Юный экспериментатор Алексей решил почувствовать себя первооткрывателем фотографии: в кубической коробке с длиной стороны около 30 см он проделал небольшое отверстия диаметра d, поместил чувствительную к свету фотоплёнку на противоположную отверстию внутреннюю стенку камеры и решил сфотографировать свой пятиэтажный дом, см. рис. Фотоплёнка заслоняет собой почти всю стенку. Оцените, какого размера d отверстие в стенке камеры Алексей должен произвести и на каком расстоянии L следует поместить камеру от дома, чтобы получилась его качественная фотография? Предлагаем вам определить параметр качества фотографии самостоятельно — и обязательно подсчитать его при ваших выбранных параметрах. В решении опишите все, на ваш взгляд, необходимые рассуждения и допущения, а также преимущества и недостатки выбранных вами параметров. Разрешение используемой Алексеем фотоплёнки составляет около 100 мкм.
Рассмотрим ход лучей от дома и определим размер изображения на фотографии. Пусть высота дома равна h, а высота изображения равна b. Тогда из подобия треугольников получается соотношение:
Для получения самого большого размера изображения следовало бы выбрать Но при таком выборе расстояний может оказаться, что разрешение фотографии будет плохим. Качество изображения будет зависеть от размера отверстия: чем оно больше, тем больше будет размытие изображения. Рассмотрим какую-нибудь точку дома и посмотрим, в какое пятно размера c оно будет проецироваться на фотоплёнку. Снова из подобия получим уравнение, связывающее порядки расстояний:
Подставим в уравнение (2) высоту изображения, найденную из уравнения (1):
Чтобы две точки дома были различимы, они должны перейти в две точки изображения, отстоящие друг от друга на расстоянии минимум c. Если расстояние между точками дома порядка то на изображении они будут на расстоянии определяемом из подобия:
Тогда минимально различимые детали на фасаде дома определяются соотношением c, откуда, подставляя значения и с из уравнение (3) и (4) получаем
Пренебрежём размером камеры по сравнению с расстоянием от отверстия до дома. Тогда уравнение (5) перепишется как
Из уравнения (5) видно: чем больше размер изображения, тем хуже его качество, то есть количество деталей, различимых на фото. Оценим величины уравнения (5).
За приемлемый размер фотографии возьмём размер порядка
Ответ: