Апертура - что это такое: характеристика оптической системы

Апертура - важнейшая характеристика оптических систем, определяющая их светосилу и разрешающую способность. От значения апертуры зависит четкость изображений, получаемых с помощью телескопов, микроскопов, фото- и видеокамер. Давайте разберемся, что такое апертура, как она влияет на работу оптических приборов и как ее можно рассчитать.

Определение апертуры в оптике

Апертура - это действующее отверстие оптической системы, через которое проходят световые лучи. Апертура определяется размерами линз, зеркал или специальной диафрагмы и может задаваться как в линейных, так и в угловых величинах.

Различают несколько основных видов апертуры:

• Угловая апертура - угол между крайними лучами конического светового пучка, входящего в оптическую систему.
• Линейная апертура - диаметр светового пучка, проходящего через всю оптическую систему.
• Числовая апертура - величина, равная произведению показателя преломления среды на синус половины угловой апертуры.

Для контроля апертуры в оптических системах используют специальную диафрагму с изменяемым отверстием. Такая апертурная диафрагма позволяет регулировать количество света, поступающего в систему.

Влияние апертуры на характеристики оптических систем

От величины апертуры напрямую зависят два основных параметра любого оптического прибора:

1. Светосила
2. Разрешающая способность

Рассмотрим их более подробно.

Светосила оптической системы

Светосила характеризует способность оптической системы пропускать свет. Она напрямую зависит от площади отверстия апертуры:

Светосила ~ Апертура²

То есть при увеличении апертуры в два раза, светосила возрастает в четыре раза. Это важный параметр для таких приборов как телескопы, микроскопы, проекторы.

Разрешающая способность

Этот параметр определяет способность оптической системы различать мелкие детали изображения. Для фото- и видеокамер разрешение напрямую влияет на четкость снимков и кадров.

Связь разрешения с апертурой задается формулой:

Разрешение ~ Апертура

То есть при увеличении апертуры в два раза, разрешение также возрастет в два раза. Однако на практике существует предел разрешения, обусловленный дифракцией света.

Изменение апертуры

Для регулировки апертуры используют два основных метода:

1. Изменение диафрагмы объектива
2. Применение иммерсионных жидкостей

Рассмотрим их подробнее.

Регулировка диафрагмы объектива

В объективах фото- и видеокамер, а также оптических приборов, как правило, предусмотрена возможность управления апертурной диафрагмой. Изменяя ее отверстие, можно регулировать апертуру в широких пределах.

Относительное отверстие диафрагмы принято задавать величиной, обратной фокусному расстоянию объектива. Такое диафрагменное число позволяет сравнивать апертуры разных оптических систем. Например, у объектива с фокусным расстоянием 50 мм при диафрагме f/2 апертура составит 25 мм.

Иммерсионные жидкости

Еще один распространенный метод увеличения апертуры - использование иммерсионных жидкостей. Они заполняют пространство между объективом и исследуемым объектом, увеличивая числовую апертуру за счет бÓльшего показателя преломления.

Такой подход широко используется в микроскопии, где требуется максимально возможное разрешение для наблюдения мельчайших деталей образцов.

Дифракционный предел

Существует фундаментальный предел разрешающей способности оптических систем, обусловленный дифракцией света. Из-за дифракции точка всегда изображается в виде пятна конечного размера - дифракционного пятна.

Диаметр дифракционного пятна, а значит и предельное разрешение, определяется длиной световой волны и геометрической апертурой системы. Превзойти этот предел при данной длине волны невозможно.

Оптимальная апертура

Как мы видели, увеличение апертуры повышает и светосилу и разрешение оптической системы. Однако на практике необходимо выбирать оптимальное значение апертуры для конкретных условий.

При слишком большой апертуре возникают нежелательные эффекты - виньетирование, потеря резкости по полю. Кроме того, глубина резко изображаемого пространства при этом сильно уменьшается.

Апертура различных оптических систем

Рассмотрим особенности апертуры и ее влияния для таких популярных оптических устройств как телескопы, микроскопы, фото- и видеокамеры.

Апертура телескопов

Основным параметром для любого телескопа является диаметр его главного зеркала или линзы - линейная апертура. От этого напрямую зависит светосила прибора, что важно для наблюдений слабых астрономических объектов.

Существует классификация телескопов по апертуре:

• Малые телескопы - апертура менее 15 см
• Телескопы среднего класса - 15-35 см
• Большие телескопы - свыше 35 см

Апертура микроскопов

Для получения максимального разрешения микроскопа используют иммерсионные объективы и особые масла. Их показатель преломления больше, чем у воздуха. Это позволяет достичь числовой апертуры 1,4-1,6 при визуальных наблюдениях.

Апертура фото- и видеокамер

В фото- и видеосъемке апертура объектива напрямую влияет на экспозицию кадра и глубину резко изображаемого пространства.

Экспозиция тем выше, чем шире открыта диафрагма (меньше диафрагменное число). При съемке на ярком свете апертуру часто приходится уменьшать.

Применение геометрической оптики на практике

Знания об апертуре и геометрической оптике в целом позволяют грамотно подобрать оптические приборы для конкретных практических задач, правильно их настроить и получить максимальное качество изображений.

• Выбор оптических приборов. При выборе телескопа основным параметром является его апертура. Для любительских наблюдений достаточно прибора с апертурой 70-80 мм. Для профессиональной астрофотографии потребуется телескоп от 250 мм.
• Настройка камер. В фото- и видеосъемке значение апертуры нужно устанавливать в зависимости от условий: при ярком освещении апертуру уменьшают, в темноте - увеличивают. Также апертура влияет на глубину резко изображаемого пространства.
• Апертура и дифракционный предел. Как упоминалось ранее, существует дифракционный предел разрешающей способности, зависящий от длины волны света и апертуры системы. Увеличение апертуры позволяет приблизиться к этому пределу. Например, для видимого диапазона 400-700 нм и апертуры 8-12 см разрешение лучших наземных телескопов составляет 0,05-0,1 угловых секунд. Это близко к дифракционному пределу и дальнейшее увеличение апертуры не даст существенного выигрыша в разрешении.
• Апертура и оптические аберрации. Оптические системы подвержены различным аберрациям - сферической, хроматической и другим, приводящим к снижению качества изображения. С увеличением апертуры влияние аберраций возрастает. Поэтому в конструкции больших телескопов и микроскопов особое внимание уделяется компенсации аберраций для использования максимально возможной апертуры.
• Апертура и глубина резкости. Еще одним следствием большой апертуры является уменьшение глубины резко изображаемого пространства, особенно для фото- и видеокамер. При съемке с максимально открытой диафрагмой резким получается только небольшой слой, а фон и передний план размыты. Это необходимо учитывать, выбирая нужную апертуру для задачи.
• Апертура и детализация. Чем больше апертура оптической системы, тем лучше она передает мелкие детали наблюдаемых объектов - кратеры и горы на поверхности Луны в телескоп, детали микроорганизмов в микроскопе, текстуру материалов на фотографии. Однако после превышения дифракционного предела дальнейшее увеличение апертуры не дает выигрыша в разрешении и передаче мелких деталей.

Требования к оптике при большой апертуре

Как видно из вышесказанного, эффективное использование большой апертуры предъявляет повышенные требования к качеству оптических элементов систем.

Необходима тщательная компенсация аберраций, высокая точность изготовления и юстировки линз и зеркал для получения резких изображений по всему полю зрения.