшается по мере увеличения или уменьшения F-числа (это отличается от эффекта глубины резкости), но нейтрально-серый фильтр может его еще более снизить. Будет это заметно, либо нет, зависит от общих качеств объектива.
Кроме внутренних фильтров существуют и внешние нейтрально-серые фильтры, которые выполнены более просто. Это полупрозрачные стеклянные пластинки или, по-другому, оптические фильтры, ослабляющие свет в х раз. Ослабление может быть в 10000 или 1000 раз. Можно комбинировать два или три фильтра, так, например, 10 и 1000 вместе дадут фильтр с ослаблением в 10 000 раз.
Иногда, и, пожалуй, это более корректно, ослабление внешним нейтрально-серым фильтром выражается в F-числах. Зная, что каждое следующее диафрагменное число уменьшит светособирающую силу в два раза (50 % от предыдущего значения), мы можем построить следующую логическую цепочку: 100-кратный фильтр соответствует «полпути» между 26 и 27 (26 = 64, 27 = 128). Это означает, что ослабление в 100 раз — это примерно 6.5 F-чисел. Ослабление в 1000 раз — это примерно 210 или порядка 10 F-чисел.
Этот тип фильтров, как уже говорилось, очень удобен для минимизации глубины резкости при регулировке заднего фокуса или настройке уровня автодиафрагмы в дневное время.
Некоторые объективы имеют диафрагму с ручным управлением. Такие объективы обычно используются в помещениях с постоянным уровнем освещенности: торговых центрах, подземных гаражах, библиотеках и пр. Обычно это помещения, где естественный свет не оказывает заметного влияния на основную освещенность наблюдаемой зоны, и, следовательно, мы имеем почти постоянную величину освещенности, создаваемую искусственным светом. Небольшие случайные вариации освещенности компенсируются автоматической регулировкой усиления телекамеры.
С появлением ПЗС-телекамер с электронным затвором объективы с фиксированной диафрагмой используются и в зонах с переменной освещенностью, так как электронный затвор автоматически выбирает время экспозиции, компенсируя вариации света.
Есть два основных фактора, определяющих F-число объектива с ручной установкой диафрагмы для его оптимального функционирования:
• Интенсивность света.
• Глубина резкости.
Они противоречат друг другу, и вот почему ручная установка диафрагмы всегда является компромиссом. Если делать установку в условиях очень низкого уровня освещенности или если телекамера имеет низкую чувствительность, общая тенденция сводится к максимальному раскрыву отверстия диафрагмы (низкое F-число). Очевидно, что в этом случае глубина резкости и ФПМ, как выше объяснялось, будут минимальны. Не следует забывать, что разрешающая способность объектива на самых малых F-числах обычно самая низкая, не говоря уж о глубине резкости. Компромисс — это наилучшее решение (если позволяет минимальная освещенность телекамеры), и объектив устанавливается на одно или два значения F-числа выше наименьшего возможного, т. е. F/2 или F/2.8.
Объективы с автодиафрагмой снабжены электронной схемой, которая обрабатывает выходной видеосигнал телекамеры и решает, исходя из уровня видеосигнала, нужно ли открывать или закрывать отверстие диафрагмы.
Рис. 3.28. Объективы с фиксированным фокусным расстоянием и ручной установкой диафрагмы
Рис. 3.29. Типичная схема подключения объектива с автодиафрагмой, управляемой видеосигналом
Автодиафрагма работает по принципу автоматической электронно-оптической обратной связи. Если уровень видеосигнала низкий, электроника сообщает диафрагме, что необходимо раскрыть отверстие, а если слишком высок, то — прикрыть.