Sprawdzanie
Szeroki Kadr
Poradnik: Sprzęt | 08.02.2010 | Zaawansowani | Powiększ tekst:

Jak to działa? Część 2. – Optyka

Marcin Górko

Dowiedz się, co w optyce piszczy
Dodaj do schowka Komentarze: 16

Wstęp

W poprzednim odcinku przedstawiliśmy najważniejsze podzespoły mechaniczne lustrzanki cyfrowej. W tej i kolejnej części zajmiemy się natomiast nieodłącznym towarzyszem lustrzanki – obiektywem. Najpierw zapoznamy się z jego zadaniami oraz budową optyczną i mechaniczną. Omówimy wady obiektywów oraz dowiemy się, jak walczą z nimi producenci optyki.

Co to jest obiektyw?

Mówiąc najprościej, obiektyw ma tylko jedno zadanie: utworzyć ostry obraz w płaszczyźnie materiału światłoczułego (na kliszy lub na matrycy światłoczułej). Nic więcej. Na pierwszy rzut oka zadanie wydaje się proste – z optyki wiadomo, że nawet pojedyncza soczewka skupiająca jest w stanie utworzyć obraz. Cóż więc prostszego niż umieścić pojedynczą soczewkę w odpowiedniej odległości od matrycy?

Obraz rzeczywiście powstałby, ale byłby obarczony wszelkimi wadami optycznymi, jakie są nam znane. Okazuje się, że to, co tak pięknie wygląda na lekcji fizyki, niestety nie sprawdza się w praktyce. Pojedyncza soczewka daje ostry obraz tylko na swojej osi (poza nią pojawia się astygmatyzm), dla promieni światła jednej długości (bo tylko wtedy nie pojawi się aberracja chromatyczna) i przy stosunkowo małej średnicy soczewki w porównaniu
z jej ogniskową (w przeciwnym wypadku może wystąpić koma i aberracja sferyczna). Dodatkowo powinna być to soczewka cienka, a więc siłą rzeczy
o dość dużej ogniskowej.

Jak widać, poprawne zaprojektowanie obiektywu to nic innego, jak skuteczna walka z aberracją sferyczną, chromatyczną, komą, astygmatyzmem, dystorsją i winietowaniem. Istotne jest również, by wady te były usunięte w możliwie szerokim zakresie odległości oraz (w przypadku zoomów) w założonym przedziale ogniskowych.

Trzeba także rozwiązać dylematy niezwiązane bezpośrednio z optyką, na przykład odpowiedzieć na pytania:

  • dla kogo obiektyw jest przeznaczony?
  • ile może kosztować, by sprzedawał się na założonym poziomie i by jego produkcja była opłacalna?
  • ile powinien kosztować, by skutecznie konkurować z podobnymi konstrukcjami firm niezależnych? Paradoksalnie bowiem to właśnie koszty produkcji obiektywu determinują jego osiągi optyczne

Podstawa to soczewki

Sprawdźmy, czym dysponują inżynierowie projektujący układy optyczne. Najważniejsze są soczewki. Dla laika soczewki w obiektywie różnią się przede wszystkim średnicą. Jeśli chodzi o ich kształt, poza pierwszą powierzchnią przedniej soczewki i drugą powierzchnią tylnej soczewki, dokładny ich kształt pozostaje nieznany. Na podstawie wyglądu refleksów możemy zaledwie domyślać się, czy pochodzą one od powierzchni wklęsłych, płaskich czy wypukłych. Natomiast w żaden sposób zaglądając w obiektyw, nie możemy stwierdzić na przykład, jaki jest współczynnik załamania światła w takiej soczewce, czy jest ona sferyczna, czy asferyczna, czy wykonano ją
z normalnego szkła optycznego, czy też z fluorytu, kwarcu lub ze szkła
o niskiej dyspersji.

Do dyspozycji inżynierów pozostaje kilkadziesiąt gatunków szkła optycznego, każdy o innym współczynniku załamania światła i o innej wartości dyspersji. A przecież to właśnie współczynnik załamania światła, obok promieni krzywizny powierzchni soczewki, decyduje o jej ogniskowej. Mimo że producentów układów optycznych na świecie jest kilkudziesięciu, wyrobem wysokiej jakości szkła optycznego trudni się zaledwie kilka firm, z czego większość produkcji pochodzi od firm Nikon oraz Schott Glass.

W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że zaprojektowanie obiektywu polega na doborze soczewek wykonanych z odpowiednich gatunków szkła,
o odpowiedniej krzywiźnie, ustawionych względem siebie w ściśle określonych odległościach. Często zamiast pojedynczych soczewek stosuje się grupy optyczne złożone z dwóch sklejonych soczewek (tzw. dublety) lub rzadziej z trzech sklejonych soczewek (tzw. tryplety). Dzieje się tak, ponieważ dublet lub tryplet (zawsze wykonany z soczewek o różnym współczynniku załamania światła) znacznie ułatwia korygowanie pewnych wad optyki, szczególnie aberracji chromatycznej.

4,5 5,6 8,0 11 16 Winietowanie to spadek jasności obrazu wraz z oddalaniem się od jego środka. Może być dwojakiego rodzaju:

a) wywołane zbyt małą średnicą soczewek w przedniej i tylnej części obiektywu,
b) wywołane większą odległością narożników kadru od obiektywu w porównaniu ze środkiem kadru.

W pierwszym przypadku winietowanie może być zmniejszone poprzez przymykanie przysłony, w drugim (szczególnie dotkliwym w symerycznych obiektywach szerokokątnych) pomagają tylko specjalne filtry szare o zmniejszonej transmisji.

Korzenie w tradycji

Zdecydowana większość obiektywów stałoogniskowych projektowana jest zgodnie ze znanymi od dziesiątków lat typowymi schematami optycznymi, które
w większości przypadków najczęściej mają własne nazwy, chronione prawem patentowym. Distagon, Sonnar, Planar, Tessar czy Biotar to nazwy obiektywów opracowanych w pierwszej połowie XX wieku przez inżynierów firmy Carl Zeiss, mogące pojawiać się tylko na obiektywach tej marki. Czy oznacza to, że do lustrzanek Nikona nie budowano żadnego Planara, a do lustrzanek Canona nie oferowano Sonnara? Oczywiście nie, ale obiektywów tych nigdy tak nie nazwano.
I jeśli przyjrzeć się przekrojom na przykład obiektywów standardowych, łatwo zauważyć ich uderzające podobieństwo. Nie ma przy tym znaczenia, czy jest to manualny obiektyw z lat 50. XX wieku, czy też najnowsza konstrukcja AF, stworzona z myślą o lustrzance cyfrowej.

Astygmatyzm

Astygmatyzm jest wadą pojawiającą się w przypadku wiązki światła padającej pod znacznym kątem w stosunku do osi soczewki. Obraz punktu nie będzie wtedy punktem, lecz powstanie w formie obszaru
o pewnej rozciągłości, w którym można wyróżnić dwa wzajemnie prostopadłe odcinki równej długości. Jest to tzw. astygmatyzm pozaosiowy, powodujący spadek ostrości w obiektywach szerokokątnych. Nieprecyzyjny montaż elementów optycznych obiektywu może wywoływać astygmatyzm widoczny również na osi, czyli w centrum pola.

Obiektywy szerokokątne

Z racji specyficznej budowy lustrzanki (przez ruch lustra przed migawką), wszystkie bez wyjątku obiektywy szerokokątne do lustrzanek (precyzyjniej powinno się je nazwać: krótkoogniskowe) budowane są w tzw. układzie retrofokus. Ogniskowa obiektywu jest w tym układzie mniejsza niż odległość tylnej soczewki od ogniska. Tylko takie obiektywy umożliwiają znaczne ich odsunięcie od matrycy przy jednoczesnym zachowaniu krótkiej ogniskowej. Ich charakterystyczną cechą jest układ soczewek rozpraszających, umieszczonych w przedniej części obiektywu.

Koma

Koma jest wadą podobną do aberracji sferycznej i wynika z różnego załamywania światła w soczewce, jeśli pada na nią wiązka światła pod pewnym kątem. W takim przypadku obraz punktu w płaszczyźnie ostrości będzie plamką przypominającą kształtem przecinek (z ang. coma, czyli właśnie przecinek).

Obiektywy długoogniskowe

Z kolei obiektywy o długiej ogniskowej (zwykle powyżej 135 mm) budowane są jako teleobiektywy, a nie obiektywy długoogniskowe. Istotą konstrukcji „tele” jest obiektyw krótszy niż jego ogniskowa, a przez to znacznie praktyczniejszy w użyciu – dla przykładu Nikkor 600 mm f/5,6 IF-ED ma zaledwie 382 mm długości. Charakterystyczną cechą teleobiektywów są soczewki rozpraszające, umieszczone w tylnej części obiektywu – to one działają jak telekonwerter i są odpowiedzialne za wydłużenie ogniskowej.

Aberracja chromatyczna

Aberracja chromatyczna jest wadą odwzorowania wynikającą z innego załamywania w soczewkach światła o różnej długości fali (o różnym kolorze). W uproszczeniu: równoległa wiązka światła białego wewnątrz soczewki ulega rozszczepieniu i najbliżej soczewki wypada ognisko Ff dla promieni fioletowych, najdalej zaś ognisko Fc dla promieni czerwonych. Można więc powiedzieć, że ogniskowa dla czerwieni jest dłuższa niż ogniskowa dla fioletu. Ograniczenie aberracji chromatycznej możliwe jest poprzez:

  • zastąpienie pojedynczych soczewek dubletem z dwóch różnych gatunków szkła (krown/flint),
  • stosowanie szkła o niskiej dyspersji (ED).

Aberracja sferyczna

Aberracja sferyczna jest wadą odwzorowania wynikającą z innego załamywania przez soczewkę promieni przyosiowych i pozaosiowych. Ilustruje to poniższy rysunek. Promienie przyosiowe skupione zostaną
w ognisku F1 położonym dalej od soczewki niż ognisko F2 , w którym skupiają się promienie pozaosiowe. Aberracja sferyczna powoduje pogorszenie ostrości i kontrastu obrazu, a zmniejszenie jej możliwe jest poprzez:

  • stosowanie układu soczewek skupiających i rozpraszających
    o odpowiednich ogniskowych,
  • stosowanie soczewki sferycznej,
  • ograniczenie promieni pozaosiowych, czyli po prostu przymknięcie przysłony.

Obiektywy o zmiennej ogniskowej

No i wreszcie zoomy – typ obiektywu, który w ostatnich dziesięcioleciach rozwijał się najszybciej. Z prostych wzorów z optyki wynika, że wypadkowa ogniskowa układu dwóch soczewek zależy od ogniskowych tych soczewek oraz od odległości między nimi. Aby więc zmieniać ogniskową wypadkową, wystarczy przybliżać jedną soczewkę do drugiej lub je od siebie oddalać. W praktyce nie jest to oczywiście aż tak proste, ale jeśli każda z soczewek zostanie zastąpiona odpowiednim ich układem, a wzajemny ruch soczewek sterowany będzie pierścieniem lub poprzez wysuwanie tubusa i jeśli dodatkowo uwzględnimy, w jakiej odległości powstaje ostry obraz, to otrzymamy najprostszy obiektyw zmiennoogniskowy.

Obiektywy lustrzane

Obiektywy lustrzane, z punktu widzenia ich działania, konstrukcji
i sposobu tworzenia obrazu, znacznie się różnią od typowych konstrukcji soczewkowych. Dwie podstawowe zalety to brak problemów z aberracją chromatyczną oraz małe rozmiary przy stosunkowo długich ogniskowych.

Aberracja chromatyczna w obiektywach lustrzanych nie sprawia problemów, ponieważ podczas odbicia światła białego od zwierciadeł
(w odróżnieniu od załamania w soczewce) nie następuje rozszczepienie na barwy składowe. Nieliczne soczewki obiektywu lustrzanego nie wprowadzają już znaczącej aberracji chromatycznej. Ponieważ światło tworzące obraz biegnie w obiektywie lustrzanym trzy razy
(do zwierciadła głównego, z powrotem do zwierciadła wtórnego,
po czym ponownie przez otwór w zwierciadle głównym i przez soczewki
w stronę matrycy), obiektyw o ogniskowej 1000 mm ma tylko około 200 mm długości.

Z racji specyficznej budowy obiektywy lustrzane nie są wyposażone w mechanizm przysłony – zawsze pracują na pełnym, dość małym otworze względnym. Kolejną cechą tych obiektywów jest wygląd obrazów nieostrych punktowych źródeł światła – są one obrazowane w postaci pierścieni.

Obiektywy lustrzane można spotkać w zakresie ogniskowych od 300 mm do 2000 mm, z otworami względnymi od f/4,5 dla krótkich ogniskowych oraz nawet do f/16 dla tych najdłuższych. Zdecydowanie najpopularniejsze modele mają parametry 500/8 lub 1000/11. W ogromnej większości przypadków są to manualne obiektywy stałoogniskowe, choć Minolta miała w ofercie „pięćsetkę” AF, a Pentax lustrzanego zooma.

Schemat działania soczewki skupiającej

Mechanika

Wróćmy jednak do konstrukcji mechanicznej obiektywu. Gdy projekt optyki zostanie ukończony, a więc zapadną decyzje dotyczące ogniskowych, średnic
i wzajemnych odległości poszczególnych grup optycznych obiektywu (pojedyncza soczewka też jest nazywana grupą), przystępuje się do projektu mechanicznego. Na tym etapie stworzony zostanie zespół tulei, wzajemnie się ze sobą łączących, w których grupy optyczne zostaną oprawione w ściśle określonych położeniach. Dodatkowo projekt obejmuje mechanizm przysłony, ze szczególnym uwzględnieniem tego, z ilu segmentów będzie się ona składała i do jakiej wartości będzie mogła się zamykać. Bardzo istotne jest również umiejscowienie płaszczyzny przysłony względem układu optycznego, ponieważ w dużej mierze decyduje ono
o wielkości i typie dystorsji w obiektywie.

W obiektywach o klasycznym (czyli manualnym) ustawianiu ostrości tuleje z optyką i mechanizmem przysłony (zwane fachowo blokiem optycznym) umieszcza się w wewnątrz mechanizmu ślimakowego umożliwiającego poruszanie blokiem optycznym wzdłuż jego osi. Soczewki nie zmieniają położenia względem siebie, jest więc to rozwiązanie bardzo trwałe i umożliwia skuteczne zabezpieczenie wnętrza bloku optycznego przed kurzem.

Rodzaj „ślimaka”, zwanego fachowo helikoidem, zależy od typu obiektywu. Obiektywy szerokokątne wymagają jedynie nieznacznego przesunięcia bloku optycznego w trakcie ogniskowania i stosowany jest helikoid o małym skoku gwintu oraz niewielkim kącie obrotu. Z kolei teleobiektywy bez wewnętrznego ogniskowania wymagają silnego wysunięcia optyki, by ustawić ostrość dla małych odległości, i w takich przypadkach stosuje się helikoidy o dość znacznym skoku gwintu.
W makroobiektywach stosowane bywają helikoidy podwójne, które umożliwiają zarówno silne wysunięcie optyki, jak i precyzyjne ogniskowanie, dzięki umiarkowanemu skokowi gwintu. W starszych obiektywach oraz tych z najwyższej półki grupy optyczne montowane są w niezwykle precyzyjnie wykonanych tulejach metalowych, a ich mocowanie wykonywane jest w postaci pierścieni wkręcanych w te tuleje. Takie rozwiązanie jest obecnie dość kosztowne, ale pozwala na precyzyjne umieszczenie poszczególnych elementów optycznych względem siebie oraz stosunkowo łatwe rozebranie obiektywu w celu jego wyczyszczenia
z kurzu lub wymiany uszkodzonej lub porysowanej soczewki. W obiektywach tańszych elementy optyczne montowane są w tulejach z tworzywa sztucznego,
które – choć tańsze w produkcji – z biegiem czasu tracą precyzję położenia w obiektywie. Odbija się to negatywnie zarówno na osiągach optyki takiego „szkła”, jak i na dokładności pracy pierścieni ostrości i zooma. W plastikowych tulejach grupy optyczne osadzane są często poprzez ciasne pasowanie na wcisk, dlatego często rozebranie całego bloku optycznego w celu jego wyczyszczenia jest niemożliwe.

Mniej istotne aspekty projektowania mechaniki obiektywu obejmują: dobór średnicy mocowania filtrów tak, aby oprawa filtra nie wywoływała winietowania, ewentualnie projekt wbudowanej osłony przeciwsłonecznej o odpowiedniej długości lub (w przypadku obiektywów szerokokątnych) odpowiednio wyciętej w kształt tulipana, projekt mechaniki często uwzględnia też wykonanie pierścienia mocowania do statywu.

Umieszczenie w przedniej części obiektywu zespołu soczewek rozpraszających (na rysunku schematycznie jedna soczewka) powoduje zwiększenie odległości od ostatniej soczewki obiektywu do płaszczyzny obrazu. W obiektywach retrofokus wymiar lr może być nawet kilkukrotnie mniejszy od ogniskowej. W obiektywach krótkoogniskowych zbyt mały wymiar lk uniemożliwia ruch lustra w lustrzankach.

Umieszczony w tylnej części obiektywu układ soczewek rozpraszających (na rysunku pokazany schematycznie jedną soczewką) powoduje wydłużenie ogniskowej obiektywu głównego. Teleobiektyw jest wyraźnie krótszy od obiektywu długoogniskowego o tej samej ogniskowej.

Podsumowanie

W kolejnym odcinku cyklu „śrubkologicznego” omówimy szczegółowo różnorodne rozwiązania techniczne stosowane we współczesnej optyce fotograficznej. Przedstawimy między innymi dokładnie zalety stosowania soczewek niskodyspersyjnych i asferycznych, zasadę działania wewnętrznego ogniskowania.
Wyjaśnimy, co redukcja drgań ma wspólnego z żyroskopem. Zapraszamy!

Zasada działania zooma

Get Adobe Flash player

Różne "pięćdziesiątki" Nikona

Kilka przekrojów przez przykładowe jasne obiektywy standardowe Nikona, wszystkie pokazane tu obiektywy to tzw. typ Gaussa.

Masz propozycję na temat poradnika?: Napisz do nas
Oceń :

Zobacz podobne poradniki

rozwiń

Komentarze

Hosaka

W bardzo przyjazny sposób wytłumaczono wiele przykrych spraw. Świetny artykuł!

adam_bilski

bez wątppienia jeden z najlepszych art,. w siecie na tematy związane z wadami optyki/obiektywów! Gratulacje dla autora!

suckitandsee

Bardo dobry artykół i rzeczywiscie wiele wytłumacza. Szkoda, że niewiele jest jednak o liczbach, parametrach, oznaczeniach itp.

noki73

Osobie, która rozpoczyna przygodę z magią sztuki fotograficznej, powyższy tekst prosto nakreślił zasadę działania.

wacu

wacu 2012-06-17 23:43:45

Szkoda, że tak optyki na fizyce ciekawie w szkołach nie przedstawiają. Może by te dzieciaki z aparatami w końcu coś ogarnęły.

n0id3ntity2

Witam, nie moglam znalezc w serwisie zadnej opcji typu forum i problemy, wiec pisze w jak najbardziej powiazanym temacie, prosze o pomoc jesli ktos sie z tym zetknal..:( Mianowicie od jakiegos czasu zauwazylam na zdjeciach szare plamy, kregi, na zdjeciu maja z 1mm, wiec sa widoczne. Zjawisko nasila się przy zastosowaniu większej przysłony i fotografowaniu nieba(wiadomo, ciemne plamy na jasnym tle). Zaczelo mnie to denerwowac i przyjrzalam sie samemu obiektywowi patrząc od strony tylnej po jego zdjeciu z body. Po ustawieniu ostrosci na blizsze przedmioty i spojrzeniu bezposrednio przez obiektyw pod lampkę zauwazylam na szkle mikroskopijne moim zdaniem pęcherzyki powietrza...niektóre nienaruszone, a niektore wygladajace jak zaschnięta woda, nie wiem jak zrobic zdjęcie tego przypadku bo nie bedzie tego widac..napewno jest to jakas wewnetrzna soczewka, bo zmieniajac ostrosc plamy nie zmieniały połozenia. Dodaję ze przecierałam go juz ze sto razy. Probowalam nawet otworzyc obiektyw(tak wiem, pewnie blad na wlasna reke)ale sie nie udalo. Wyglada to podobnie jak na zdjeciu przedstawionym juz przez kogos na innym forum: http://images28.fotosik.pl/228/011e096f683a310b.jpg  mowa o tej nizszej strzalce. Oprocz tego jak mowilam nienaruszone mini kuleczki jak powietrza..Blagam pomozcie mi jesli ktos sie z tym spotkal...da saie to naprawic?ew. jaka bylaby cena? obiektyw canon  18-55 w zestawie byl kupiony do canona eos 1100 d

pilny

pilny 2013-01-29 12:24:57


2012.06.17 23:43   wacu:

Szkoda, że tak optyki na fizyce ciekawie w szkołach nie przedstawiają. Może by te dzieciaki z aparatami w końcu coś ogarnęły.


Szczególnie ciekawy jest ten obrazek z dystorsją. Promienie nie ulegają załamaniu w soczewce, a dystorsja się pojawia :)

tkowalcz

tkowalcz 2013-02-22 08:49:16

Bardzo dobry tekst, jednak wkdradła się do niego przynajmniej jedna, jakże ważna,  literówka: Abberację sferyczną zmniejszamy poprzez stosowanie soczewek _a_sferycznych, a nie sferycznych.

adrianperek

Tego było mi trzeba - naukowego wyjaśnienia pewnych zjawisk, świetny artykuł.

tomaszpirx

tomaszpirx 2016-08-07 21:46:25

dziękuję, świetny artykuł. t

witek

witek 2017-03-24 11:26:30

Wszystko pięknie. Jest tyle artykułów o tym jak działa obiektyw, przysłona ... a właściwie to mało kto chyba rozumie czemu to działa. No bo skoro przysłona umieszczana jest w 'środku optycznym obiektywu' a więc w ognisku, w którym przez jeden punkt przechodzą wszystkie promienie światła - to jakim cudem może zmniejszać ich ilość ? Przysłona w tym punkcie nie ma żadnej styczności z wiązkami światła skupianymi w ognisku.. I to jest pytanie : jak ona działa ? ;)

Dodaj komentarz

Ponieważ nie jesteś zalogowany, Twój wpis będzie musiał zostać zaakceptowany przez moderatora.

Dodaj swój post

turysta84

Szeroki Kadr świętuje dziesiąte urodziny!2018-10-17 08:54:36 turysta84

Wszystkiego najlepszego dla Wszystkich.…

adam

Dzień Fotografii i Gala Konkursu Mokotów - Teraz!2018-10-15 21:36:00 adam

Czy zostaną opublikowane zwycięskie fotografie?…

Redakcja-SK

Jesień2018-10-15 13:13:36 Redakcja-SK

Wszystkie osoby, które mają problem z tym materiałem prosimy o kontakt na adres…

karolazabinska

Pod światło2018-10-14 23:53:09 karolazabinska

Piękne obrazy i piękne słowa!…