Z notatnika optyka: Sfery i asfery

0
Bernard Piechal
8 Październik 2011
Artykuł na: 6-9 minut
Zapraszamy na kolejny odcinek cyklu "Z notatnika optyka". W tym tygodniu o soczewkach asferyzowanych i asferycznych oraz o tym, czym są astygmatyzm i koma.
Sfery i asfery
Od dawnych czasów do dzisiaj znakomita większość produkowanych na świecie soczewek ma powierzchnie będące kawałkami sfer. Jak wspomniałem w poprzednim odcinku, działanie takiej soczewki nie jest takie, jak byśmy chcieli. Zamiast urządzenia, które by wszystkie promienie wysyłane z jakiegoś punktu na obiekcie kierowało w ten sam punkt na obrazie, dostajemy coś takiego:


Jeżeli powierzchnie soczewki są sferyczne, to okazuje się, że brzegi soczewki załamują promienie za mocno: ogniskowa brzegów soczewki jest krótsza niż jej środka. W efekcie obrazem punktu nie będzie punkt (czy krążek Airy'ego), tylko znacznie większa plamka. Ta wada optyczna nazywa się aberracją sferyczną. Jest to jedyna aberracja monochromatyczna, którą widać na osi układu optycznego (czyli na środku kadru), wszystkie pozostałe w centrum kadru znikają.

Jak sobie z tym radzić?
Najelegantszym rozwiązaniem wydaje się użycie pojedynczej soczewki o odpowiedniej asferycznej (czyli nie-sferycznej) powierzchni. Na pierwszy rzut oka. Na drugi już nie.

Wbrew pozorom soczewka asferyczna to wcale nie jest nowy wynalazek. Wystarczy wspomnieć tzw. soczewki z Visby - soczewki kwarcowe o powierzchniach elipsoidalnej z jednej i parabolicznej z drugiej strony, o jakości optycznej porównywalnej z wytwarzanymi współcześnie, ale pochodzące z... XI - XIIw.

A jednak, mimo że soczewki asferyczne i asferyzowane (będzie o tym, co to znaczy!) zrobiły się już w układach optycznych całkiem popularne, to jednak pojedyncze asfery w fotografii są wykorzystywane właściwie tylko w aparatach jednorazowych. Gdzie problem?

Po pierwsze kształt. Jeżeli soczewka ma tworzyć obraz obiektów w nieskończoności, to najlepszym kształtem byłaby parabola. Ale tylko do fotografowania obiektów z nieskończoności. Jeżeli chcemy sfotografować coś bliżej, dobrym kształtem byłaby hiperbola (inna dla każdej odległości). A więc trzeba by zmieniać kształt soczewki podczas ustawiania ostrości.

Po drugie pozostaje problem innych aberracji. Dość istotne są tu astygmatyzm i koma (które wyjaśnię niżej). Na przykład okazuje się, że paraboliczna soczewka ustawiona na nieskończoność rzeczywiście nie ma aberracji sferycznej (na środku kadru), za to ma MNÓSTWO komy. Poza tym takie soczewki są dość grube, a więc trzeba sobie poradzić z aberracją chromatyczną.

Z obiektywem fotograficznym jest niestety tak, że po pierwsze ma dobrze działać dla dość szerokiego zakresu odległości, a po drugie ma być dobrej jakości dla dość dużego pola obrazowego. Dlatego jesteśmy skazani na układy soczewek.

Choć technologia wykonywania elementów asferycznych wcale nie jest nowa, to przez lata była bardzo droga (np. jak się szlifuje asferę, to tylko jedną na raz, w przeciwieństwie do elementów sferycznych). Dlatego z powodzeniem stosowano układy elementów sferycznych.

Co się zmieniło, czyli jak to się robi?
Po pierwsze wymagania. Formaty klatek w aparatach stają się coraz mniejsze, a więc aby uzyskać tę samą ostrość obrazu po powiększeniu do jakiegoś wygodnego formatu musimy mieć lepszą rozdzielczość obiektywu.

A po drugie koszty. Szlifowanie soczewek asferycznych nadal jest bardzo drogie, ale nie zawsze potrzeba soczewki aż tak dobrej jak szlifowana.

Najpierw wymyślono tzw. soczewki asferyzowane. Bierzemy zwykłą, szklaną soczewkę sferyczną, wstawiamy ją w formę i zalewamy odpowiednim, utwardzanym promieniami UV polimerem (czyli mówiąc wprost - optycznym plastikiem). To właśnie od tego typu "asfer" wziął się rysowany wszędzie kształt przypominający UFO. To jest swego rodzaju dublet złożony z soczewki sferycznej i plastikowego elementu korygującego aberrację sferyczną. Taka soczewka jest dość wrażliwa na temperaturę i do używania z laserami dużej mocy się nie nadaje, ale w obiektywach fotograficznych jest jak znalazł (choć z reguły taka soczewka nie ma powłok antyrefleksyjnych na tej sferycznej powierzchni, właśnie ze względu na temperaturę panującą w napylarce).

Jest inny sposób używany przez jedną z firm na "T": bierze się element w przybliżeniu podobny do tego, co ma powstać, rozgrzewa do temperatury w której szkło zaczyna się robić miękkie i wciska w formę. Z tego powstaje już naprawdę szklana asferyczna soczewka.

Po co to się robi?
Powody są dwa:

Po pierwsze, aby ułatwić życie projektantom. Przynajmniej większość tego, co można skorygować soczewką asferyczną, można też uzyskać układem soczewek sferycznych. Jednak użycie asfery pozwala zastąpić kilka soczewek jedną. Kształt tych soczewek liczy się do konkretnego zastosowania i mogą one wyjść czasem wręcz faliste, jak w przypadku obiektywu (bez zooma) jednego aparatu na F.


Drugi powód to niestety czysty marketing. Jak się na obiektywie napisze "aspherical" to klientom się wydaje, że jakość optyczna jest na poziomie nieosiągalnym w inny sposób. Piszę to, bo to akurat nieprawda. Jest całkiem sporo obiektywów z elementami asferycznymi, które są wręcz beznadziejne w porównaniu z niektórymi obiektywami z czasów, kiedy asfer się jeszcze nie stosowało. Dlatego napis "aspherical" wstawiłbym do kategorii "napisy na obiektywie, które nic nie znaczą". Z punktu widzenia użytkownika ważne jest jakie obiektyw daje WYNIKI. To, co siedzi w środku jest naprawdę mało ważne, dopóki wyniki są dobre. Zatem polecam raczej zwracać uwagę na same efekty, jakie konkretny obiektyw daje. Jak daje dobre, to to, co jest napisane na nim jest naprawdę mało ważne.

Poniżej o tym co to jest astygmatyzm i koma.

Astygmatyzm
Co by było, gdyby zrobić soczewkę, której powierzchnia przypominałaby kawałek dętki? Gdyby zrobić przekrój wzdłuż obiektywu (z góry na dół), granica pomiędzy szkłem a powietrzem byłaby kawałkiem okręgu, natomiast gdyby przekrój zrobić w poprzek, dostalibyśmy też okrąg ale o innej średnicy. Obraz tworzony przez to coś byłby całkiem zabawny.


Gdyby spojrzeć z góry na tą soczewkę, to promień krzywizny powierzchni wydaje się większy, niż, jakbyśmy na nią patrzyli z boku. Z tego powodu ogniskowa tej soczewki jest dłuższa gdy patrzymy na nią z góry, niż gdy na nią patrzymy z boku. Jedna soczewka, dwie różne ogniskowe.

Oznacza to, że dobrze ostrości nie da się ustawić. Albo dostaniemy obraz ostry w poziomie a nieostry w pionie (czyli obrazem punktu będzie pionowa kreska), albo odwrotnie - ostry w pionie, nieostry w poziomie (pozioma kreska). Gdzieś pomiędzy będzie takie ustawienie, gdzie obrazem punktu będzie kółko i to będzie najlepszy uzyskiwalny obraz. Wada optyczna, którą ma powyższa soczewka to właśnie jest astygmatyzm. To jest aberracja polegająca na tym, że ogniskowa jest różna jeżeli na układ optyczny spojrzymy z różnych stron.

Oczywiście obiektywy fotograficzne są robione z soczewek, które mają takie same promienie krzywizn bez względu, czy patrzymy na nie "z boku", czy "z góry", więc na osi (na środku kadru) astygmatyzmu nie ma (chyba, że podczas montażu źle scentrowano optykę, ale to się na szczęście rzadko zdarza). Jednak środek, a brzeg kadru, to co innego. Aby utworzyć obraz na brzegu kadru promienie przechodzą przez obiektyw po kątem. O tak:


I sytuacja okazuje się być bardzo podobna do poprzedniej. Soczewka działa różnie w dwóch płaszczyznach i w efekcie obrazem punktu może być albo kreseczka położona w kierunku wskazującym środek kadru, albo prostopadłym. Oznacza to również, że jeżeli pracowicie zmierzymy rozdzielczość takiej soczewki, to możemy dostać różne wyniki w zależności od tego, czy linie, które będziemy fotografować, będą ułożone w kierunku "do środka kadru", czy prostopadle do niego. Ale o tym będzie w innym odcinku.

Koma
Koma jest aberracją powstającą podobnie do aberracji sferycznej, tylko widać ją z dala od osi optycznej obiektywu. Ponownie mamy tu do czynienia z różnym działaniem środka i brzegów obiektywu. Ogniskowanie przez soczewkę obarczoną komą wygląda tak:


Ponownie okazuje się, że brzegi soczewki załamują promienie silniej niż środek. To powoduje, że w sytuacji, gdy środek soczewki tworzy ostry obraz w jakimś miejscu na matrycy, to obraz utworzony przez brzegi jest po pierwsze nieostry, a po drugie dalej od środka kadru. W efekcie, na matrycy zamiast kropki dostajemy kształt przypominający przecinek. Choć powody powstawania komy i aberracji sferycznej są podobne, to nie jest tak, że skorygowanie aberracji sferycznej (tej występującej na środku zdjęcia) automatycznie powoduje skorygowanie komy. Tak łatwo to nie jest.

W następnym odcinku będzie o kolorach.

Komentarze
Więcej w kategorii: Poradniki
Brak ci motywacji? Oto 29 porad od najbardziej wpływowych fotografów w branży
Brak ci motywacji? Oto 29 porad od najbardziej wpływowych fotografów w branży
Gdybyś miał najważniejszą radę odnośnie pracy fotografa, co by to było? Takie pytanie fotograf Taylor Jackson zadał jednym z najbardziej rozpoznawalnych współczesnych...
0
0
Wybierasz się na zasłużony urlop? Oto sprzętowe pomysły i praktyczne sztuczki, które warto rozważyć
Wybierasz się na zasłużony urlop? Oto sprzętowe pomysły i praktyczne sztuczki, które warto rozważyć
Letni sezon to czas podróży, odkrywania odległych miejsc i… fotografowania. Dlatego przygotowaliśmy kilka praktycznych porad oraz zestawienie przydatnych akcesoriów,...
3
0
Chcesz stać się lepszym fotografem? Unikaj tych 13 błędów [WIDEO]
Chcesz stać się lepszym fotografem? Unikaj tych 13 błędów [WIDEO]
Nigel Danson, uznany fotograf krajobrazu, powraca z kolejnym ciekawym poradnikiem. Tym razem naświetla 13 błędów, które trzeba wyeliminować, aby wskoczyć na wyższy...
23
0
Powiązane artykuły
Wczytaj więcej (14)