Pravda o čočkách a objektivech

Pokračování 2 / 3

Optické vady

Optická čočka je nejdůležitější článek objektivu, co ji tvoří a jakou má funkci? Je to kousek skla nebo plastu, který změní směr chodu světelných paprsků podle platných fyzikálních zákonů. Plocha tohoto přechodu je známa jako lámavá plocha a její tvar odpovídá povrchu čočky. Světlo po průchodu spojenou soustavou čoček vytvoří optický obraz snímaného předmětu.

Čočky dělíme na spojky (konkávní) a rozptylky (konvexní). Pokud je objekt umístěn před ohniskem F spojné čočky, vytváří reálný, převrácený obraz. Pokud je objekt umístěn mezi ohniskem F a čočkou pak vytváří virtuální obraz se stejnou orientací jako objekt. Při umístění objektu před rozptylnou čočku (nezávisle na předmětové vzdálenosti) se vytváří virtuální obraz stejné orientace jako je objekt.

Nejčastější vady čoček

Když si představíme spojnou čočku (například lupa), určitě si všimnete, že obraz má spoustu nedostatků. Střed obrazu je dokonale ostrý, ovšem jeho okraje jsou neostré a zkreslené, a proto se nám celý obraz jeví mlhavě. Tyto "neostrosti" či "mlhavost" jsou způsobeny optickými vadami. V objektivu se proto používá více čoček, aby se tyto vady eliminovaly. Mezi základní optické vady patří: sférická vada, astigmatismus, koma, zkreslení a také tzv. difrakční a chromatická (neboli barevná) vada.

Pouhým okem je viditelná chromatická vada (modře zbarvená špička stromu) a také vinětace objektivu (tmavší levý horní roh)

Chromatická (barevná) vada je důsledkem závislosti indexu lomu skla čočky na vlnové délce dopadajícího světla. Chromatické vadě neunikne žádná optická soustava pracující s lomem na optických plochách. Proto je chromatická vada výrazně eliminována v zrcadlových objektivech. Index lomu skla s rostoucí vlnovou délkou klesá, fialové paprsky se lámou více než paprsky červené. Fialové světlo má kratší vlnovou délku, a proto při průchodu čočkou dojde k tomu, že červený obraz vzniká dále od čočky než obraz fialový. Zvětšení závisí na ohniskové délce, a proto je červený obraz větší než fialový. Jak je vidět na obrázku, chromatická vada způsobí změnu barev (do modra) na rozhraní ostrého kontrastu scény. Výsledkem je pak degradace snímku a nutná jeho úprava na počítači.

Korekce této vady je prováděna spojením dvou čoček. Závislost jejich indexu lomu je volena tak, aby se kompenzovaly rozdíly v chodu paprsků (často se používá kombinace dvou ploskovypuklých čoček a nebo spojky a rozptylky). Pokud se barevná vada odstraní, nazývá se soustava achromatizovaná. 

Sférická (též otvorová) vada se většinou vyskytuje u čoček se sférickými nebo rovinnými povrchy. Příčinou jsou paprsky světla procházejícími blízko optické osy (paraxiální paprsky). Tyto paprsky zobrazí bod ležící na optické ose ve větší vzdálenosti než-li paprsky, které jsou od osy odkloněny více. Měřítkem sférické vady je vzdálenost paprsků od vrcholu kaustické plochy (obalová plocha svazku prošlých paprsků s vrcholem v Gaussovském ohnisku).

V důsledku této vady není průřez procházejícího svazku v žádném místě bodový. Měla by se vybírat rovina nejvhodnější pro obraz, tou je místo v němž je průřez svazku prošlých paprsků co nejmenší. Čím je svazek paprsků širší, tím je sférická vada větší. Sférickou vadu můžeme pozorovat na okrajích spojné čočky. Vada se projeví tím, že se ostrá kresba rozzáří. Dá se omezit náležitým zacloněním, kterým se vyloučí působení okrajových paprsků.

Snížení vlivu sférické vady je možné provést třemi způsoby. Zaprvé zacloněním, kdy se zmenší průřez svazku paprsků.V gaussově prostoru se bude díky tomu vada téměř zcela odstraněna. Ovšem zaclonění způsobí značné ztráty světla. Druhou možností je vhodně postavit čočku nebo zvolit jiný tvar. Pokud by se například obrátila ploskovypuklá čočka k dopadajícím paprskům vypuklou stranou, dojde k výraznému omezení sférické vady.  

A nakonec se dá využít rozptylky, která má průběh sférické vady zcela opačný. Díky tomu je možné sférickou vadu značně potlačit vhodnou kombinací spojky a rozptylky (zpravidla bývají těsně vedle sebe = tmelený dublet).

Vinětace se objeví při zobrazení předmětu ležícího mimo optickou osu. Projeví se zde omezení chodu paprsků přírubami čoček a tubusem objektivu. Díky působení clony nastane deformace průřezu svazku paprsků, který pak nebude kruhový, ale eliptický. Osvětlení je totiž závislé na úhlu, pod nímž svazek dopadá na objektiv:

Vinětace je pozorovatelná ve ztrátě osvětlení obrazu ležícího mimo optickou osu. Tato deformace je závislá na čtvrté mocnině úhlu náklonu („fí“), a jak ze vzorce vyplývá, je vinětace nevyhnutelná, její míra závisí především na stavbě objektivu. Je tím menší, čím větší je vstupní pupila (D) a čím kratší je ohnisková vzdálenost objektivu (f). 

Ke zkreslení obrazu dochází, jestliže se body vzdálené různě od optické osy zobrazí s různým příčným zvětšením. Jednoduché je vysvětlení na pravoúhlé mřížce ležící v rovině kolmé k optické ose. Když příčné zvětšení optické soustavy roste se vzdáleností bodu od osy, zobrazí se tato mřížka s poduškovitým zkreslením. Pokud příčné zvětšení optické soustavy klesá se vzdáleností bodu od osy, zobrazí se mřížka se soudkovitým zkreslením. 

Odstranění zkreslení je opět možné pomocí vhodné kombinace čoček (soudkovité zkreslení jedné čočky se vykompenzuje poduškovitým zkreslením druhé čočky).

Pokračování 3 / 3

Objektivní tajemství odhaleno

Ohnisková vzdálenost

Při průchodu světla objektivem (čočkou) se světelné paprsky lámou a protnou se v ohniskové rovině. Vzdálenost mezi ohniskovou rovinou a hlavní rovinou optického systému objektivu se nazývá ohnisková vzdálenost (f).

Poměrem velikosti úhlopříčky obrazového formátu (snímače nebo kinofilmu) a ohniskové vzdálenosti objektivu se určí výsledný obrazový úhel. U standardních objektivů se úhel rovná 40–60 stupňům. Hodnota ohniskové vzdálenosti je shodná s velikostí úhlopříčky obrazu. Ohnisková vzdálenost je tedy délka od roviny snímače k čočce. To by znamenalo, že objektiv 8mm je pak 8 mm dlouhý a objektiv s ohniskovou vzdáleností 300 mm by byl dlouhý 300 mm.

Tak jednoduché to však není, toto pravidlo platí pro jednočočkový objektiv. Objektivy u fotoaparátů jsou však tvořeny více čočkami a tak je jejich délka určena množstvím a typy čoček. Zoomy využívají možnosti posunovat mezi sebou čočky objektivu. Tím se plynule mění parametry ohniskových vzdáleností.

U klasických kinofilmových fotoaparátů základnímu objektivu odpovídá ohnisková vzdálenost 43 mm. U současných digitálních fotoaparátů je to kvůli menším rozměrům snímacího čipu hodnota menší. Existují ale i výjimky – Canon EOS 1D, 1Ds, 5D a Kodak DCS Pro 14n. Tyto fotoaparáty mají velikost snímacího čipu stejnou jako kinofilmové políčko.

Klasifikace objektivů 

• Základní (standardní) objektiv – 50mm
• Krátký (širokoúhlý) objektiv – 18 až 35mm
• Ultraširokoúhlý objektiv(rybí oko) – 8mm
• Teleobjektiv – 60 až 300mm
• Ultrateleobjektiv – více než 400mm

Širokoúhlé objektivy mají obrazový úhel větší než základní objektivy, zatímco jejich ohnisková vzdálenost je menší. Pro teleobjektivy platí přesný opak, tedy že úhel je menší a ohnisková vzdálenost větší. Zoomy jsou objektivy s proměnnou ohniskovou vzdáleností (narozdíl od ultrazoomu mají nižší rozsah ohnisek – 2–6×). Dále jsou zde ještě ultrazoomy, které mají velký rozsah ohnisek – 10–12×.

Světelnost objektivu a clona

Důležité veličiny při stanovení světelnosti objektivu jsou poměr osvětlení obrazu (E) a jasu fotografovaného předmětu (L). Dále pak průměr vstupní pupily objektivu (D), ohnisková délka (f) a úhel θ („fí“)pod kterým vstupuje světelný svazek do objektivu. τ („tau“) je "propustnost" objektivu.

Světelnost objektivu je určena veličinou D/f. Převrácením této hodnoty pak získáme clonové číslo (c). Ze vztahu je vidět, že lze vypočítat osvětlení, pokud známe jas fotografovaného předmětu. Pokud se tedy pomocí clony mění průměr vstupní pupily D, dochází tím zároveň ke změně světelnosti objektivu. O světelnosti objektivu informuje clonové číslo c, přičemž maximální hodnota světelnosti se nazývá základní clonové číslo a je důležitou konstantou objektivu.

Jak již bylo zmíněno, světelnost závisí na převrácené hodnotě clonového čísla c, kterému se říká relativní otvor objektivu. Relativní otvor objektivu udává, kolikrát je ohnisková vzdálenost obsažená v průměru vstupní pupily. Nejčastěji je výrazně menší než-li jednička a jen výjimečně dosahuje hodnoty 1. Číselně se udává tak, že čitatelem je jednička a jmenovatelem clonové číslo c. A právě tento údaj se uvádí na obrubě objektivu.

Digitální zoom

Z výše řečeného je jasné, že existují objektivy buď s pevným ohniskem a nebo s možností změny ohniskové vzdálenosti (zoomy). V parametrech digitálního fotoaparátu lze většinou nalézt hodnotu digitálního (elektronického) zoomu. Tato hodnota ovšem nemá nic společného s vlastnostmi objektivu. Zvětšení snímku funguje na principu načtení menší oblasti světlocitlivého čipu. Tím pádem se výrazně zhorší rozlišení a kvalita fotografie. Využitelnost digitálního zoomu je diskutabilní. Zvláště když se v počítači dají snímky přepočítat za dosažení lepších výsledků. Proto při koupi fotoaparátu tomuto parametru nepřikládejte velkou důležitost. Samozřejmě s narůstající velikostí čipu je tato vlastnost více využitelná a to díky menšímu nárůstu šumu. Některé zoomy nevyužívají přepočítávání snímku, ale jen to, že udělají výřez fotografie. Výsledkem je nižší rozlišení snímku, a tedy efekt, kterého dosáhneme oříznutím v počítači.

A co z toho všeho plyne?

Objektiv je bezesporu jednou z nejdůležitějších částí fotoaparátu. Na jeho kvalitě závisí celkové podání fotografie. I když bude fotografie exponována sebelépe, pokud se na ní projeví vady objektivu, tak ztrácí mnohdy neopakovatelné kouzlo. Jak asi bude působit krásný západ slunce nad stromy, když budou jejich špičky modré? Nebo snímek nádherné budovy, když bude uprostřed „vyboulená“ kvůli soudkovitému zkreslení objektivu?

U zrcadlovky s výměnnými objektivy už jste na tom výrazně lépe. Je už jen na vás, kolik jste ochotni investovat do kvalitního objektivu. V zásadě platí, že čím je větší rozsah ohniskových vzdáleností, tím je kvalita objektivu horší. Ultrazoomy jsou většinou zkonstruovány tak, že mají aspoň jednu ohniskovou vzdálenost, na které jsou vady minimalizovány. Ovšem na dalších ohniscích to už může, ale nemusí, být horší. Neplatí to vždy, ale kompenzovat stoprocentně veškeré vady pro složitou soustavu čoček, s měnícími se parametry, je prakticky nemožné. Přesný opak je u pevných skel. Tam je soustava čoček konstruována jen pro jedno ohnisko u kterého se dají vady snáze eliminovat.