Освещённость внеосевой точки изображения

Освещённость (облучённость) в плоскости изображения уменьшается по мере удаления от оси, даже если сопряжённая предметная плоскость освещена равномерно. Определим закон изменения освещённости в плоскости изображения (рис. 6.9). При малом относительном отверстии оптической системы, формирующей изображение, диаметр выходного зрачка D'" р. Поэтому по отношению к плоскости изображения выходной зрачок ОС можно считать точечным источником. По закону обратных квадратов (6.5) освещённость точки В' пропорциональна косинусу угла между направлением падения светового потока и нормалью к плоскости, равного полевому углу со' в пространстве изображений. Во-вторых, освещённость обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до точки В':

Световой поток во входной зрачок D пропорционален видимой из точки предмета В площади входного зрачка, т. е. пропорционален cos со. Следовательно, в пространстве изображений этот поток через выходной зрачок в сопряжённую точку В' пропорционален cos со'. Окончательно отношение освещённостей внеосевой и осевой точек изображения равно.

Эта зависимость показана на рис. 6.10 плавной кривой. Известно, что при фотографировании перепад освещённости на фотоплёнке нс должен превышать двух раз: таков диапазон линейной зависимости почернения фотоматериала от экспозиции, т. е. от световой энергии. По рис. 6.10 освещённость уменьшается вдвое при со'"30°. Таким образом, геометрия внеосевого пучка накладывает естественное ограничение на угловое поле стандартного фотообъектива в пространстве изображений: 2со' 30° контраст фотографического изображения снижается, конечно, при условии, что изображение центральной части кадра проявлено с высоким контрастом. Качество изображения на периферии кадра снижается и из-за полевых аберраций (см. разд. 5.3). Для устранения этой низкокачественной части кадра вводят полевую диафрагму, например, кадровую рамку в плоскости фотопленки. На рис. 6.10 ограничение изображения полевой диафрагмой показано вертикальной линией при со'"30°.

Рис. 6.10.

Рис. 6.9.

Виньетирование. Помимо апертурной диафрагмы в сложной оптической системе обязательно есть и виньетирующие диафрагмы, например, оправы линз (см. разд. 3.7). Геометрическое виньетирование дополнительно ослабляет световой поток в периферийные точки плоскости изображения, поэтому угловую зависимость освещённости при наличии геометрического виньетирования аппроксимируют функцией.

cos" co', где п~5…6.

Открытие аберрационного виньетирования позволило создать широкоугольные (2ш = 60°-ь 120°) и сверхширокоугольные фотообъективы 2со > 120° [12]. Как уже отмечалось в разд. 5, параметры сложной оптической системы рассчитывают так, чтобы в плоскости изображения предмета взаимно компенсировались аберрации разных компонентов ОС. Однако в других плоскостях столь же точная компенсация аберраций невозможна или даже нежелательна. В некоторых оптических системах входной зрачок как изображение апертурной диафрагмы имеет положительную аберрацию для наклонных лучей. Иными словами, площадь входного зрачка, видимая из внеосевой точки предметной плоскости, больше или даже значительно больше, чем при наблюдении из осевой точки. Соответственно эффективный диаметр наклонного пучка, прошедшего через ОС, возрастает. В фотообъективах е аберрационным виньетированием освещённость по полю уменьшается как cos³w', т. е. значительно медленнее, чем при наличии только геометрического виньетирования.

Аберрационное виньетирование является примером использования «вредного» явления, геометрических аберраций, для улучшения характеристик оптической системы подобно тому, как хроматические аберрации служат основой для создания спектральных приборов.