Сферична аберація в об’єктивах, перископ

Рис.1 Ілюстрація недоісправленних сферичної аберації. Поверхрность на периферії лінзи має фокусну відстань коротше, ніж у центрі.

Більшість фотографічних об'єктивів складаються з елементів з сферичними поверхнями. Такі елементи відносно легко виготовити, але їх форма неідеальна для формування чіткого зображення.

Сферична аберація - це один з дефектів при формуванні зображення, що виникає через сферичної форми лінзи. Мал. 1 ілюструє сферичну аберацію для позитивної лінзи.

Промені, які проходять крізь лінзу далі від оптичної осі, сфокусовані в позиції с. Промені, які проходять ближче до оптичної осі, сфокусовані в позиції a. вони знаходяться ближче до поверхні лінзи. Таким чином положення фокуса залежить від місця, в якому проходять промені крізь лінзу.

Якщо крайової фокус ближче до лінзи, ніж осьової фокус, як відбувається з позитивною лінзою Рис. 1, тоді говорять, що сферична аберація недоісправленная. І навпаки, якщо крайової фокус знаходиться за осьовим фокусом, то кажуть, що сферична аберація переісправленная.

Зображення точки, зроблене об'єктивом зі сферичними абераціями зазвичай виходять точками, оточеними ореолом світла. Сферична аберація зазвичай проявляються на фотографіях пом'якшенням контрасту і розмиванням дрібних деталей.

Сферична аберація однорідна по полю, це означає, що поздовжній фокус між краями лінзи і центром не залежить від нахилу променів.

З Рис.1 здається, що на лінзі зі сферичною аберацією неможливо домогтися гарної різкості. У будь-якому положенні ззаду лінзи на світлочутливому елементі (плівка або матриця) замість чіткої точки буде проектуватися диск розмиття.

Проте, існує геометрично "кращий" фокус, який відповідає диску найменшого розмиття. Це своеродний ансамбль світлових конусів має мінімальний переріз, в положенні b.

Зміщення фокусу (Focus shift)

Коли діафрагма знаходиться за лінзою, спостерігається цікаве явище. Якщо діафрагма прикрита таким чином, що зрізає промені на периферії лінзи, то фокус зміщується вправо. При сильно прикритої діафрагмі найкращий фокус буде спостерігатися в положенні c. тобто положення дисків найменшого розмиття при прикритої діафрагмі і при відкритій діафрагмі будуть відрізнятися.

Щоб отримати найкращу різкість на прикритої діафрагмі, матриця (плівка) повинна розміщуватися в положенні c. Цей приклад чітко показує, що існує ймовірність того, що найкраща різкість не буде досягнута, оскільки більшість фотографічних систем розраховуються на роботу з відкритою діафрагмою.

Фотограф фокусується при повністю відкритій діафрагмі, і проектує на матрицю диск найменшого розмиття в позиції b. потім при зйомці діафрагма автоматично закривається до встановленого значення, і він нічого не підозрює про подальше в цей момент зсуві фокуса. що не дозволяє йому домогтися найкращої різкості.

Звичайно, прикрита діафрагма зменшує сферичні аберації також і в точці b. але все ж в ній буде не найкраща різкість.

Автоматичну компенсацію зсуву фокуса запропонував Норман Гольдберг. Фірма Zeiss запустила лінію віддалемірних об'єктивів для фотоапаратів Zeiss Ikon, які мають спеціально розроблену схему для мінімізації зміщення фокусу зі зміною значень діафрагми. При цьому сферичні аберації у об'єктивів для віддалемірних фотоапаратів істотно знижуються. Ви запитаєте наскільки зміщення фокусу істотно для об'єктивів віддалемірних фотоапаратів? За заявою виробника об'єктива LEICA NOCTILUX-M 50mm f / 1, це значення близько 100 мкм.

Характер розмиття поза зоною фокусу

Вплив сферичної аберації на зображення в фокусі важко розрізнити, але їх можна чітко побачити в зображенні, яке знаходиться в легкому расфокусе. Сферична аберація залишає видимий слід в зоні нерізкості.

Повертаючись до Рис.1 можна відзначити, що розподіл інтенсивності світла в диску розмиття при наявності сферичної аберації не є рівномірним.

У положенні c диск розмиття характеризується яскравою серцевиною, оточеній слабким ореолом. У той час як диск розмиття в положенні a має більш темне серцевину, оточену яскравим кільцем світла. Такі аномальні розподілу світла можуть проявлятися в зоні нерізкості зображення.

Мал. 2Ізмененія розмиття перед і за точкою в фокусі

Приклад на Рис. 2 показує точку в центрі кадру, зняту в режимі макро 1: 1 об'єктивом 85 / 1.4, встановленим на макромех. Коли матриця знаходиться на 5 мм ззаду найкращого фокуса (точка посередині), диск розмиття показує ефект яскравого кільця (ліве пляма), подібні диски розмиття виходять у дзеркально-меніскових об'єктивів.

А коли матриця знаходиться на 5 мм попереду найкращого фокуса, (тобто ближче до об'єктиву), характер розмиття змінився в бік яскравого центру, окуженного слабким ореолом. Як видно, у об'єктива переісправлена ​​сферична аберація, оскільки він веде себе протилежно наприклад на Рис. 1.

Наступний приклад ілюструє дію двох аберацій, на зображеннях поза фокусом.

На Рис. 3 зображений хрестик, який сфотографований по центру кадру, тим же об'єктивом 85 / 1.4. Макромех витягнуть приблизно на 85 мм, що дає збільшення приблизно 1: 1. Фотоапарат (матриця) переміщався з кроком 1 мм в обидві сторони від максимального фокусу. Хрестик є більш складним зображенням ніж точка, а показники кольору дають наочні ілюстрації його розмитість.

Мал. 3Ціфри на ілюстраціях вказують на зміни дистанції від об'єктива до матриці, це міліметри. камера рухається від -4 до +4 мм з кроком 1 мм від положення найкращого фокуса (0)

Сферична аберація відповідає за жорсткий характер розмиття при негативних відстанях і за перехід до м'якого розмиття при позитивних. Також інтерес представляють колірні ефекти, які виникають через поздовжньої хроматичної аберації (осьової колір). Якщо об'єктив погано зібраний, то сферична аберація і осьової колір це єдині аберації, які проявляються в центрі зображення.

Найчастіше сила а іноді і характер сферичної аберації залежить від довжини хвилі світла. В такому випадку спільне вплив сферичної аберації і осьового кольору називається сферохроматізмом. З цього стає ясно, що явище, проілюстроване на Рис. 3 показує, що даний об'єктив не призначений для використання в якості макрооб'єктиву. Більшість об'єктивів оптимізовані для використання в ближньому полі фокусування а також для фокусування на нескінченність, але не для макро 1: 1. При такому наближенні звичайні об'єктиви будуть вести себе гірше ніж макрооб'єктиви, які використовуються спеціально на ближніх дистанціях.

Проте, навіть якщо об'єктив використовується для стандартного застосування, сферохроматізм може проявлятися в зоні нерізкості при звичайній зйомці і впливати на якість боке.

висновки
Звичайно, ілюстрація на Рис. 1 є перебільшенням. У реальності кількість залишкових сферичних аберацій в фотографічних об'єктивах мало. Цей ефект значно зменшений завдяки комбінуванню елементів об'єктива в слідстві чого компенсуються суми протилежних сферичних аберацій, використання високоякісного скла, ретельно продуманої геометрією лінз і використанням асферических елементів. Крім того, можуть бути використані плаваючі елементи для зменшення сферичних аберацій в певному діапазоні робочих відстаней.

У разі об'єктивів, з недоісправленой сферичною аберацією ефективний спосіб поліпшити якість зображення це прикрити діафрагму. Для недоісправленного елемента на Рис. 1 діаметр дисків розмиття зменшується пропорційно кубу діаметру діафрагми.

Ця залежність може відрізнятися для залишкових сферичних аберацій в складних схемах об'єктивів, але, як правило закриття діафрагми на один щабель вже дає помітне поліпшення зображення.

Альтернативно, замість того, щоб боротися зі сферичною аберацією, фотограф може навмисно її використовувати. Пом'якшувальні фільтри Zeiss, незважаючи на плоску поверхню додають в зображення сферичні аберації. Вони популярні серед фотографів-портретистів для отримання софт-ефекту і імпресивного характеру зображення.

Переклад: Іван Косареков