Рисунок объектива — аберрации

Часть 2 .

В первой части мы рассмотрели…назовем это «макро» показателями, влияющими на рисунок объектива.

А сейчас я предлагаю погрузиться во внутрь объектива и проследить, что же там происходит с пришедшим лучиком света.

В идеальном мире, каждая точка, каждый лучик света от неё, прошел бы сквозь линзы объектива и оставил бы свой свет на фотографии в виде абсолютно идентичной точки из которой он вышел.

Фотография была бы идеальная…но это было бы так скучно. Это как мир в котором все вина имеют одинаковый вкус, ну или…например мир, только из 7 цветов и никаких оттенков, тонов, и разнообразия яркости!…во-общем скучный мир.

И как хорошо, что мы живем ни в таком мире…тем более, что сама природа света нам не позволит это сделать.

О чем я?

О том, что свет это…как бы рассказать, что это, не утонув в физике…

Свет это не единая сущность, это много много лучиков, и каждый из них со своими характеристиками…и вы же их видели…радуга, это отображение того из чего состоит солнечный свет.

Каждый цвет имеет свою длину волны, и это отражается на нас в том…дальше лучше пусть скажет Исаак Ньютон, цитата из его трактата по «Оптике»: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости». Т.е. для них стекло имеет различные показатели преломления. Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других — красные.

А значит — если на пути луча света оказывается линза, то за ней мы не получим исходную точку, за ней будут разноцветные пятна, причем еще и на разном расстояние друг от друга.

И вся эта беда со светом называется: Аберрацией — оптическими искажениями изображения.

О них и будет наш рассказ.

Но т.к. рассказ…по грустной традиции…снова получился большим, то начну сразу с выводов.

Аберрации формируют качество и характер объектива.

Т.к. устранить аберрации полностью невозможно (или очень очень дорого), то конструктору необходимо учесть:

• оптимальную дистанция съемки — если фокусировка выполняется перемещением некоторых из линз, то это становится важным;
• насколько критичны аберрации на открытой диафрагме — с одной стороны мы хотим получить резкий объектив на открытой диафрагме, с другой стороны если объектив на открытой диафрагме будет достаточно резок, но чуть мягок по общему фону — то это уже характер;

Мягкость фотографии обычно регулируют уровнем сферических аберраций, и есть объективы где данный уровень вы можете регулировать самостоятельно: Canon EF 135mm f/2.8 Soft Focus. На нем есть переключатель: 0 — без софт-эффекта; 1 — слабый эффект, 2 — сильный. Контраст изображения при этом резко падает, полутона размываются, но резкость мелких деталей все равно остается.

Но обычно это происходит примерно так: пусть у нас сферические аберрации средней зоны линз и центральной полностью исправлены, а краевые нет. Тогда на открытой диафрагме мы получаем чуть мягкое изображение, а прикрывая диафрагму мы отсекаем краевые лучи и изображение формируется только из лучей центральной и средней зоны линз, которые у нас исправлены — а значит изображение будет резким.

• но на самом деле не все так просто как в примере выше. Т.к. мы одними и теми же линзами пытаемся исправить все типы аберраций, а значит снова происходит поиск компромисса, и результат — это снова характер линзы;
• а вот с хроматическими аберрациями стараются бороться по максимуму и на всех фронтах. Они не только ухудшают резкость, главное, они могут катастрофически испортить цвет, к сожалению до сих пор не сложно получить фиолетовые деревья 🙁

Ну а мы начнем.

Сферическая аберрация.

Это ситуация, когда свет от бесконечно удаленной точки попадает на линзу в разных точках, это приводит к тому, что луч преломляется под разными углами и фокусируется на разных точках оптической оси. В итоге на плоскости мы получаем не идеальную точку, а расплывчатый круг.

Причем лучи более удалённые от оптической оси преломляются сильнее, нежели приближённые к оптической оси.

Достаточно успешно сферическая аберрация исправляется при помощи комбинации из положительной и отрицательной линзы. Причём, если линзы не склеиваются, то, кроме кривизны поверхностей компонентов, на величину сферической аберрации будет влиять и величина воздушного зазора между ними.

Но в любом случае идеально устранить сферическую аберрацию можно только для одной/двух из зон линзы, обычно делают для краевой зоны, с целью получить более качественное изображение на открытой диафрагме и учитывая то, что при более-менее сильном диафрагмирование работает центральная часть линзы, менее подверженная сферической аберрации.

Из особенностей:

— возможно вы слышали термин foсus shift – смещение фокуса при диафрагмирование. Т.е. вы сфокусировались на открытой, а при диафрагмирование фокус смещается. Это следствие сферической аберрации. Вы сфокусировались на открытой, собрав наиболее сильные лучи в одной точке, но при диафрагмирование вы отсекли часть лучей и теперь точка с наиболее сильными лучами оказывается в другом месте т.е. визуальный фокус сместился.

На рисунке ниже, краевые лучи были перекрыты диафрагмой, что привело к смещению плоскости с самым оптимальном фокусом — зеленая линия, новая плоскость наилучшего фокуса.

— иногда «переисправляют» аберрацию, т.е. краевые лучи фокусируется дальше плоскости фокуса. Это приводит к тому, что в целом резкость и контрастность для точки в фокусе увеличивается, но размытие вне зоны фокуса начинает двоится, рябит, т.к. блик становится не равномерным пятном, а «диском».

— игра со сферической аберрации позволяет изменять контрастность объектива при диафрагмированье. Например исправляют аберрацию для средней зоны линзы (т.е. для краевой зоны она будет в худшем состояние), и это приведёт к тому, что на открытой диафрагме объектив будет менее контрастен и резок, по сравнению с тем, если его немного задиафрагмировать, т.к. в этим мы отсекаем неисправленные лучи, оставляя только исправленные.

Говорят, что это характерно для ранних Планаров  от Carl Zeiss Jena.

А вот про Индустары-10 и Индустар-22 рассказывают обратную ситуацию, когда объектив на открытой диафрагме f3.5 резче и контрастнее чем на f4.0, как раз потому, что были скорректированы краевые зоны, а при диафрагмирование эти «лучшие» лучи перекрываются…но да, это будет заметно только при небольшом диафрагмирование, при f8 объектив в любом случае будет лучше чем на  открытой.

— сферическую аберрацию, в более чем двух зонах, можно исправить использованием асферических линз.

Это такие линзы которые имеют сложно-криволинейную форму.

Беда в том, что такие линзы сложно изготовить классическим обтачиванием стекла, и поэтому их штампуют из специального пластика, что по прежнему достаточно дорого т.к. требуется получить идеальные размеры, с идеальной прозрачностью, и все это не боящиеся солнца и в целом со стабильными характеристиками на долгое время.

Но в целом сферическая аберрация устраняется достаточно хорошо.

И если все это суммировать, то:

• она проявляется в: снижение резкости, снижение контраста, «игры» с фокусом и боке;
• решение: диафрагмирование объектива.

И немного справочной информации.

Хроматическая аберрация.

Немного напоминает сферическую аберрацию в том, что точку, как объект съемки, не удается собрать в точку на плоскости изображения т.к. линза раскладывает точку по цветам (разложение белого луча на составные части спектра), красные лучи дальше, фиолетовые ближе. И мы снова получаем не одну точку, а цветной пятно.

В начальные периоды развития фотографии с хроматическими аберрациями было с одной стороны проще, а с другой стороны, все равно про хроматическую аберрацию надо было думать, причем в неожиданном моменте.

Проще в том, что пленка чувствительна к небольшому диапазону волн, к сине-фиолетовому. Т.е. на остальные волны можно было не обращать внимание и настраивать объектив буквально на одну длину волны, не сильно заморачиваясь итоговой хроматической аберрацией.

Но!!!…человек наиболее чувствителен к желтому цвету.

Это приводит к тому, что человек фокусируясь по матовому стеклу — ориентируется в большей мере на желтые лучи, а пленка фотографирует сине-фиолетовые лучи. Разница между ними доходит до 1/50 величины от фокусного расстояния объектива. Например, для 300 мм объектива это будет 6 мм!

В то время такое расхождение решалось конструкцией матового стекла, когда матовое стекло и пленка были смещены относительно друг друга: пленка располагалась ближе к объективу чем матовое стекло, по которому фокусировались.

Но это уже старая история. При появление цветной фотографии объектив с хроматической аберрацией становится непригодным к работе т.к. вокруг любого объекта образуется окрашенные границы. В итоге ни цвета, ни резкости.

И мы снова возвращаемся к аналогии со сферической аберрацией:  

— идеальное устранения возможно только для одной из зон;

— чем больше диафрагмирование, тем меньше аберраций;

— и в целом это уже поправимо.

И устраняется она аналогичным образом: комбинацией из положительной и отрицательной линз.

Т.е. данным подходом выполняют устранение обоих видов аберраций, но…светосильные объективы на открытой часто менее контрастные и резкие, и в этом их плюс…получаем классные портреты! Но в этом случае часто оказывается, что и хроматическая аберрация не полностью скорректирована, в тут мы уже получаем не только красивое размытие и кожу, но разноцветные окантовки объектов…которые устраняются только диафрагмированием.

Сферическая аберрация проявляется в цветной кайме вокруг контрастных объектов, обычно она фиолетового цвета, но может быть и другого цвета

И исправляется она диафрагмированием. Перекрывая лучи из краевых зон, которые обычно менее скорректированы, в пользу центральных зон линз, как более часто используемых, и менее подверженных данному типу аберрации.

И теперь немного терминологии.

Объектив в котором скорректированы хроматические аберрация называют:

• ахроматом — объектив, в котором исправлена хроматическая аберрация для лучей света двух различных длин волн и частично — сферическая аберрация;
• апохромат — объектив, у которой исправлены сферическая аберрация и хроматические аберрации для трёх и более цветов. Обычно 434 нм (фиолетовый), 546 нм (зеленый) и 656 нм (красный).

Описанная выше аберрация называется — Хроматической аберрацией положения.

А все потому, что есть еще несколько типов хроматической аберрации.

Хроматизм увеличения.

Аберрация, при которой увеличение оптической системы зависит от длины волны . Вследствие этого вместо изображения точки образуется цветная полоска — бахрома.

Причиной является то, что точка для каждого из цветов, луча проходящего под углом к линзе, отображается на приемнике на разном расстояние.

Чем ближе точка к краю кадра, и чем шире угол объектива, тем данная аберрация заметна.

Поэтому ею страдают, в большой мере, широкоугольники по краям кадра…и некоторые объективы с переменным фокусным расстоянием.

Главный недостаток данного типа хроматизма — его не исправить диафрагмированием. И он исправляется только на уровне конструкции объектива.

Сферохроматизм.

Еще одна разновидность хроматической аберрации, когда цвет до точки фокуса и после различается. Заметен только при больших углах прохождения лучей и максимально открытой диафрагме. В результате на переднем плане мы имеем пурпурную кайму, а на заднем плане – зелёную

Появление аберрации связано с тем, что лучи разной длины волны, при съемке под углом, не всегда исправлены, и все таки фокусируются на разном расстояние. Но обычно данный вид аберрации хоть и существует, но мало заметен.

Исправляется диафрагмированием.

Кома

Кома – еще один из видов сферической аберрации, но теперь не для прямых лучей к линзе, а наклонных. Когда лучи, приходящие под углом к оптической оси, не собираются в одной точке.

Кома проявляется в виде «комет» — когда точка вытягивается в яркий центр и вытянутый хвост.

Исправляется — снова диафрагмированием или использование Апланатов — объективов с исправленной комой.

И немного подытожим

Астигматизм

Выражается в том, что точка, лежащая вне оптической оси, отображается двумя взаимно перпендикулярными вытянутыми отрезками, причем расположенных на разных фокусных плоскостях. И если эти плоскости совпадают, то астигматизм скорректирован.

Из особенностей: её не решить диафрагмой!

Исправляют подбором кривизны и состава линз, и при этом исправление астигматизма напрямую влияет на выравнивание плоскости изображения, о которой ниже.

И снова вспоминается Гелиос-40 – его вытянутые блики это и есть неисправленный астигматизм. Да и если честно: у него и к кривизне плоскости изображения тоже куча вопросов.

Запомните: для Гелиоса-40 объект съемки размещаем только в центре кадра, все кадрирование на пост. обработке!

Как решить: только использованием объектива типа «Анастигмат», т.е. объектива с исправленным астигматизмом.

Кривизна поля изображения.

Ну тут вроде все просто…поле изображения не плоское, а сферическое

Недостаток – не удается получить равномерную резкость по полю кадра.

Но есть и плюсы! Можно получить, визуально, минимальную ГРИП для портрета, т.к. все вокруг оказывается просто не в фокусе, что резко усиливает размытие фона.

Но все современные объективы с более-менее выровненной кривизной поля. Телеобъективы — в большей мере,макрообъективы — вообще идеально, а вот «ширики» могут немного обладать этим свойством.

Кривизна поля исправляется диафрагмированием.

Часто кривизна поля и астигматизм идут рядом…и снова легендарный Гелиос-40 может вам это продемонстрировать. Сфокусировать его точно — часто это просто счастливый случай.

Дисторсия

Искривление поля.

Дисторсия особенно сильно заметна при съемки геометрических объектов.

Мы прекрасно знаем, что фонарный столб — он прямой, а на фото сделанное объективом с дисторсией мы получим…дугу. Или дом…он не бывает вогнутым.

Дисторсия вызвана геометрическим расположению диафрагмы, и полное устранение дисторсии возможно только при симметричном расположение диафрагмы между линзами.

Высшей мерой дисторсии обладают объективы Fish-Eye — но ради неё они и задуманы.

А еще бывает «усатая» дисторсия. Когда по центру она выражена сильнее, чем по краям.

Пример: Samyang 14 mm f/2.8

Но в целом, история с дисторсией очень напоминает историю с кривизной поля: макро обычно её не имеют, в теледиапазоне её минимум, и только широкоугольники могут показать вам её в явном виде.

Но помните, что перспективные искажения и дисторсия это разные вещи!

Первое зависит только от расстояния до объекта съемки, второе от расстояния никак не зависит и обусловлена конструкцией объектива.

И да…объективы с переменным фокусным расстоянием обладают большей дисторсией по сравнению с «фиксами» т.к. в них происходит изменение положения линз…а следовательно и диафрагма не всегда может находится в идеальном месте.

Причем зажимая диафрагму дисторсию не исправить.

И хочу рассказать про еще один параметр…хоть это и не аберрация, но часто это тоже частичка характера объектива.

Виньетирование.

Это затемнение по краям кадра.

Обычно вызывается обрезкой световых лучей оправой объектива.

Визуально это выглядит вот так:

А еще вот так:

Это край кадра с Canon EF 50 mm f/ 1.0, где блик был обрезан краем объектива. Такое бывает, когда геометрических размеров линз недостаточно для данной светосилы – лечится как многое в объективах – диафрагмированием, т.е. отсечение этих бликов по краям кадра.

Кстати в сплющенных бликах по краям кадра часто тоже виновато виньетирование, когда часть лучей в итоге обрезается оправой объектива и мы видим не круглый блик, а блик, состоящий из двух пересекающихся дуг.

А еще винъетирование может быть вызвано диафрагмой, если она не апертурная…во-общем еще прям совсем немного — про диафрагму.

В фотообъективах используют апертурную диафрагму, расположенную вблизи центра формирования оптического изображения. Это позволяет при любом значение диафрагмы получать освещённость всего кадра.

Но есть еще полевая диафрагма, она располагается вблизи одного из фокусов оптической системы, и ограничивает линейный размер освещенного кадра.

Используется в объективах в фиксированном виде.

С помощью неё физически перекрывают часть лучей, уменьшая этим вероятность засветки, ограничивая освещенное поле размером кадра и тем самым увеличивая контраст изображения.

Например, как у Canon RF 24-105mm F4L IS USM

Снова не удалось изложить все кратко…но надеюсь это было познавательно.

А в следующей части нас ждет рассказ о том, как все эти линзы размещены внутри объектива…и главное почему.