Suskaičiuokime šviesą

Kaip jau rašiau praeitame įraše - šis įrašas bus visiškai nuobodus fotografijos prasme, bet absoliučiai būtinas norint suprasti kai kurias fokusavimo subtilybes.

Pradėkime išsiaiškindami vieną svarbų dalyką: kokį gi maksimalų vaizdo ryškumą galime pasiekti. Yra tikrai ne vienas požiūro kampas, kaip būtų galima nagrinėti ir apibrėžti vaizdo ryškumą, tačiau mums yra įdomus šis: kokias smulkiausias objekto, kuris yra atstumu lo nuo lęšio, dYo dydžio detales galime tikėtis užfiksuoti sensoriuje, kuris yra ls atstumu nuo lęšio ir kurio vienos celės dydis yra dYs. T.y. apibrėžkime teoriškai įmanomą smulkiausią objekto detalę, kurią galėtume įžiūrėti fotografijoje. Pradžioje paprastas skaičiavimas: kokio dydžio objekto detalė atitiktų vieną sensoriaus celę. Vėl prisiminsime ir pasinaudosime panašių trikampių proporcijų skaičiavimais:


dY o = dY s l o l s

Tai ir būtų minimalus objekto detalės dydis, jeigu nuo jos atsklidęs šviesos srautas idealiai uždengtų vieną sensoriaus celę. Deja, bet kaip nesunku suprasti - tam reikalingos idealios sąlygos, ko gyvenime praktiškai nebūna. Todėl yra priimta sakyti, kad tam, jog detalę būtų galima išskirti fotografijoje, reikia jog ji būtų bent du kart didesnė už šį dydį. Tada nuo detalės atsklidusi šviesa suformuos dėmelę, kurį tikrai pilnai uždengs bent vieną celę ir taip išsiskirs.

Kad nebūtų taip nuobodu - keletas praktinių paskaičiavimų. Tarkim, kad fotografuojame Canon EOS 40D fotoaparatu, kurio vienos sensoriaus celės dydis yra ≈5,7 μm ir naudojamas objektyvas su 24 mm židinio nuotoliu.
ls lo dYo minimali detalė
24,576 mm 1024 mm ~0,238 mm ~0,475 mm
24,288 mm 2024 mm 0,475 mm 0,950 mm
24,144 mm 4024 mm 0,950 mm 1,900 mm
24,072 mm 8024 mm 1,900 mm 3,800 mm

Atstumus specialiai parinkau taip, lyg vaizdas tiksliai fokusuotusi sensoriuje. Dėsningumą pastebėti nesunku - dvigubinant atstumą, fiksuojama minimali detalė didėja irgi dvigubai. Čia kai fokusuojam tiksliai. O kai netiksliai - atsiranda papildomų dėmenų, apsprendžiančių detalumą. Bet apie tai vėliau.

Beje, formulėje panaudoti žymėjimai dYs ir dYo turi atitinkamus populiarius pavadinimus - tikiuosi pamenat neraiškos apskritimas (anglų k.: Circle of Confusion) ir neraiškos diskas (anglų k.: Disc of Confusion) atitinkamai. Abu terminai yra plačiau paaiškinti minėtoje knygoje, tad jeigu vis dar kyla klausimų - siūlau pažiūrėt ten.

Sekanti paminėjimo verta sąvoka yra taškinis šviesos šaltinis (arba sutrumpintai: TŠŠ).
Taškinis šviesos šaltinis. Balti taškai vaizduoja tolstančius fotonus; melsvi trikampiai vaizduoja vienodo kampo spindulius, kuriuose yra vienodas fotonų srautas;
Įdomi ši sąvoka mums tuo, kad bet kurį fotografuojamo objekto paviršiaus tašką, nuo kurio atsispindi šviesa, galima laikyti taškiniu šviesos šaltiniu. Idealiu atveju, nuo taškinio šviesos šaltinio visomis kryptimis sklinda vienodas fotonų srautas: jeigu iš taškinio šaltinio centro vaizduotėje išvestume vienodu kampu platėjančius spindulius (kaip tie melsvi piešinyje aukščiau), tai jų viduje suskaičiuotuome vienodą fotonų skaičių. Kuo toliau nuo šaltinio - tuo didesni atstumai tarp fotonų. Tačiau per spindulio skerspjūvio plotą praskrendančių fotonų srautas tam pačiam spinduliui nepasikeis, nepriklausomai nuo to kokiu atstumu nuo šaltinio skaičiuosim. Tai priklauso tik nuo spindulio platėjimo kampo. Apie tą kampą tiek daug rašau, todėl, kad jis mums įdomus bent dviem atžvilgiais: kaip matuojamas ir kaip galima panaudoti skaičiuojant, kiek fotonų paklius į vieną ar kitą sensoriaus celę.

Taškinio šaltinio skleidžiamo spindulio kampas yra matuojamas dydžiu, kurį nedažnai sutinkame - steradianais (sr). Baigėte mokyklą ir vis dar nežinote, kas tai? Turėtumėt, kaip ir aš, susigėsti - mat jį jaunųjų fizikų mokykloje Mažasis fotonas aiškina jau septintokams. Skiriasi jis nuo paprasto 2D kampo tuo, kad yra erdvinis, t.y. 3D kampas. Jeigu 2D kampą atitinka vienetinio spindulio (R=1) apskritimo lanko ilgis tarp kampą apibrėžiančių spindulių, tai 3D kampą atitinka vienetinio spindulio sferos paviršiaus plotas, kurį apibrėžia iš centro išeinančio spindulio kūgis. Na taip, tenka susikaupti ir šiek tiek įtempti vaizduotę, kad suprasti, bet tikrai įmanoma - tai ne raketų mokslas, kaip pasakytų tūlas amerikonas.

Na, o dabar apie praktinį pritaikymą, skaičiuojant kiek šviesos iš taškinio šaltinio pateks į konkrečią celę.

Šioje diagramoje naudoju štai tokius žymėjimus:
lo atstumas iki taškinio šaltinio
Yo taškinio šaltinio aukštis virš optinės ašies
ls atstumas iki sensoriaus
Ys atstumas nuo optinės ašies iki sensoriaus celės
dYs sensoriaus celės aukštis
Yc1, Yc2 kraštiniai taškai, kuriuose sensoriaus celę dengiantis šviesos srautas kertą lęšį

Visa gudrybė yra suskaičiuoti Yc reikšmę, kai žinome Yo ir Ys. Geometrijos ir matematikos čia šiek tiek daugiau, negu savo įrašuose naudojau iki šiol, tad nevarginsiu ir pateiksiu galutinį rezultatą:
Y c = f ( l o Y s l s Y o ) l o ( f l s ) f l s cos ( Y c1 Y o Y c2 ) = ( Y c1 Y o ) ( Y c2 Y o ) + l o l o ( Y c1 Y o ) 2 + l o 2 ( Y c2 Y o ) 2 + l o 2 sr ( Y c1 Y o Y c2 ) = 2 π 1 1 + cos ( Y c1 Y o Y c2 ) 2

Kitaip tariant, jeigu galime suskaičiuoti Yc1 ir Yc2, galime pasakyti kokiu erdviniu kampu sr iki lęšio atsklinda šviesos srautas, kuris už lęšio sufokusuojamas į vieną celę. O tai savo ruožtu nusako, kokia taškinio šaltinio šviesos dalis papuola į konkrečią celę - tai ką ir norėjau suskaičiuoti.

Vėlgi - vienas paveikslėlis gali būti vertas tūkstančio žodžių. Tad imam 24 mm lęšį su tuo pačiu sensorium kaip pavyzdyje aukščiau, tariam, kad tiek taškinis šaltinis, tiek sensorius yra nutole po 25 mm nuo lęšio, ir kad mūsų apertūra nerealiai didelė - net 120 mm (grynai hipotetiškai, nes f/0,2 yra nepasiekiamas net teoriškai). Na ir sensorius tik kokių nors 20000 pikselių aukščio (kas prie 3:2 formato reikštų 600 Mpx - vėlgi daugiau hipotetinė negu praktinė prielaida). Štai jums į sensorių suprojektuoto TŠŠ vaizdo intensyvumo grafikėlis - horizontalioje ašyje pikseliai, vertikalioje atidėtas pikselyje surinkto šviesos srauto intensyvumas:
Pagal teoriją turėjome gauti taip vadinamąjį Airy disc - į begalybę nubanguojančią kreivę. Tam reiktų įsivertinti difrakcijos ir interferencijos reiškinius, kas mums šiuo metu nėra labai įdomu. O Gauso pasiskirstymo funkcijos "varpelis" visai neblogai aproksimuoja tą patį Airy disc didžiojoje dalyje - to mums kaip ir pakanka.
Įdomu dar tai, kad šviesa, kad ir kokia silpna bebūtų, papuola į visus sensoriaus kampelius. Tokį rezultatą gavom su praktiškai neribota apertūra. Ką gausim apriboje apertūrą? Tikrinam - apertūra apribojam iki 3mm, sensorių fiksuojam 24,24 mm atstumu, o TŠŠ stumiame tolyn nuo lęšio:
Kreivių aukščiai šioje diagramoje nesvarbūs: jie specialiai buvo parinkti taip, kad arčiausiai lęšio esančio TŠŠ grafikas yra aukščiausias, o toliausiai - žemiausias. Svarbu tik plotis - jis parodo, kiek pikselių užima TŠŠ suformuota dėmelė: grafikas nuo -1 iki 1 reiškia 1 cėlę; nuo -3 iki 3 atitinka 3 sensoriaus celes ir t.t. Vienok įdomus vaizdelis gaunasi, ar ne?

Jeigu nesupainiojau jūsų ir visos mintys rado savo vietą galvose, tai galima sakyt, kad pasiruošėm nagrinėti, kaip gaunasi su tais fokusuotais ir nefokusuotais vaizdais.
Ir kaip visada - tai jau sekančiame įraše.

0 comments: