книги из ГПНТБ / Кривовяз, Л. М. Практика оптической измерительной лаборатории

сравнения фактического виньетирования с расчетным. Измере­ ние виньетирования таким методом выполняют на оптической скамье, состоящей из коллиматора 1, передвижного экрана 2 и объективодержателя 3, который может поворачиваться вокруг вертикальной оси (рис. 144, а).

Глаз 5 наблюдателя помещается в фокальной плоскости кон­ тролируемого объектива 4. Если осветить точечную диафрагму, расположенную в фокальной плоскости коллиматора, то глаз,

3 4

аккомадированный на объектив, увидит резко освещенный круг, являющийся выходным зрачком объектива, и экран 2. Обычно в качестве экрана используют лезвие ножа; его перемещение, перпендикулярное к оси установки, отсчитывают по шкале.

При определении виньетирования край лезвия последова­ тельно совмещают с краями выходного зрачка объектива. Полу­ ченная при этом разность отсчетов по шкале перемещения лез­ вия определяет размер горизонтального диаметра действующего отверстия объектива. Поворачивая объективодержатель с объек­ тивом вокруг вертикальной оси, производят такие же измерения для нескольких углов поля зрения. По результатам замеров строят график зависимости коэффициента виньетирования а от угла поля зрения о (рис. 144, б).

5. Измерение распределения освещенности по полю изображения

Освещенность точки поля изображения фотографической си­ стемы, аберрации которой в плоскости выходного зрачка малы, изменяется с удалением от центра поля по закону

Е — Е 0К cos4co,

240

где Е — освещенность в точке поля зрения системы; и — угол, образованный главным лучом, проведенным в точку

поля зрения системы с осью системы; Е п— освещенность в центре поля зрения системы; К — коэффициент виньетирования.

Этой закономерности подчиняется распределение освещен­ ности по полю изображения подавляющего большинства фото­ графических и киносъемочных объективов. Исключение соста­ вляют широкоугольные объективы, в которых действует закон косинуса третьей и даже второй степени, приводящий к более равномерному распределению освещенности по полю. Это дости­ гнуто путем использования открытого М. М. Русиновым абер­ рационного затенения, сущность которого заключается в том, что диаметр входного зрачка системы определяется не только линейным увеличением в зрачках той части объектива, которая расположена перед апертурной диафрагмой, но и ее аберрациями. Аберрации системы рассчитывают так, чтобы диаметр входного зрачка для наклонных пучков системы был больше диаметра входного зрачка для осевого пучка.

Расширение наклонных пучков позволяет увеличить освещен­ ность в краевой зоне поля изображения.

Распределение освещенности по полю изображения измеряют на установке, включающей в себя равнояркий источник освеще­ ния, излучающий по закону Ламберта. В качестве такого источ­ ника используется отверстие шара (см. рис. 141) или полусферы (см. рис. 143). Освещенность изображения измеряют фотоэлек­ трическим способом — фотоэлементом, перемещающимся в пло­ скости изображения системы, или методом фотографической фото­ метрии — путем фотографирования изображения источника осве­ щения на фотоматериал с последующим фотометрированием фото­ графического изображения.

Фотоэлектрический способ более оперативен, но он неприго­ ден для исследования освещенности по полю изображения ряда объективов, например, группы киносъемочных объективов, пред­ назначенных для восьмимиллиметровых и шестнадцатимилли­ метровых камер. Из-за конечных размеров рабочей площади фотоэлемента (обычно 2—3 мм) измерение на краях кадра при фотоэлектрическом способе также затруднено.

Метод фотографической фотометрии более трудоемок, но универсален и пригоден для контроля распределения освещен­ ности по полю изображения практически любого размера. Фото­ графическое изображение равнояркого источника освещения фотометрируется на микрофотометре или денситометре по диагонали кадра. В фотоматериал вблизи экспонированного кадра впеча­ тывается стандартный сенситометрический клин на сенситометре ФСР-41. Отпечаток клина и экспонированное контролируемым объективом изображение равнояркого источника света прояв­ ляются одновременно. Плотность полей отпечатка сенситомет-

рического клина измеряют на денситометре ДФЭ-10 и по резуль­ татам измерений строят характеристическую кривую почернения фотоматериала (см. рис. 9). Значения измеренных плотностей почернения D по полю изображения контролируемого объектива с помощью характеристической кривой выражаются через экс-, позицию фотоматериала. Время экспонирования изображения источника освещения задается от экспонометра в виде кратковре­ менной вспышки осветителей шара или полусферы и постоянно по полю изображения. Таким образом, Ha = Eat и H 0 = E 0t — экспозиции для точки поля с углом w и центра поля зрения соот­ ветственно. Распределение освещенности ‘по полю изображения выражается функцией

Ед Ед

Но Et = / (со­

относительная погрешность измерения распределения осве­ щенности по полю изображения фотоэлектрическим методом

Интегральный коэффициент пропускания фотографической си­ стемы в подавляющем большинстве случаев определяется для точки на оси системы как отношение светового потока, прошед­ шего систему, к световому потоку, вошедшему в систему. Изме­ рение выполняют с помощью универсального фотометра ИФТ-15А (см. гл. V). В производственных условиях контроль коэффициента пропускания осуществляют в основном для проверки объектива на соответствие расчету. Методика измерения коэффициента про­ пускания параллельным узким осевым пучком лучей достаточно хорошо соответствует условиям расчета и результаты измерений дают хорошее совпадение с расчетными данными. Измерение коэф­ фициента пропускания оптических систем, имеющих избиратель­ ное пропускание по зрачку входа, выполняют для ряда участков площади зрачка входа системы. При этом узкий пучок лучей, выходящих из коллиматора параллельно оптической оси контро­ лируемой системы, перемещается по зрачку входа и освещенность в точке на оси измеряется фотоэлектрическим приемником. Изме­ рение выполняют на том же фотометре ИФТ-15А, причем оптиче­ скую систему смещают в двух направлениях, перпендикулярных к оптической оси коллиматора. Измерение коэффициента пропу­ скания фотографических систем должно выполняться для уча­ стка спектра, соответствующего области аберрационного корри­ гирования системы, при этом желательно возможно точное вос­ произведение заданных в эксплуатации условий освещения и спек­ тральной чувствительности приемников излучения. Это дости­ гается применением коррекционных светофильтров, схема рас-

242

чета которых рассмотрена в гл. In . 1. Если частные технический условия на фотографическую систему предусматривают измерение коэффициента пропускания в определенном спектральном интер­ вале, то соответствующий вырезающий светофильтр устанавли­ вают либо перед фокальной диафрагмой коллиматора фотометра, либо за коллиматором, перед входным окном прибора. Измерение светового потока Ф0, входящего в прибор, производится за этим светофильтром.

Рис. 145. Схема установки НИКФИ для измерения спектраль­ ного пропускания объективов

Интегральный коэффициент пропускания вычисляют по фор­ муле

где ф о и Фп — световые потоки: входящий в прибор и выходя­ щий из прибора соответственно.

Для измерения спектрального коэффициента светопропускания фотографических систем, в основном фотообъективов, суще­ ствует ряд установок. Наиболее совершенной является установка,

В схеме используются зеркальный монохроматор 1 и шаровой осветитель 2, яркость внутренней поверхности которого пропор­ циональна световому потоку источника света. Молочное стекло шарового осветителя является поверхностью равномерной ярко­ сти. Контролируемый объектив 3 расположен между входной щелью монохроматора и шаровым осветителем, что позволяет измерять объективы больших габаритных размеров. При изме-

рейиях ширину входной и выходной щелей выбирают одинаковой. В качестве фотоприемника 4 использован вакуумный фото­ элемент Ф-6 с усилителем постоянного тока 5, к выходу которого

подключен микроамперметр.

Диапазон длин волн, на которых осуществляются измерения,, составляет 320—700 нм. Прибор снабжен светофильтрами, устра­ няющими влияние вредного рассеянного света: УФС-1 — для области 320—390 нм и СС-8 — для области 400—460 нм.

При проведении измерений осветитель установки располагают так, чтобы световой пучок при установленном объективе пол­ ностью заполнял апертуру монохроматора и показания микро­ амперметра не изменялись при перемещении осветителя и объек­ тива вдоль оптической оси монохроматора.

Коэффициент пропускания вычисляется как отношение двух отсчетов по шкале микроамперметра, пропорциональных соот­ ветственно потоку от осветителя с объективом и без объектива для каждой длины волны указанного диапазона спектра:

где Nn = КФ„\ N0 = КФ0, а К — коэффициент пропорциональ­ ности, постоянный для данной установки при условии строгой

мерения спектрального коэффициента пропускания объектива осуществляются при освещении полного входного зрачка объек­ тива диффузно рассеянным светом. Это соответствует эксплуата­ ционным условиям работы объективов и позволяет судить о харак­ тере спектрального коэффициента пропускания объектива с пози­ ций оператора, производящего расчет экспозиции при съемке.

Точность метода измерения спектральных коэффициентов про­ пускания составляет 2—3%.

Источниками погрешностей являются нестабильность излу­ чения источников света, как правило, составляющая 0,5—1%, нелинейность фотоприемных устройств, магнитные наводки в схеме отсчетных устройств, приводящие к дрейфу нуля отсчетного устройства, нестабильности показаний и т. п.

Спектральное пропускание объектива, как правило, описы­ вается монотонной кривой без резких полос поглощения, поэтому для этих измерений возможно применение приборов с широтой спектрального интервала 5— 10 нм. В связи с этим допустимо измерение спектрального коэффициента пропускания в схеме, где изменение рабочей области спектра задается набором сменных интерференционных светофильтров. При этом спектральная полу­ ширина примененных светофильтров должна быть приблизительно одинакова.

244

7. Определение цветопередачи объективов

Широкое использование фотографических и киносъемочных объективов с цветными фотоматериалами обусловило новое тре­ бование к объективам — правильное воспроизведение объекти­ вами цветов пространства предметов (цветопередачу). Цветопере­ дача фотообъектива определяется его спектральной характери­ стикой пропускания.

Все фотографические материалы, предназначенные для цвето­ правильной фотографии, состоят из трех светочувствительных галоидосеребряных слоев, в которых образуются соответственно три цветоделенных изображения.

Эффективная освещенность изображения на пленке фотоаппа­ рата пропорциональна фотографическому коэффициенту пропу­ скания оптической системы. При использовании в фотоаппарате цветного многослойного фотоматериала коэффициент пропуска­ ния оптической системы, применительно к каждому из трех слоев, различен в силу избирательности в пропускании оптической системы по спектру. Это приводит к различиям в экспонировании трех слоев цветного фотоматериала и, следовательно, к измене­ ниям цветовоспроизведения деталей объекта съемки.

Выражение актиничного светового потока, падающего на фотоматериал

(70)

где 5пр (Я) — спектральная чувствительность слоя фотомате­ риала;

£ изл ft) — распределение энергии источника излучения; Л мож­ но записать для каждого слоя цветного фотома­ териала: для синечувствительного Ас, зеленочув­ ствительного А3и красночувствительного А К.

Отношение актиничных потоков

Ас . А3 шАк

А з А 3 А 3

выраженные в долях актиничного потока для зеленочувствитель­ ного слоя фотоматериала, характеризуют цветовой баланс фото­ материала.

Введем в выражение (70) под знак интеграла функцию т (X) = = / (Я) — спектральное пропускание фотографического объек­ тива.

Выражение актиничности светового потока примет вид

СО

(71)

245

Спектральное пропускание объектива, введенное под знак интеграла при вычислении трех актиничных потоков, соответствую­ щих трем слоям цветного фотоматериала, приведет к изменению соотношений актиничных потоков и тем в большей степени, чем избирательнее пропускает объектив [26]. Зная значения актинич­ ных потоков Лс, А3, Ак для трех слоев цветного фотоматериала, вычисленные по формуле (70), с учетом выражения (71), най­ дем А %с, Ахз и Ахк — актиничные потоки с учетом избиратель­

ности пропускания объектива.

Эффективные коэффициенты пропускания объектива для трех приемников (трех слоев пленки) определяют как

Значения эффективных коэффициентов пропускания, отнесен­ ные к одному из коэффициентов, например, вычисленному для зеленочувствительного слоя фотоматериала, позволяют судить о влиянии объектива на собственный цветовой баланс фотома­ териала.

Данные выражения удобны для оценки спектральных свойств фотографических объективов.

Расчет актиничности фотоматериала с учетом спектрального пропускания объектива дает возможность установить примерные нормы спектральной избирательности объективов [26].

В США принято оценивать окрашенность объектива в виде совокупности трех цифр, характеризующих эффективную плот­ ность D3 объектива, вычисленную для диапазона чувствительности трех элементарных слоев цветной пленки.

Однако при этом не устанавливается определенных требований к окрашенности объективов. Это, вероятно, и невозможно, так как для различных типов спектрального баланса фотоматериалов эта «норма», очевидно, будет существенно отличной. Некоторые фирмы, например «Агфа» (Agfa, ФРГ), при изготовлении пленки учитывают определеннуюспектральную характеристику объек­ тива и под нее балансируют фотографический материал. В каче­ стве такого среднего объектива, например, принят «Тессар» (/' = 50 мм, относительное отверстие 1 : 2,8). Обзор отечествен­ ных и зарубежных достижений в оценке спектральных свойств

«нормы» окрашенности объектива, выраженной через соотношение эффективных коэффициентов пропускания объектива для трех зон чувствительности цветной пленки, либо в логарифмической форме в виде эффективных плотностей, позволяет определить ориентировочные, предельно допустимые значения соотношений

246

коэффициентов эффективного пропускания для объективов, пред­ назначенных в эксплуатации с цветным фотоматериалом:

0,69 с тс sg; 0,90;

т3 = 1; 0,94 тк ^ 1,06.

Это справедливо только для фотоматериала с таким балансом спектральной чувствительности слоев, как у пленок «Орво»

и«Агфа».

Влогарифмическом выражении значения эффективных плот­ ностей такие:

Таким образом, анализируя спектральные характеристики фотографических объективов и их выражения через фотоактиничные потоки, можно связать избирательность пропускания фотографического объектива с качеством цветопередачи изобра­ жения и сформулировать требования к спектральному пропу­ сканию объектива, выраженному в виде соотношения эффектив­ ных коэффициентов пропускания для трех зон спектра, соответ­ ствующих зонам чувствительности элементарных слоев цветного фотоматериала.

Р а с ч е т н ы й м е т о д о п р е д е л е н и я

цв е т о п е р е д а ч и п р о с в е т л е н н о г о

об ъ е к т и в а

Связь качества цветного фотографического изображения со спектральным пропусканием оптической системы обусловливает необходимость получения определенной спектральной характе­ ристики пропускания системы уже на стадии оптического расчета.

Коэффициент пропускания любой оптической системы для дан­ ной длины волны К определяется как

П

?47

оптической детали необходимо выбрать для расчетной длины волны X.

Для непросветленного варианта оптической системы отраже­ ние от границы воздух—стекло следует вычислить по упрощен­ ной формуле Френеля:

где пх — показатель преломления стекла оптической детали для данной длины волны.

Использование упрощенной формулы Френеля оправдано в данном расчете тем, что углы падения светового луча на опти­ ческие поверхности линз для фотографических объективов не превышают 45°. Справедливость этого проверена путем контроль­ ных расчетов ряда объективов, при этом сопоставлялись резуль­ таты расчета, выполненные без учета изменения эффективной толщины просветляющих слоев, и результаты строгого расчета пропускания с учетом изменения эффективной толщины просвет­ ляющих слоев в зависимости от угла падения светового пучка на поверхности линз объектива. Расчет выполнялся для широко­ угольного объектива Мир-20 и объектива Индустар-50. Расхожде­ ние величин эффективного пропускания составило 1—2 %.

Если на поверхности оптической детали нанесена однослой­ ная просветляющая пленка, то

( 1— п2у (« 2 — « з ) 2 + ( 1 + п2 )2 ( П 2 — « з ) 2 + 2 (1— пі) ( П 2 ~~Пз ) Х

4 n n J i 9

X cos----

(1 + Яг}2 («г + пз)2 + ( 1 —пг)2 (”г — ”з)2 + 2 (1 — п2) (п\ — nf) X

X cos 4n n 2h 2

где п 2 и п3— показатели преломления просветляющей пленки и стекла соответственно.

При нанесении на поверхность детали многослойной (два и более слоев) просветляющей пленки значение ря на границе воздух — стекло вычисляют по формуле (50) [16].

Коэффициент пропускания света стеклом оптической детали вычисляют как

DKl

где I — толщина оптической детали вдоль оси в мм;

Dx — оптическая плотность данного стекла в толщине 10 мм, взятая для рассчитываемой длины волны.

2 4 8

Коэффициент пропускания света объективом следует вычислить

как правило, известны показатели преломления оптического стекла.

Вычисленные значения тХсист образуют ряд значений коэф­ фициентов спектрального пропускания в диапазоне длин волн видимого спектра, по которым всегда можно построить графиче­ скую зависимость т^сист = / (к) и путем интерполяции найти значения тх системы для любого промежуточного значения длины волны.

Полученные значения тх = f (А,) следует далее оценить с точки зрения изменений, которые вносит в фотоактиничные потоки, действующие на слои цветного фотоматериала, избирательное спектральное пропускание рассчитываемого объектива. Для этого необходимо вычислить значения трех актиничных потоков, дей­ ствующих на фотоматериал с учетом спектрального пропускания объектива [26]. Рассчитывая воздействия избирательности пропу­ скания объектива на баланс цветного фотоматериала, используют актиничность среднего цветного фотоматериала, рекомендован­ ного ГОИ.

Для трехслойного цветного фотоматериала каждый объектив будет характеризоваться тремя значениями коэффициента эффек­ тивного пропускания, соответствующими работе объектива на три слоя фотоматериала:

т э. с* т э- зі т э. к» вычисленными как

СО

тэф = J тоб.М Ä(K) dk,

о

где А (к) — актиничность слоя среднего цветного фотоматериала;

тоб (^) — коэффициент спектрального пропускания объек­ тива.

Пределы интегрирования определяются диапазоном длин волн спектральной чувствительности соответствующего слоя фотома­ териала.

Соотношение эффективных коэффициентов пропускания, вы­ численное как

ТЭ. с . Тэ . 3 . Тэ . к

Тэ. з Тэ. з ТЭ. 3

образует трехчисловую формулу, описывающую избирательность пропускания объектива с точки зрения трех слоев цветного фото­ материала. >

Логарифмическое выражение вычисленных отношений коэф­ фициентов эффективного пропускания объектива в виде трех эффективных плотностей образует формулу цветности фотографи­ ческого объектива.

249