Naročite se na enovice

http://www.e-fotografija.si/tecaji-delavnice-predavanja,1228.html
 http://www.cyberstudio.si/
http://www.facebook.com/pages/e-Fotografija/201306676587
>

Spoznajmo leče in objektive

Avtor:Matjaž Intihar
12.11.2009 10:00

Leče

Vzemimo prozoren material, steklo ali plastiko, z veliko gostoto, in ga oblikujmo obojestransko v obliki polkrogel, kjer so zunanji deli tanjši, proti sredini pa debelejši in so simetrični glede na os. Tako dobimo predmet, ki prenaša in lomi svetlobo ter razpršuje ali združuje žarke, imenujemo pa ga leča. Leče delimo na preproste oziroma enojne in sestavljene. Preproste leče so lahko konveksne (konveksne leče so zbiralne leče, saj žarke zberejo in usmerijo k optični osi) ali konkavne (konkavne leče so razpršilne, saj se žarki z lomom v leči razpršijo). Sestavljene leče pa so množice preprostih leč na skupni osi, kjer je uporaba več elementov namenjena korekciji odklonov.
Preproste leče opredeljujemo (povzeto po članku iz Wikipedie, prikazane so na sliki 1) glede na obliko njihove površine na obeh straneh. Tako imenujemo lečo z izbočenima lokoma dvojno konveksno oziroma tuje bikonveksno ali preprosto konveksno lečo. Če sta oba loka leče enaka, se leča imenuje ekvikonveksna. Če sta obe površini vbočeni, konkavni, se leča imenuje bikonkavna ali enostavno konkavna. Če eno od strani leče spreminjamo, tako da lok te strani povlečemo v neskončnost, kar pomeni, da je ta stran popolnoma ravna (planarna), dobimo planokonveksno ali pa planokonkavno lečo, odvisno od oblike druge strani. Leče, kjer je na eni strani konveksna in na drugi konkavna površina, se imenujejo konveksno-konkavne leče ali leče meniskus. Ta vrsta leč se v objektivih pogosto uporablja kot korekcijska leča.


Slika 1

 

Po predstavitvi vrst leč pa poglejmo, kaj se zgodi, če skozi lečo spustimo svetlobo. Vzemimo najprej primer, ko žarek spustimo skozi ravno steklo pod določenim kotom. Žarek se v materialu ukloni in nadaljuje svojo nespremenjeno pot na drugi strani. Kako močan je ta uklon, je odvisno od materiala in vpadnega kota.

 

Svetlobni prehod skozi planparalelno stekleno ploščo.

Opazujmo prehod svetlobnega žarka skozi konveksno oziroma zbiralno ali pozitivno lečo (slika 3). Če žarek vstopa na sredini skozi os leče, je njegova pot naravnost, skozi lečo, in se nadaljuje brez uklona. Čim bolj je žarek oddaljen od sredine, tem večji je njegov uklon, kar imenujemo lom svetlobe. Spustimo skozi zbiralno ali bikonveksno ali planokonveksno lečo dva popolnoma vzporedna žarka svetlobe in opazujmo njuno pot. Ko žarka zapustita lečo, se uklonita in se na osi leče sekata v točki F, ki jo imenujemo goriščnica. Razdalja od sredine leče do goriščnice pa se imenuje goriščna razdalja f.


Slika 3

 

Ponovimo opisano opazovanje skozi bikonkavno ali planokonkavno oziroma razpršilno lečo (slika 4), pod enakimi pogoji, to je dva popolnoma vzporedna žarka svetlobe, ugotovimo, da se žarka razpršita. Ko podaljšamo smeri razklonov proti osi objektiva, vidimo, da je sečišče ali goriščnica pred lečo, razdalja od sečišča do sredine leče pa je goriščna razdalja f, ki je v negativnem odnosu glede na smer žarka. Take leče imenujemo negativne ali divergentne.


Slika 4

 

Kot fotografi želimo opazovanje gledati skozi prenos svetlobe nekega objekta. Postavimo nek objekt v položaj S1 in opazujmo, kaj dobimo na drugi strani bikonveksne leče (slika 5). Na osi leče se slika objekta preslika v prevrnjeni obliki na razdalji S2.


Slika 5

 

Vidimo, da leča zbira žarke, ki se odbijajo od ene točke objekta, in jih v neki ravnini ponovno združi v samo eno točko. Velikost objekta pa je večja od njegove preslikave, kar je odvisno od leče in njene goriščne razdalje.

 

Odkloni

Leče bi morale biti ostre, točka mora biti tudi na tipalu točka, in ne krožec ali lisa. Pričakujemo kontrastne slike, ki morajo kazati prave barve brez popačenj (angl. distortion) in brez zasenčenj (angl. vignetting). To pomeni, da leče ne prenašajo popolne slike, kjer je vedno neka stopnja odklona ali aberacije slike, ki je le slaba replika objekta. Natančna izdelava sistemov leč in programski algoritmi omogočajo minimiziranje najpomembnejših odklonov slike, in sicer:
barvni odklon ali kromatično aberacijo;
krogelni odklon ali sferično aberacijo;
komo ali kometsko aberacijo;
astigmatizem;
izbočenost slikovnega polja;
popačenje (distorzijo);
zasenčenje (vinjetiranje).

 

Kromatična ali barvna aberacija - Barvni odklon

Do zdaj smo žarek gledali le kot enobarvni snop svetlobe. Ukvarjamo pa se s fotografijo narave, kjer zaznavamo različne barve. Vsaka barva ima drugo valovno dolžino, kar je zelo pomembno pri prehodu skozi lečo. Če na istem mestu prehajajo snopi svetlobe različnih barv, imamo na goriščnici različne prehode glede na barvo. Ta pojav se imenuje barvni odklon ali pogosteje kot barvna aberacija. Za lažje razumevanje vzemimo primer treh barv in opazujmo njihov odklon v goriščnici.


Barvni odklon ali barvna aberacija ali kromatična aberacija.

 

Preproste ali osnovne leče so predmet obravnavanja odklonov vseh vrst. Te napake lahko popravimo z združevanjem različnih leč po obliki in lastnosti refrakcije, kjer popravljamo njihove karakteristike. Te vrste leč imenujemo sestavljene leče, ki pa morajo biti vse na isti optični osi.


Sestavljena akromatična leča.

 

Sferična aberacija - Krogelni odklon

Pri prehodu bele svetlobe moramo biti pozorni tudi na odklon. Čim bolj se s svetlobo pomikamo proti robu leče, tem večji so odkloni zaradi ukrivljenosti leče. Take napake imenujemo sferične napake ali tuja sferična aberacija. Sferična aberacija (angl. spherical aberration) je pojav, pri katerem se vzporedni žarki svetlobe, ki padajo na rob leče ali zrcala, ki je del krogelnega odseka (sferične leče ali zrcala) odbijejo drugače kot tisti, ki se odbijejo blizu optične osi. Zaradi tega se žarki med seboj ne sekajo v isti točki, zato dobimo motno in neostro sliko. Pojav je najvidnejši, če opazujemo odboje čisto zunanjih in notranjih žarkov, saj se žarki, ki padajo na lečo blizu sredine, srečujejo dlje na optični osi kot tisti, ki padajo v lečo na robovih. Tako se izkaže, da goriščnica ni strogo definirana točka, ampak bolj predel na optični osi, zato se film ali tipalo postavi v lego, ki je neka najboljša rešitev.


Sferični odklon

 

Koma ali kometska aberacija

Koma (angl. comatic aberration) je pojav, ki nastane zaradi značilne zgradbe nekaterih optičnih sistemov ali pa nepravilnosti v lečah. Pogosto je označena kot najtežavnejša aberacija, saj je po učinku asimetrična in se najpogosteje odraža pri teleskopih. Njeno ime izhaja iz zanjo značilne oblike kometa. Svetloba iz točkastega telesa (npr. zvezde) pade v parabolično ogledalo, torej se slika ustvari točno v gorišču. Toda ko vir svetlobe ni na optični osi, različni deli ne odbijejo svetlobe v isto točko. Slika ni točka, ampak zmazek. Čim bolj je vir vstran glede na optično os, tem večji je učinek tega pojava, kar povzroči, da so zvezde videti kot kometi.


Koma, odklon

 

Astigmatizem

Astigmatizem je napaka leč, ko se žarki iz določene objektne točke (angl. object point) ne sekajo v eni točki, ampak v dveh med seboj pravokotnih daljicah. Do pojava astigmatizma pride, ko se prečna in navpična ravnina slike pojavita na različnih goriščnih razdaljah (angl. tangential image line, in sagital image line). Ko objekt, ki ni na optični osi, naravna asimetrija sferičnega optičnega sistema (leče, zrcala) privede do astigmatizma. Grafični prikaz astigmatizma je na spodnji sliki iz strani (http://www.microscopyu.com/).

Kako velik bo pojav astigmatizma v leči, je odvisno od oblike leče. Za lažje razumevanje si izposodimo sliko kolesa s špriklami, kjer je vidna napaka ene ali druge vrste fokusa.

 


Astigmatizem (Paul van Walree (2002-2009) je za prikazovanje vrst astigmatizma uporabil kolo s špriklami, kjer je na prvi sliki brez napake, na sredini je navpična (sagitalna), na zadnji pa prečna ali tangencialna deformacija).

 

Izbočenost slikovnega polja (angl. curvator of field)

V želji, da bi dobili idealno sliko, se zgodi, da je skozi ukrivljene leče težko dobiti idealno ostrino na ravni podlagi tipala. To privede do odklona izbočenosti slikovnega polja, kar pomeni, da je center oster, robovi pa zaradi izbočenosti postanejo neostri.

Izbočenost slikovnega polja povzročajo ploski objekti, ki se preslikujejo kot izbočene, neploske preslikave objekta. To lahko pojasnimo s prejšnjo tezo o sferični aberaciji oziroma krogelnem odklonu, kjer zasledujemo pot dveh skrajnih žarkov (slika 11), ki se ne končujeta v isti točki. Ta pojav imenujemo izbočenost slikovnega polja, kjer ploski objekt PQ preslikujemo skozi objektiv na tipalo, kjer dobimo njegovo izbočeno sliko Q" P".


Slika 11. Izbočenost slikovnega polja

 

To je posledica, ker ima zunanji zeleni žarek bližji fokus od notranjega oranžnega žarka (William Chu, MATH 309, Spring, 2001).

 

Popačenje (angl. Distorsion)

Popačenje ali distorzija se odraža na slikah ravnih predmetov, kjer se stranice ukrivijo. Ta pojav je značilen, kadar so različni deli različno povečani skozi lečo, in sicer, če so notranji deli bolj povečani kot zunanji, dobimo sodčasto obliko (slika 12 a) oziroma obrnjeno, dobimo blazinasto obliko (slika 12 b). Ta pojav imenujemo popačenje leč ali slikovno popačenje, ki je še posebej opazen pri zumobjektivih, medtem ko pri fiksnih ni vreden omembe. Proizvajalci leč in fotoaparatov se zavedajo določenih pomanjkljivosti, ki jih bolj ali manj uspešno odpravljajo s posebnimi oblikovalskimi tehnikami in z različnimi algoritmi. Dve taki tehniki sta uporaba asferičnega stekla in apokromatskih leč.


12a. Sodčasto popačenje               12 b. Blazinasto popačenje

 

Zasenčenje ali vinjetiranje

Podobno kot s pojavom popačenja je z zasenčenjem. Pri tem pojavu se ne deformira oblika slike, temveč se na sliki na robovih pojavljajo temnejša področja. Nekateri uporabljajo ta izraz tudi za padec kakovosti v ostrini, vendar se nanaša predvsem na padec svetlobne kakovosti. Vinjetiranje delimo na naravno optično in mehansko.


Močno vinjetiranje, zasenčenost robov zaradi optike.

 

Naravno in optično vinjetiranje je posledica zasenčenja v sliki, mehansko vinjetiranje pa je posledica različnih dodatkov na objektivih. To pomeni, da če na objektiv namestimo preveč filtrov ali pa filter s preširokim navojnim robom, pride do zasenčenja. Zasenčenje je opaznejše pri fotografijah, kjer je objekt večjega formata in pretežno enake barve, in tako opazimo na robovih temnejše sence.


Mehanska zasenčenost

 

Objektivi - oko fotokamere

 

Prerez normalnega objektiva.
 

Prerez širokokotnega objektiva.

Prerez ozkokotnega objektiva.

 

V objektivih sta dva pomembna elementa: maksimalna odprtina zaslonke in goriščna razdalja. Maksimalna uporabna odprtina objektiva je običajno izražena z f-številom, ki predstavlja goriščno razdaljo, deljeno z efektivno odprtino zaslonke. Čim večja je odprtina zaslonke (manjše f-število), tem več svetlobe prispe na slikovno tipalo. Če to pogledamo v tabeli korakov časov osvetlitve in zaslonk (tabela spodaj).

Kako pridemo do takih številk, ni uganka, marveč je matematika. Premer objektiva podvojimo in se njegova površina poveča za štirikrat, zato zbere tudi štirikrat več svetlobe. Če povečamo vrednost zaslonke za faktor (koren iz 2) oziroma 1,414, zaokroženo na 1,4, se zaslonka poveča za dvakrat. Povečanje zaslonke za faktor 1,4 pomeni torej zmanjšanje svetlosti za polovico. Zato si zaslonke sledijo v korakih ali v tem razmerju, kar pomeni, da je vsaka naslednja vrednost dobljena iz prejšnje tako, da je pomnožena s faktorjem 1,4. To neskladje, ki pri večini povzroča motnje, je, da se število f povečuje, svetloba pa se razpolavlja.

 


Odprta zaslonka (f/2,8), majhna globinska ostrina.

Zaprta zaslonka (f/22), velika globinska ostrina.

 

V enakem nasprotju se pojavljajo tudi ekspozicijski časi.


Ekspozicija 1 sekunda.

Ekspozicija 1/4000 sekunde.

 

Če zmanjšamo svetlobo za polovico, moramo čas osvetlitve povečati za dvakrat. A tudi hitrost zaklopa postavljamo v korakih, ki ustrezajo koraku zaslonke.


Goriščne razdalje različnih optičnih sistemom.

 

Goriščna razdalja

Goriščna razdalja optičnega sistema je izraz, kako močno lahko konvergira (izostruje žarek) oziroma kako divergira (razpršuje žarek) svetlobe. Optični sistem s krajšo goriščno razdaljo ima večjo svetlobno moč od optičnega sistema z daljšo goriščno razdaljo, saj je razmerje med goriščno razdaljo in največjim premerom odprtine zaslonke v objektivu merilo za svetlobno moč. Goriščna razdalja f je torej razdalja od sredine objektiva ali zrcala do goriščnice F, kar pomeni, da je goriščna razdalja vrednost, ki izraža zmožnost optičnega sistema, da izostri svetlobni snop (slika levo). V fotografskem žargonu to pomeni, da je daljša goriščna razdalja povezana z večjo sliko na tipalu zaradi povečave oddaljenega objekta, kar je posledica ožjega vidnega polja.

 

 
  • Deli z drugimi:
  • www.facebook.com