Sprawdzanie
Szeroki Kadr
Poradnik: Sprzęt | 09.03.2010 | Zaawansowani | Powiększ tekst:

Jak to działa? Część 3. – Optyka po raz drugi

Marcin Górko

Poznaj tajemnice optyki
Dodaj do schowka Komentarze: 5

Wstęp

W poprzednim odcinku zapoznaliśmy się podstawami działania obiektywów fotograficznych. Omówiliśmy wady odwzorowań (aberracje) i własności soczewek, poznaliśmy zasadę działania obiektywów zmiennoogniskowych typu retrofokus, teleobiektywów oraz obiektywów lustrzanych.

Achromat, apochromat szkło optyczne ED o niskiej dyspersji

Uważny czytelnik z pewnością pamięta, że szkło optyczne (jak zresztą każde szkło) nie ma stałego współczynnika załamania. Jest on zależny od długości fali światła, czyli od jego koloru. W konsekwencji wiązka białego światła padającego na soczewkę rozszczepiana jest na barwy składowe – to właśnie źródło aberracji chromatycznej.

Różnicę w załamywaniu światła barwy niebieskiej i czerwonej nazywa się rozproszeniem lub dyspersją. Im jest większa, tym silniejsza aberracja chromatyczna.

Pierwszą próbą zapanowania nad aberracją chromatyczną było zastosowanie układu dwóch soczewek wykonanych z różnych gatunków szkła (czyli
o różnym współczynniku załamania i dyspersji). Dla ustalonych parametrów szkła optycznego dość łatwo obliczyć promienie krzywizny soczewek tak,
by ognisko dla światła niebieskiego pokrywało się z ogniskiem dla światła czerwonego. Taki dublet nazywany jest achromatem (z greckiego: bezbarwny) i właściwie nie daje aberracji chromatycznej. Światło o barwie między czerwienią i niebieskim (a więc większość zakresu widzialnego) skupiane jest mniej więcej w jednym ognisku. Jedynie przy barwach skrajnych: fiolecie i głębokiej czerwieni widoczna jest szczątkowa aberracja chromatyczna.

Zdecydowana większość starszych teleobiektywów posiada jako pierwszą grupę taki właśnie dublet – obiektywy te, o ile nie są stosowane na pełnym otworze przysłony do fotografowania bardzo subtelnych detali o wysokim kontraście, dają zupełnie dobre rezultaty, wystarczające w większości sytuacji.

Jednak aby zagwarantować jeszcze lepszy stopień korekcji barwnej, należało tak skorygować układ optyczny, żeby uzyskać wspólne ognisko dla trzech barw: czerwonej, żółtej i niebieskiej. Takie obiektywy określane są mianem apochromatu. Wbrew panującej opinii obiektyw o korekcji apochromatycznej nie wymaga szczególnych gatunków szkła optycznego, ale są to obiektywy bardzo kosztowne i przez to mało popularne. Klasycznie korygowany apochromat, aby był wolny od innych aberracji (patrz poprzedni odcinek cyklu), musi składać się ze stosunkowo dużej liczby grup optycznych, a jego soczewki powinny być wykonane ze szkła o kliku różnych współczynnikach załamania. To czyni produkcję apochromatów bardzo drogą, wręcz nieopłacalną dla celów komercyjnych.

Znacznie popularniejszą metodą walki z aberracją chromatyczną jest zastosowanie szkła optycznego o bardzo niskiej dyspersji. Jeszcze w połowie lat 90. ubiegłego wieku szkło ED (z ang. extra low dispersion) było bardzo drogie w produkcji i stosowano je tylko w optyce zawodowej. Dość przypomnieć, że 15 lat temu Nikon w ofercie optyki AF posiadał tylko cztery obiektywy ze szkłem ED.

Przełom nastąpił wraz z pojawieniem się AF Zoom-Nikkora 70-300/4-5,6D ED, a z biegiem czasu szkło ED trafiło nawet do najtańszych obiektywów amatorskich oraz do niewymiennej optyki w kompaktowych Coolpiksach. Pojedyncza soczewka wykonana z takiego szkła daje bardzo małą aberrację chromatyczną,
a zastosowanie kilku soczewek ED w obiektywie daje korekcję aberracji chromatycznej na tym samym poziomie co w apochromacie. Należy jednak pamiętać,
że praktycznie wszystkie „zwykłe” obiektywy oznaczone przez producenta jako APO są w rzeczywistości nie apochromatami, lecz achromatami z bardzo dobrze (lecz nie całkowicie!) skorygowaną aberracją chromatyczną.

W teleobiektywach soczewkę (lub soczewki) o niskiej dyspersji stosuje się w przedniej części obiektywu, zaś we współczesnej optyce szerokokątnej głównie
w części tylnej. W zaawansowanych zoomach soczewki ED rozłożone są równomiernie w całym układzie optycznym.

Część producentów zdecydowała się na produkcję jeszcze bardziej nietypowych soczewek: wykonanych z fluorytu, czyli szkła optycznego, a właściwie kryształu, posiadającego jeszcze korzystniejsze właściwości dyspersyjne niż szkło ED. Ponieważ wielkoskalowe wytwarzanie soczewek fluorytowych jest skomplikowane technologicznie i kosztowne, stanowią rzadkość w optyce fotograficznej.

Soczewki asferyczne

Zwykłe soczewki, czyli ograniczone powierzchniami kulistymi, wykazują aberrację sferyczną. Ponieważ promienie biegnące blisko osi skupiane są dalej od soczewki niż promienie padające na jej brzegową część, można powiedzieć, że środek soczewki ma dłuższą ogniskową, zaś część zewnętrzna krótszą. Aberrację sferyczną można skorygować, gdy zewnętrzna część soczewki ma dłuższą ogniskową – wymaga to oczywiście korekty kształtu soczewki, a więc także odejścia od sferycznego kształtu przynajmniej jednej jej powierzchni.

O ile szlifowanie soczewek sferycznych jest bardzo proste i może być wykonywane mechanicznie, o tyle produkcja klasycznych soczewek asferycznych jest znacznie bardziej skomplikowana, a przez to droższa. Soczewkę szlifuje się dwuetapowo: najpierw nadaje się jej kształt sferyczny, a następnie – w kolejnym procesie szlifowania – koryguje się jedną z powierzchni, by uzyskać wymagany kształt asferyczny. Pierwszym obiektywem fotograficznym wyposażonym
w soczewkę asferyczną był OP-Fisheye Nikkor 10 mm f/5,6, zaś najbardziej znanym asferycznym Nikkorem nadal pozostaje Noct-Nikkor 58 mm f/1,2, który jest wręcz stworzony do fotografii nocnej i usunięcie w nim aberracji sferycznej było niezwykle istotne.

W ostatnich latach soczewki asferyczne zyskały ogromną popularność i stosowane są w większości obiektywów, również w tych najtańszych. Stało się to możliwe dzięki opracowaniu dwóch nowych technologii produkcji soczewek asferycznych. Pierwsza polega na naklejeniu na jedną stronę zwykłej soczewki sferycznej specjalnej warstwy wykonanej z tworzywa sztucznego o doskonałych własnościach optycznych. Warstwa ta po stronie zewnętrznej ma kształt asferyczny,
a klejona soczewka nazywana jest hybrydową soczewką asferyczną. Inny sposób uzyskania asferycznego kształtu polega na odlewaniu soczewki w formie o kształcie asferycznym. Ta metoda pozwala ominąć proces szlifowania – soczewka po odlaniu od razu uzyskuje kształt asferyczny i należy ją tylko wypolerować.

Soczewki asferyczne odgrywają szczególnie ważną rolę w obiektywach szerokokątnych o dużym otworze względnym oraz w zoomach o dużej krotności. Użycie kliku takich elementów znacznie upraszcza konstrukcję optyczną i pozwala łatwiej zapanować nie tylko nad aberracją sferyczną, ale także komą i astygmatyzmem. Mimo że wyprodukowanie pojedynczej soczewki asferycznej jest droższe od soczewki klasycznej, zbudowanie dobrze skorygowanego obiektywu może okazać się tańsze przy zastosowaniu elementu lub elementów asferycznych.

Wewnętrzne ogniskowanie (IF)

Skoro wiemy już, jakie rodzaje soczewek znajdują się w nowoczesnym obiektywie, warto sprawdzić, jak większość z nich ustawia ostrość. Z zasad optyki geometrycznej wynika, że ostry obraz uzyskuje się, gdy spełnione jest poniższe równanie soczewki:

gdzie x oznacza odległość przedmiotową (od obiektywu do przedmiotu), y − odległość obrazową (od obiektywu do płaszczyzny obrazu, czyli matrycy),
a f to ogniskowa obiektywu.

Z równania wynika, że dla wybranej wartości f każda zmiana x (czyli odległości od obiektu) musi powodować odpowiednią zmianę y. W poprzednim odcinku wspominaliśmy o specjalnych gwintach (helikoidach), które służą do poruszania całym blokiem optycznym tak, aby ostry obraz znalazł się w płaszczyźnie filmu lub matrycy CCD. Właśnie w ten sposób zmienia się odległość zdjęciową. Warto wspomnieć, że gdy przedmiot jest nieskończenie daleko, odległość obrazowa równa się ogniskowej, ponieważ ostry obraz powstaje w płaszczyźnie przechodzącej przez ognisko.

Ogniskowanie tradycyjne kontra ogniskowanie wewnętrzne

Tradycyjne ogniskowanie polega na przesuwaniu całego układu optycznego wzdłuż osi obiektywu. Powoduje to wydłużenie się obiektywu, gdy ostrość ustawiona jest blisko. W obiektywie wyposażonym w mechanizm wewnętrznego ogniskowania (IF) obrót pierścienia ostrości powoduje ruch tylko jednej lub dwóch grup optycznych, zmianie ulega ogniskowa obiektywu, a jego tubus nie zmienia długości.

Medical-Nikkor 120mm f/4 IF podczas ogniskowania bardzo silnie skraca ogniskową. Nominalna ogniskowa 120 mm obowiązuje tylko dla największej odległości zdjęciowej, przy skali odwzorowania 1:11.

Inną metodą na spełnienie powyższego równania, gdy zmienia się x, jest… zmiana f, czyli ogniskowej. Właśnie na tym pomyśle opiera się idea wewnętrznego ogniskowania: zamiast poruszać całym obiektywem, wystarczy przemieszczać tylko wybrane grupy optyczne, tak aby wywołana
w ten sposób zmiana ogniskowej stale dawała ostry obraz w ustalonej płaszczyźnie. Można więc powiedzieć, że każdy obiektyw wyposażony
w mechanizm IF (z ang. internal focusing) to zoom, ale na zmianę ogniskowej użytkownik nie ma wpływu. Należy dodać, że ogniskowa podawana przez producenta jako nominalna obowiązuje, gdy ostrość ustawiona jest na nieskończoność. Im bliżej ogniskujemy, tym krótsza staje się ogniskowa. Siła zmian ogniskowej wywołanych pracą wewnętrznego ogniskowania zależy od rodzaju obiektywu. W AF Micro-Nikkorze 200/4 IF-ED, kiedy ostrość ustawiona jest na najmniejszą odległość 50 cm, ogniskowa ulega skróceniu do 125 mm, czyli prawie o połowę! Gdy obiektyw
o ogniskowej 300 mm ustawiony jest na odległość 2 m, jego ogniskowa wynosi 260 mm, a więc skraca się o 13%.

Jakie są zalety stosowania wewnętrznego ogniskowania? Jest ich kilka. Ponieważ ustawianie ostrości wymaga ruchu tylko jednej lub dwóch grup optycznych, możliwe jest bardzo szybkie automatyczne ustawianie ostrości. Żaden silnik odpowiedzialny za układ AF – ani wbudowany w korpus, ani
w obiektyw – gdyby musiał poruszać całą optyką teleobiektywu o ogniskowej np. 400 mm, nie byłby w stanie zapewnić wystarczająco szybkiego ogniskowania.

Część czytelników być może miała do czynienia z dwoma pierwszymi wersjami obiektywu AF Zoom-Nikkor 80-200/2,8ED, który słynął z wyjątkowo powolnego ogniskowania w trybie AF.

Wewnętrzne ogniskowanie umożliwia też skrócenie minimalnego dystansu ustawiania ostrości. Dla przykładu: Nikkor 300/4,5 ogniskuje od 4 m, a jego odpowiednik z wewnętrznym ogniskowaniem, czyli Nikkor 300/4,5 IF-ED, ustawia ostrość już od 2,5 m. Gdyby nie wewnętrzne ogniskowanie, zbudowanie makroobiektywów osiągających skalę odwzorowania 1:1 nie byłoby możliwe. Dodatkowo, ponieważ podczas pracy układu IF środek ciężkości obiektywu praktycznie nie przemieszcza się, taki obiektyw po zamocowaniu na statywie pozostaje wyważony w całym zakresie skali odległości. Kolejna zaleta to zawsze nieruchome mocowanie filtra, które ułatwia pracę z filtrami polaryzacyjnymi i połówkowymi.

Pewną odmianą wewnętrznego ogniskowania jest ogniskowanie przednimi grupami optycznymi (tak jak w zoomach 50-300/4,5ED i 70-210/4) oraz ogniskowanie tylną grupą optyczną (tak jak w popularnym AF-Nikkorze 85/1,8).

Korekcja bliskiego zakresu

Idealny obiektyw powinien dawać obrazy najwyższej jakości w całym zakresie odległości. W klasycznych jasnych konstrukcjach tak się jednak nie dzieje – zdecydowana większość obiektywów projektowana jest przy założeniu, że fotografowany przedmiot znajduje się w bardzo dużej odległości w porównaniu
z ogniskową. Gdy obiektyw używany jest do zdjęć z małej odległości, ujawniają się liczne wady optyczne, w szczególności krzywizna pola. Powoduje ona znaczny spadek ostrości obrazu w narożnikach kadru. Defekt jest tym dotkliwszy, im krótsza ogniskowa oraz większy otwór względny obiektywu. W przypadku niektórych obiektywów efekt ten był na tyle nieprzyjemny, że producent ograniczył możliwość ustawiania ostrości z małych odległości, np. pierwszy Nikkor-H 2,8 cm f/3,5 ogniskował dopiero od 60 cm. Pod koniec lat 60. ubiegłego wieku Nikon opracował metodę korygowania krzywizny pola podczas fotografowania z małych odległości i nazwał ją Close Range Correction, czyli korekcją bliskiego zakresu. Polega na rozdzieleniu bloku optycznego obiektywu na dwa układy, które podczas ustawiania ostrości poruszają sie względem siebie. Ten niewielki ruch, często rzędu 1−2 mm, wystarcza, by wysoką jakość optyki zagwarantować nawet przy zdjęciach z minimalnej odległości. W zasadzie dla każdego obiektywu CRC projektowane jest indywidualnie, np. Nikkor 35 mm f/1,4 i 85 mm f/1,4 do pracy CRC wykorzystują ruch tylnej grupy, podczas gdy Micro-Nikkor 55 mm f/2,8 i Nikkor 28 mm f/2,8 wykonują korekcję grupami przed przysłoną.

Ogniskowanie zwyczajnego obiektywu i obiektywu wyposażonego w system CRC

Podczas ogniskowania w tradycyjnym obiektywie wszystkie grupy znajdują się w stałej odległości od siebie. W obiektywie wyposażonym w system Close Range Correction przynajmniej jedna grupa optyczna porusza się nieco inaczej i w ten sposób koryguje krzywiznę pola. Przedstawiony obiektyw (Nikkor 85/1,4 AIS) korekcji dokonuje tylną soczewką – zwróćcie uwagę na jej odległość od sąsiedniego dubletu dla różnych odległości.

Redukcja drgań VR

Możliwość likwidacji poruszenia zdjęcia jest najnowszą zdobyczą technologii, stosowaną przy produkcji nowoczesnych obiektywów fotograficznych. Dla większości użytkowników jest to również najbardziej tajemnicza funkcja obiektywów.

Od pojawienia się pierwszych obiektywów fotograficznych z redukcją drgań minęło już kilka ładnych lat, ale mało kto zdaje sobie sprawę, że pierwszym
(i najsłynniejszym) stabilizowanym układem optycznym jest… Teleskop Kosmiczny Hubble’a.

Teleskop ten porusza się swobodnie w przestrzeni kosmicznej, a zdjęcia nim wykonane nie są poruszone, mimo że czasy ekspozycji sięgają kilkunastu godzin!
Jak to możliwe? Stabilizacja układu optycznego, zarówno teleskopu na orbicie, jak i zoomu z lustrzanką używanego na wakacjach, wymaga stałej orientacji osi optycznej podczas ekspozycji. Elektronika sterująca redukcją drgań musi poznać ruch obiektywu w płaszczyznach pionowej i poziomej, by w czasie rzeczywistym za pomocą jednej z grup optycznych wykonać odpowiednie korekcje.

Za detekcję ruchu, czyli drgań, odpowiedzialne są żyroskopy. Szybko wirujący żyroskop ma tę właściwość, że jego oś obrotu zachowuje stały kierunek
w przestrzeni, nawet jeśli obudowa żyroskopu będzie obracana. (To dlatego bączek dla dzieci, gdy jest rozkręcony, wiruje zawsze wokół osi pionowej, nawet jeśli pochylimy powierzchnię, na której się kręci). Ponieważ obudowy żyroskopów są trwale przymocowane do obiektywu, odpowiednie czujniki mogą bardzo precyzyjnie określić, jaka jest amplituda i częstotliwość drgań. Te dane, w połączeniu z informacją o ogniskowej obiektywu, pozwalają wyliczyć, jak duże jest poruszenie obrazu na skutek drgań. Znając z kolei wielkość poruszenia, można wyliczyć wielkość przesunięcia grupy optycznej, która jest odpowiedzialna za redukcję drgań.

Obiektywy wyposażone w system typu VR mają dwa żyroskopy współpracujące z czujnikami prędkości kątowej i dwoma silnikami VCM (Voice Coil Motor) sterującymi ruchem grupy optycznej. Jeden z żyroskopów, wraz z czujnikiem i silnikiem, odpowiada za redukcję drgań góra/dół, drugi zestaw zajmuje się usuwaniem poruszenia w kierunku prawo/lewo.

Umieszczenie układu redukcji drgań w obiektywach ma tę zaletę, że redukcja drgań widoczna jest także w wizjerze. To ułatwia komponowanie kadru i nie przyczynia się do zmęczenia wzroku, które może nastąpić przy długotrwałej pracy z aparatem.

Redukcja drgań

Obiektyw wyposażony w system redukcji drgań rozpoznaje poruszenie i dzięki ruchowi odpowiedniej grupy optycznej jest w stanie je skorygować. Dzięki temu obraz dawany przez obiektyw jest nieruchomy, a więc nieporuszony.

Podsumowanie

Na tym kończymy „śrubkologiczny” przegląd optyki fotograficznej. W kolejnej części cyklu opowiemy o lampach błyskowych, które według wielu osób są nieodzownymi towarzyszami lustrzanki.

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

Zobacz podobne poradniki

rozwiń

Komentarze

cruZer

Chyba coś nie tak z tą prezentacją VR? To chyba właśnie przy włączonym VR linia powinna pozostać w tym samym miejscu matrycy, a przy wyłączonym się poruszać! No chyba że się mylę:)

mariusz0927

Prezentacja jest ok. Przy wyłączonym VR linia która nie zmienia swojego położenia to oś "celująca w obiekt, który chcesz sfotografować" (fachowego języka nie znam, więc po swojemu napiszę). Przy drganiach, uciekasz od tej osi i obraz wiruje góra - dół. Przy włączonym VR układ koryguje to, "załamując tą oś".

Yenneferx

świetny, konkretny artykuł, wszystko przystępnie wytłumaczone, a jednocześnie bez zbędnych uproszczeń.

Dodaj komentarz

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

Dodaj swój post

robert.lens.12

Fotografia przyrodnicza okiem pasjonata2018-09-20 11:53:24 robert.lens.12

Mistrz!…

sagitarius777

Piotr Chara2018-09-19 21:07:48 sagitarius777

Zawsze podziwiałem fotografów przyrody, czas i poświecenie aby wykonać jedno dobre zdjęcie, a…

sagitarius777

Szeroki Kadr świętuje dziesiąte urodziny!2018-09-19 20:36:59 sagitarius777

Kolejnych dziesięcioleci, my na tym zyskamy :-)…

drewdom

Fotografia wakacyjna2018-09-19 10:35:23 drewdom

Ja osobiście nie lubię robić zdjęć nocą.…