FAQ optyczne (długie
- strasznie) i w dodatku nudne.
Ale nie trzeba będzie powtarzać po kilkadziesiąt razy tego samego :-)
Date:Tue, 09 Oct 2001 01:18:10 GMT pl.rec.foto
opracowanie - Stanisław B.A. Stawowy
!uwaga!
Tekst został party w pewnym stopniu na:
"Frequently Asked Questions regarding lenses.
By David Jacobson".
Był pisany 9 X 2001, pomiędzy 0:11 a 3:12, co w oczywisty sposób wpłynęło
na jasność stylu.
Ewentualnych czytelników przestrzega się przed matematycznością tekstu; został
on napisany wyłącznie w celu złośliwego odsyłania do niego newbies, |userów
i trolli :-)
=============================================
Optyka fotograficzna - Często Zadawane Pytania
0.) Oznaczenia użyte w tekście
f - ogniskowa
Lp - odległość punktu głównego
przedmiotowego do przedmiotu
L> - odległość
punktu głównego przedmiotowego do najdalszego punktu odwzorowanego ostro
L< - odległość
punktu głównego przedmiotowego do najbliższego punktu odwzorowanego ostro
Lo - odległość punktu głównego
obrazowego do płaszczyzny filmu
M - powiększenie
N - wartość przysłony
(f/stop)
Nm - wartość przysłony
(f/stop) skorygowana dla mieszka lub pierścieni pośrednich
c - największy
akceptowalny rozmiar krążka rozproszenia
h - odległość
hiperfokalna
0.5.) Co to jest punkt główny przedmiotowy i punkt główny obrazowy?
Rozważmy soczewkę gruba (lub układ soczewek):
o *----------------/|---|*\
|<- film
( ) *
/ | | \*
|
/ \ * |
| | | *
|
-------------*--------|---|- ------ *-------------
* | | | |
* \ /
* \ | | /
* ( )
*|-- |-/----------------* o
A B
Płaszczyznę A nazywamy płaszczyzna główna przedmiotowa, a punkt w którym
przecina ona os optyczna układu - punktem głównym przedmiotowym. Odpowiednio płaszczyznę
B nazywamy płaszczyzna główna
obrazowa, a punkt w którym przecina ona oś optyczną układu - punktem głównym
obrazowym. Całość jest (znacznie) lepiej wytłumaczona w każdym podręczniku
optyki :-)
1.) Co to jest ogniskowa? Co oznacza '50mm' na obiektywie?
Obiektyw o ogniskowej 50mm tworzy na filmie obraz przedmiotu o takiej wielkości, jakiej utworzyłby obiektyw otworkowy (pinhole) umieszczony w odległości 50 mm od filmu.
2.) Co to jest wartość przysłony (f-stop, f/ )
Jest to ogniskowa obiektywu podzielona przez widoczna średnice przysłony
widzianej z przodu (od strony przedmiotowej) obiektywu.
Na przykład przysłona f/8 oznacza, że średnica przysłony jest osiem razy
mniejsza od ogniskowej obiektywu.
Jasność obrazu na filmie jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu wybranej wartość
przysłony. W miarę przymykania przysłony wartości niektórych aberracji (wad
optycznych) obiektywu zmniejszają się, ale zmniejsza się tez wskutek
dyfrakcji jakość obrazu.
Zasada powyższa przestaje obowiązywać gdy obiektyw nastawiony jest na szczególnie
bliski przedmiot (makrofotografia).
3.) Czy jest jakiś wzór na sytuacje w której otrzymamy ostry obraz?
Jest ich kilka. Najprostsza z nich jest reguła Gaussa:
1/Lp + 1/Lo = 1/f
i reguła Newtona:
(Lp-f)*(Lo-f) = f^2 (f-do-kwadratu)
4.) Czy jest jakiś wzór na wielkość obrazu w stosunku do wielkości przedmiotu (powiększenie - M)
p = Lp/Lo
p = (Lp-f)/f
p = f/(Lo-f)
5.) Ile wynosi pole widzenia obiektywu?
Jeżeli za X podstawimy przekątną obrazu (ok. 43 mm dla obrazka 24x36) to pole
widzenia PW będzie równe:
PW = 2*arctan(X/(2*f*(M+1)))
Dla dalekich obiektów M możemy przyjąć za równe zero, wtedy wzór redukuje się do:
PW = 2*arctan(X/2f)
Przykładowo, dla obiektywu 50 mm mamy:
PW = 46.5 stopnia.
6.) Jak bardzo przedłużyć naświetlenie przy zdjęciach przez mieszek/pierścienie?
Nn = N*(1+M)
7.) Co to jest krążek rozproszenia?
Kiedy obiektyw nie jest nastawiony dokładnie na ostro, obrazem punktu na negatywie nie jest punkt lecz krążek o pewnej średnicy. Jeśli średnica ta będzie wystarczająco mała, obraz będzie mimo to wydawał się ostry. Oczywiście maksymalna możliwa średnica krążka rozproszenia zależy od przewidzianego stopnia powiększenia negatywu, kryteriów i ostrości wzroku oglądającego, itp. Ogólnie przyjęta jest za maksymalną dopuszczalną wielkość krążka rozpraszania równa 0.03 mm. Inna reguła przyjmuje za dopuszczalną 1/2000 przekątnej negatywu - około 0.021 mm dla filmu 35mm; jest to wartość przyjęta przez Rollei i Schneidera. Zeiss i Sinar przyjmują 0.025 mm.
8.) Co to jest odległość hiperfokalna?
Odległość hiperfokalna jest to odległość do najbliższego odwzorowanego akceptowalnie ostro (patrz wyżej) punktu dla obiektywu nastawionego na nieskończoność
h = f^2/(N*c)
9.) Jaka będzie odległość najbliższego i i najdalszego punktu dla obiektywu nastawionego na pewną odległość Lo?
S< = h*Lo/(h+(Lo-f))
S< = h*Lo/(h-(Lo-f))
Jeśli mianownik ułamka wynosi zero lub jest ujemny, S< jest nieskończenie dalekie
10.) Co to jest głębia ostrości?
Wygodnie jest mówić o tylnej i przedniej głębi ostrości. Tylna głębia ostrości
jest to odległość od obiektu do
najdalszego punktu odwzorowanego akceptowalnie ostro, przednia głębia ostrości
jest to odległość od najbliższego punktu odwzorowanego akceptowalnie ostro
do obiektu.
PGO = Lo - L<
TGO = L> - Lo
11.) Jak nastawić obiektyw aby mieć wszystko od nieskończoności do możliwie najbliższego punktu?
Na odległość hiperfokalna. Dokładniej mówiąc na Lo = h + f
Wtedy najbliższy punkt odwzorowany akceptowalnie ostro będzie znajdował się
w połowie Lo, a najdalszy w nieskończoności.
12.) Nie da się prościej?
Da się :-) Gdy odległość do obiektu jest mała w stosunku do odległości hiperfokalnej, przednia i tylna głębia ostrości są praktycznie równe i zależą wyłącznie od powiększenia M i przysłony Nn. Można wtedy użyć wzorów przybliżonych:
PGO = TGO = Nn*c/M^2
W normalnych sytuacjach (nie makro) Nn = N (nastawiona przysłona).
13.) Słyszałem, że żeby uzyskać małą głębię ostrości należy użyć obiektywu o dłuższej ogniskowej. To prawda?
Tak i nie:-)
Zakładając że obiekt na negatywie będzie miał taki sam rozmiar w obu
wypadkach i odległość do obiektu jest mała w stosunku do odległości
hiperfokalnej, PGO i TGO obu obiektywów będą w przybliżeniu takie same i
jednakowe niezależnie od wybranej ogniskowej.
Jeśli jednak ogniskowa obiektywu będzie bardzo mała, odległość
hiperfokalna - zależna od kwadratu ogniskowej - nie będzie znacznie większa
od odległości do obiektu, co naruszy warunek powyżej.
W takim wypadku PGO będzie mniejsza od TGO, przy czym ta ostatnia będzie obejmować
nieskończoność jeśli odległość hiperfokalna będzie mniejsza niż odległość
do obiektu.
Dodatkowo, ogniskowa obiektywu ma silny wpływ na wygląd obszarów znajdujących
się poza obszarem ostrości. Jeśli obiektyw jest nastawiony na bliski obiekt, odwzorowując
go z powiększeniem M,
punkt położony w nieskończoności będzie przedstawiony jako krążek o średnicy
c :
c = f M / N
a wiec rozmiar obrazu naszego punktu będzie zależny od ogniskowej obiektywu.
14.) Jeśli nastawie ostrość na pewien punkt a potem przekomponuje kadr tak, ze punkt nie będzie już w środku kadru, czy będzie on nadal nastawiony na ostro?
Nie, ale nieostrość będzie niewielka. Jeśli obiekt będzie znajdował się
wystarczająco daleko, będzie on w zakresie głębi ostrości.
Przybliżony wzór na minimalna odległość w takim wypadku wygląda tak:
d = w^2/(2 N c)
gdzie d - najmniejsza odległość taka, ze punkt będzie akceptowalnie ostry, mierzona od płaszczyzny filmu, w - odległość od punktu do osi optycznej
15.) Czy nastawianie ostrości w okularach prowadzi do błędów?
Nie. Obraz jest tworzony na matówce położonej w takiej samej odległości optycznej co film. Jedynym efektem używania okularów będzie ostrzejsze widzenie obrazu na tejże matówce :-)
16.) Co to jest winietowanie?
Winietowanie jest to spadek jasności obrazu w miarę oddalania się od jego środka.
Jest on spowodowany przez kilka fundamentalnych praw optyki. po pierwsze: promień
światła z punktu nie położonego na osi optycznej 'widzi' przesłonę nie w
postaci krążka, ale elipsy (można to sprawdzić wizualnie :-), wiec efektywna
wartość
przysłony (f/stop) obiektywu - a wiec i jasność obrazu - będzie malała w miarę
oddalania się od osi optycznej. Spadek ten będzie ilościowo równy cosinusowi
kata, pod jakim promień wpada do obiektywu do osi optycznej. Po drugie, w
obiektywach rectilinearnych (nie-fisheye), powiększenie obrazu w miarę zbliżania
się do krawędzi rośnie z cos^3 kata promienia do osi optycznej, stąd światło
wpadające pod katem do osi optycznej będzie rozłożone na większej
powierzchni niż światło padające wzdłuż osi optycznej. Stąd natężenie światła
padającego na film będzie spadało z cos^4 kata wpadania promienia do
obiektywu. Projektant może skompensować w pewnym stopniu wpływ tych efektów
poprzez stosowanie specjalnych układów optycznych lub zastosowanie filtra
centralnego (z ciemniejsza plamka w środku). Winietowanie może tez być
spowodowane przeszkodami mechanicznymi na drodze promienia światła:
zbyt wąska osłona przeciwsłoneczna, oprawa filtra, palcem..
17.) Skąd mam wiedzieć czy oprawa filtru/osłona przeciwsłoneczna będzie winietować?
Otwórz tylną ściankę aparatu i otwórz migawkę. Popatrz przez obiektyw
czy jesteś w stanie dostrzec wszystkie cztery rogi otworu obrazowego
('dziury' w migawce :)
18.) Co to są aberracje?
Aberracje są to wady optyczne obiektywów, wynikające z ograniczeń ich konstrukcji. Lepsze obiektywy maja mniejsze aberracje, nie da się ich jednak całkowicie usunąć.
Klasyczne aberracje to:
- Aberracja sferyczna - Światło przechodzące bliżej brzegu obiektywu jest ogniskowane w innej odległości niż przechodzące przez jego środek
- Koma - Punkty położone poza osią optyczną są przedstawiane jako przecinki/kreseczki. Koma występuje gdy obraz tworzony przez światło przechodzące dalej od środka obiektywu ma inne powiększenie niż tworzony przez światło przechodzące wzdłuż osi optycznej
- Astygmatyzm - Punkty położone poza osią optyczna są nieostre (przyjmują postać kreseczek lub owali równoległych lub prostopadłych do linii prostopadłej do osi optycznej i kierunek ten zmienia się w trakcie nastawiania na ostro)
- Krzywizna pola - punkty położone na płaszczyźnie prostopadłej do obiektywu są odwzorowywane ostro na sferze (nie na płaszczyźnie). Zatem jednocześnie może być ostry środek lub brzegi obrazu, nigdy zaś oba jednocześnie.
- Dystorsja - Obrazem kwadratu jest poduszka )( lub baryłka ( )
- aberracja chromatyczna - nastawienie na ostro dla różnych długości fali światła wypada w różnym miejscu
- aberracja chromatyczna lateralna - powiększenie obrazu zmienia się w zależności od długości fali światła.
19.) Czy da się zmniejszyć aberracje przez przymkniecie przysłony?
Do pewnego stopnia tak, jednak za wyjątkiem dystorsji i aberracji chromatycznej lateralnej. Przymykanie przysłony zwiększa jednak dyfrakcje.
20.) Co to są 'elementy' i 'grupy' w opisie obiektywu?
Czy więcej to lepiej?
Ilość elementów to ilość pojedynczych soczewek, użytych do zrobienia
obiektywu. Pojedyncza soczewka lub kilka soczewek sklejonych razem jest nazywane
grupa. Każdy dodatkowy element w soczewce ułatwia
projektantowi zmniejszenie aberracji optycznych. Z drugiej strony każdy element
optyczny powoduje flarę.
Jest możliwe zrobienie bardzo dobrego obiektywu standardowego z użyciem czterech
(Tessar) lub pięciu (Sonnar) elementów. Odnosi się to również do obiektywów
długoogniskowyh i teleobiektywów (Leitz Elmar). Obiektywy szerokokątne są
znacznie trudniejsze do zaprojektowania i z reguły składają się z większej
liczby elementów (8-10). Obiektywy typu zoom wymagają kilkunastu do nieraz
ponad dwudziestu elementów.
Generalnie obiektywy o mniejszej liczbie elementów mają większy kontrast i
mniejsza flarę niż obiektywy bardziej skomplikowane.
Złożone obiektywy typu zoom maja zazwyczaj słaby kontrast z racji
rozpraszania światła na elementach optycznych. Dodatkowo wymagają dla
uzyskania akceptowalnych efektów użycia dobrych powłok przeciwodblaskowych.
21. Co to jest "low dispersion glass" - LD, UD, SLD, ULD, ED ?
Jest to szkło o małej różnic współczynnika załamania dla różnych
długości fali światła. Ułatwia to zaprojektowanie obiektywu o
malej aberracji chromatycznej i lateralnej aberracji chromatycznej.
22.) Co to znaczy APO, apochromatyczny
Odległość w jakiej obiektyw tworzy obraz przedmiotu zmienia się w pewnym
stopniu wraz z długością fali. Jeśli istnieją dwie rożne długości fali światła
dla których odległość ta jest taka sama, obiektyw nazywamy achromatem. Jeśli
są trzy lub więcej takich długości fali, nazywamy go apochromatem.
Powszechnie uważa się, ze producenci obiektywów traktują ten termin dość luźno..
23.) Co to jest 'element asferyczny'?
Jest to element optyczny, którego promień krzywizny zmienia się w miarę oddalania się od osi optycznej. Elementy asferyczne ułatwiają projektowanie obiektywów szerokokątnych i zoomów, są jednak drogie w produkcji.
24.) Co to jest telekonwerter?
Jest to urządzenie, które powiększa centralną cześć obrazu dawanego przez obiektyw. Na przykład w fotografii małoobrazkowej telekonwerter 2x powiększa centralne 12x18mm obrazu do 24x36mm
25.) Jak telekonwerter wpływa na ekspozycje, głębię ostrości i jakość obrazu?
Obiektyw o ogniskowej f i przysłonie N z telekonwerterem o powiększeniu K
razy będzie się zachowywał jak obiektyw o ogniskowej K*f i przysłonie K*N. Odległość
hiperfokalna będzie K razy większa, głębia ostrości będzie K razy
mniejsza.
Telekonwerter, powiększając jedynie centralna cześć obrazu, zmniejszy około
K razy rozdzielczość obiektywu. W dodatku, każdy telekonwerter wprowadza
swoje własne aberracje optyczne, czasem także i winietowanie.