О семи аберрациях простыми словами
Автор: В. Дорофеев
Источник:http://www.vlador.com/info/доступно-об-аберрациях/
Помните, что значит «студент плавает»? И двойку не поставить: видно, что готовился, и слова, вроде, правильные говорит, а ощущение, что не понимает о чем речь, все равно присутствует. Как только речь заходит об оптической теории, в общем, и об аберрациях, в частности, я ухожу в похожий «заплыв». Решил потратить некоторое время, чтобы скомпоновать информацию об аберрациях в максимально простых словах. Материал рассчитан в первую очередь на тех, кто стремится понять, как работают объективы. Информация вряд ли улучшит ваши фотографии, если только на самую малость. Но для интересующихся - забавно. С практической точки зрения (насколько можно приблизиться к «практичности» в такой теме), знание природы различных оптических аберраций подскажет, почему для многих объективов настолько критичны открытая диафрагма и края кадра, а подавляющее большинство резко по центру кадра на F/8, что уже можно применять на практике.
Предисловие
Простой вопрос: зачем в современных объективах десять и более элементов в нескольких группах, а каждое описание объектива обязательно содержит его оптическую схему и упоминание о присутствующих в ней специальных элементах? Сложные и многоэлементные конструкции призваны уменьшить количество аберраций. Под «аберрацией» понимается ошибка или погрешность изображения, формируемого объективом на матрице фотоаппарата. Идеальный объектив – если бы он существовал – формировал бы четкие точки, соответствующие точкам на фотографируемом предмете. В действительности (и даже в теории) добиться идеала невозможно, и все объективы лишь стремятся к совершенству.
Рис. 1. – Объектив в разрезе
Стремление к идеальному изображению – примета не только наших дней компьютерного просчета оптических схем, элементов из флюорита и лазерных измерений. С аберрациями боролись задолго до того, как Жозеф Нисевор Ньепс впервые зафиксировал изображение в 1826 году (по другим данным это произошло в 1822 году, но до нас дошло изображение 1826 года): микроскопы, телескопы и очки существовали задолго до фотоаппаратов.
Аберрации можно разделить на две группы: хроматические (цветовые) и монохроматические. Пять монохроматических аберраций были определены и математически описаны Филиппом фон Зейделем (сферическая аберрация, кома, дисторсия, кривизна поля и астигматизм) в 1857 году. Два других основных типа аберраций - продольная и боковая хроматические - были известны задолго до этого.
Хроматические аберрации
Есть два типа хроматических (цветовых) аберраций. Первый тип, способный серьезно ухудшить качество изображения, формируемого объективом, упоминается сейчас нечасто, поскольку с ним научились успешно справляться уже в 1800-е годы. Со вторым – боковыми или поперечными хроматическими аберрациями - знаком практически каждый фотограф – они до сих пор являются проблемой многих объективов.
Рис. 2. – Продольные хроматические аберрации (Wikipedia Commons)
Продольные или осевые (longitudinal) хроматические аберрации
(они же – продольный хроматизм, он же - хроматизм положения)
Известно, что линзы преломляют световые лучи, и многие знают, что синие лучи преломляются сильнее, чем красные: эффект, схожий с разделением белого на цвета радуги, когда он проходит через призму – так же разделяется и свет, проходящий через линзу. В результате, точка фокуса для синего цвета будет ближе к линзе, затем сфокусируется зеленый, и лишь потом - красный. Эта аберрация осевая (продольная) - она действует по всему полю изображения, от центра до края.
Продольные хроматические аберрации доставляли множество трудностей уже на заре черно-белой фотографии. Проблему в определенной степени решили применением ахроматических линз, использовавшихся в телескопах до появления фотографии. Ахромат состоит из двух линз, сделанных из разных типов стекла с различными преломляющими свойствами: крона и флинта. Крон делается из стекла с низкой дисперсией и низким коэффициентом преломления, а флинт – наоборот - из стекла с высоким коэффициентом преломления и высокой дисперсией. Крон и флинт подбираются таким образом, чтобы минимизировать суммарную продольную хроматическую аберрацию. Ахромат достаточен для того, чтобы свет двух различных длин волн (зеленого и синего, например) попадал на матрицу в одной точке.
Рис. 3. – Ахромат (Wikipedia Commons)
Практически во всех современных объективах используется один или несколько ахроматов. В наши дни один из элементов ахромата, как правило, изготавливается из специальных типов оптического стекла с ультранизкой дисперсией.
История изобретения ахромата занимательна сама по себе. Около 1730 года идея пришла в голову Честеру Холлу (Chester Moore Hall), производителю телескопов. Стараясь сохранить открытие в тайне, он обратился к двум оптикам – Эдварду Скарлету (Edward Scarlett) и Джеймсу Манну (James Mann), заказав каждому лишь один элемент ахромата, чтобы соединить их потом самостоятельно. Манн и Скарлетт разместили заказ у одного и того же производителя оптических линз – Джорджа Басса (George Bass), который догадался, что заказчик на самом деле один и «вычислил» ахроматические свойства такой пары линз, но долгие годы хранил свое знание в тайне. Холл собрал немало телескопов-ахроматов, но изобретение так и не запатентовал. Басс же рассказал о свойствах ахроматов другому своему клиенту, Джону Доллонду (John Dollond), который запатентовал технологию в 1758 году. Доллонд передал права своему сыну Питеру, который выиграл в начале 60-х годов несколько судов у производителей оптики за нарушение патента. Но уже в 1764 году ему самому пришлось защищаться от коллективного иска 35 производителей оптики, заявлявших, что истинным изобретателем ахромата был Честер Холл и телескопы-ахроматы производились задолго до регистрации оспариваемого патента.
Развитием ахромата стали апохроматические линзы, способные исправить ошибки преломления уже 3 различных длин волн света. Изобрел апохромат в 1763 году все тот же Питер Долланд (PeterDolland), которого таскали по судам за ахромат.
Боковые или поперечные (lateral) хроматические аберрации
(они же хроматические аберрации увеличения/хроматизм увеличения)
Рис. 4. – Ахромат (Wikipedia Commons)
Боковые (латеральные) хроматические аберрации отличаются от продольных, но причина их появления та же: стекло по разному преломляет свет в зависимости от длины волны. Боковая хроматическая аберрация (которую часто называют «фиолетовым ореолом») вызывается преломлением лучей, попадающих в объектив под углом. Поскольку лучи попадают в объектив под углом, обычный ахромат, работающий с параллельными лучами, прямо попадающими в объектив, их не исправляет. В результате, наклонные лучи разных цветов фокусируются на матрице в разных местах – получается, что размер объекта различен в различных длинах волн.
Рис. 5. – Схема симметричного объектива
Боковые хроматические аберрации совершенно не влияют на центр изображения, но проявляются в возрастающей степени по мере удаления от центра кадра. Фиолетовые ореолы чаще всего появляются в областях высокого контраста (обычно темного объекта на светлом фоне); присутствие боковых хроматических аберраций делает изображение нерезким по краям кадра, даже если фиолетовые ореолы не заметны (или исправлены в постобработке).
Рис. 6. – Схема телеобъектива
Менее всего подвержены боковым хроматическим аберрациям объективы, разработанные "симметрично относительно кольца диафрагмы". Изобретена такая схема была в 1866 году с разницей в несколько недель Хуго Штайнхайлем (Hugo Adolph Steinheil) и Джоном Далльмайером (John Henry Dallmeyer). Первый дал изобретенному объективу название «Апланат», второй назвал свое изобретение «Быстрым Прямолинейным» (Rapid Rectilinear) объективом. Такая схема и в наши дни используется в объективах типа Planar – названию «Планар» мы обязаны Цейсу, назвавшему так в 1886 году свой первый апохромат. Таким образом, боковым хроматическим аберрациям наиболее подвержены объективы, схема которых несимметрична, например, телеобъективы.
Монохроматические (Фон Зейделевские) аберрации
Сферические аберрации
Сферические аберрации возникают из-за того, что линза сферической формы преломляет свет, падающий на нее около края сильнее, чем свет, который попадает по центру или недалеко от него. В результате изображение перестает быть сфокусированным в одной точке. Если смотреть на точку сквозь объектив со сферическими аберрациями, она будет иметь достаточно однородный ореол. Эффект проявляется и в центре, и по краям изображения.
Рис. 7. – Сферические аберрации (Wikipedia Commons)
Отличительной особенностью сферических аберраций является то, что их количество снижается на закрытых диафрагмах, когда края линзы заблокированы (прикрывая диафрагму, вы исключаете края объектива из формирования изображения на матрице фотоаппарата).
Рис. 8. – Преломление одинаково, но правая линза "изогнута"
Сферические аберрации являются одной из причин так называемого "Focus Shift" (смещения точки фокуса). Для наглядности упростим: представим, что на рисунке «Сферические аберрации» мы закрыли диафрагму, исключив самые боковые лучи света - область наилучшего фокуса сместится от объектива.
«Изогнутые» линзы меньше подвержены сферическим аберрациям. Использование в конструкции объектива комбинаций выпуклых и вогнутых линз и/или менисков (выпукло-вогнутых линз) позволяет держать сферические аберрации под контролем. Так же помогает использование нескольких элементов с пониженным коэффициентом преломления вместо одного с сильным.
Рис. 9. – Позитивный (собирающий) мениск
Существует еще одна форма сферической аберрации, присущая светосильным объективам: сферохроматизм (spherochromatism). Объективы зачастую исправляют сферические аберрации для некоторых длин волн лучше, чем для других. В результате в областях вне фокуса на переднем плане появляется пурпурный оттенок, а на заднем - зеленый (или наоборот); такие «ореолы в боке» видны на открытых диафрагмах и исчезают на прикрытых значениях.
Кома
Рис. 10. – Кома (Wikipedia Commons)
Кома это сложная аберрация, которая влияет только на лучи света, которые проходят сквозь объектив под углом. При коме, лучи не сходятся в четкую точку, у них появляется «хвост» (рис. 9); там, где должна быть четкая точка, появляется комета с размытым хвостом - отсюда и название. Обычно размытость направлена от центра изображения (положительная/позитивная кома), но в некоторых случаях она может быть направлена и к центру (отрицательная/негативная кома). Кома асимметрична: чем дальше от центра изображения, тем заметнее эффект. Лучи, проходящие прямо через центр объектива, коме не подвержены.
Рис. 11. – Пример комы
С комой сражаются, прикрывая диафрагму – исключая лучи, проходящие через края объектива. Конструкции, применяемые для снижения уровня сферических аберраций, снижают и кому, в частности, симметричные по отношению к центру объективы. Объектив, с исправленными комой и сферическими аберрациями, называется «апланат».
Кривизна поля
Рис. 12. – Кривизна поля (Wikipedia Commons)
Многие относят кривизну поля к аберрациям, потому что она ухудшает изображение. Другая точка зрения состоит в том, что это естественный и неизбежный эффект использования линз: изогнутые поверхности линз не способны спроецировать изображение на плоскую матрицу – формируемое ими «поле изображения» располагается на некоей изогнутой поверхности. Очевидно, что кривизна поля влияет на края изображения, а не на его центр.
Рис. 13. – Отрицательный (рассеивающий) мениск
Кривизна поля может быть уменьшена сочетанием выпуклых и вогнутых линз и менисков, часто в парах или тройках. В некоторых объективах слабо отрицательную (рассеивающую) линзу ставят возможно ближе к матрице, чтобы исправить остаточную кривизну поля.
Как и большинство аберраций, кома наиболее явно проявляется на открытых диафрагмах.
Плавающие элементы и изменение эффективного фокусного расстояния
Объективы проектируются так, что аберрации, в частности кривизна поля, лучше всего исправлены, когда объектив сфокусирован на бесконечность. Такая конструкция зачастую приводит к тому, что аберрации появляются тогда, когда объектив сфокусирован на близком объекте. В высококачественных объективах с этим борются при помощи плавающих элементов (floating elements) - группы линз, которая меняет свое положение при фокусировке на ближние объекты, что позволяет держать аберрации под контролем при любом расстоянии до объекта съемки. Смещение элементов при фокусировке на расстоянии, близком к минимальной дистанции фокусировки, может привести к изменению эффективного фокусного расстояния. Так случилось с Nikon 70-200/2.8 VRII, что привело к волне негодования - публика почувствовала себя обманутой тем, что эффективное фокусное расстояние объектива упало где-то до 145 мм при фокусировке на близкие предметы, хотя это был лишь способ добиться того, чтобы объектив был настолько же резок при фокусировке вблизи, как и при фокусировке на бесконечность.
Астигматизм
Астигматизм на самом деле является подвидом кривизны поля, но его еще труднее исправить (и понять). Он случается, когда световые лучи, входящие в объектив в сагиттальной плоскости, и лучи, входящие в тангенциальной плоскости, фокусируются в разных местах. Точечный источник света, таким образом, на изображении превращается в подобие линии.
Рис. 14. – Тангенциальные (Т1) и сагитальные (S1) лучи фокусируются в разных точках. Точка света передается на изображении в виде линии.
Коррекция астигматизма требует, по крайней мере, 3 элементов, обычно двух выпуклых и вогнутого. В конструкцию некоторых объективов для снижения астигматизма включают слабый мениск. Астигматизм присущ даже самым лучшим объективам, разница лишь в степени его коррекции. Если Вы понимаете графики MTF, то разница кривых сагиттальной и тангенциальной MTF может подсказать степень астигматизма присущего конкретному объективу.
Астигматизм не влияет на центр изображения. Он становится более выраженным дальше от центра изображения и проявляется в полную силу по краям и в углах кадра. Его степень снижается, как и у большинства неосевых аберраций, прикрытием диафрагмы. Нарушение соосности элементов в объективе приводит к очень сильному астигматизму, хотя этот вид аберраций коварен: при обычных тестах объектив может функционировать нормально и только специальный тест на увеличенный астигматизм способен показать, что объектив неисправен.
Дисторсия или геометрические искажения
Дисторсия (или геометрические искажения) - это аберрация, в результате которой прямые линии на изображении искривляются. На резкость дисторсия влияет незначительно, но в значительной мере определяет как передаются на изображении прямые линии. Наиболее распространены два типа дисторсии: бочкообразная (barrel) и подушкообразная (pincushion). Реже встречаются искажения похожие на «усы», являющиеся на самом деле сочетанием двух других – «бочки» по центру, переходящей в «подушку» ближе к краю (волнообразная дисторсия).
Рис. 15. – Три типа дисторсии.
Дисторсия присуща в первую очередь объективам с переменным фокусным расстоянием (зумам), и тем сильнее, чем больше кратность объектива. Наиболее заметна дисторсия в крайних положениях диапазона объектива. Но и объективы с постоянным фокусным расстояниям подвержены дисторсии. Широкоугольные и ретрофокусные объективы подвержены бочкообразной дисторсии, а телеобъективы склонны к подушкообразной. Объективы с переменным фокусным расстоянием могут страдать от бочкообразной дисторсии в широкоугольном положении и подушкообразной – в положении теле. Искажения могут также меняться в зависимости от фокального расстояния: при фокусировке на близком объекте объектив может искривлять прямые линии, но быть свободным от дисторсии при фокусировке в положении, близком к бесконечности.
Расположение диафрагмы в объективе серьезно влияет на уровень дисторсии. Упрощенно: если диафрагма расположена вблизи линзы, то дисторсия будет незначительна, при увеличении расстояния от кольца диафрагмы до линзы, увеличивается и дисторсия. Именно поэтому изменение позиции элементов объектива по отношении к диафрагменному кольцу при изменении фокусного расстояния в зум-объективе или при фокусировании объектива может увеличить или уменьшить количество геометрических искажений.
И в заключенье я скажу…
Объектив без аберраций, к сожалению, невозможен. Исправление одного типа аберраций может усилить другой, исправление потребует добавления еще нескольких элементов, и так до бесконечности – замкнутый круг. Аберрации присутствуют даже у самых лучших фиксов. Zeiss 21/2.8, возможно, самый резкий из известных широкоугольных объективов, отметился волнообразной дисторсией. Nikon 28/1.4, классический объектив, серьезно подвержен коме. Canon EF 50 f/1.2 обладает выраженной кривизной поля. Но это совсем не повод для того, чтобы смешать эти объективы с грязью. Просто фотограф должен знать слабые и сильные стороны своих объективов. Нет идеальных объективов – у каждого свои слабости. Их нужно знать, чтобы свести к минимуму недостатки и подчеркнуть сильные стороны.
Кривизну поля научились исправлять, а в середине 1800-х годов все объективы отличались сильнейшей кривизной поля. Казалось бы, фотографировать было невозможно. Но обратите внимание на групповые портреты, сделанные в 1850-х годах: фотограф, зная особенности используемого объектива, располагал группу по дуге, чтобы все участники были в фокусе. Аберрации наиболее явны по краям и в углах кадра – применялось художественное виньетирование углов и краев кадра. Портреты в овальных рамах – еще один способ «убрать» испорченные аберрациями углы и края кадра.
Так и сегодня – не стоит делать то, чего делать не стоило бы. Не стоит перекомпоновывать кадр с Canon EF 50/1.2 L – кривизна поля способна вывести объект съемки за фокус; не стоит и злоупотреблять боковыми точками автофокуса – центр кадра может получиться нерезким именно из-за кривизны поля, присущей этому объективу. Sigma AF 50/1.4 проявляет себя лучше всего на открытых диафрагмах – до f/2.8. Но не стоит забывать, что между f/1.4 и f/2.8 смещение точки фокуса может привести к ошибкам автофокусировки.
Для каждого объектива стоит мысленно составить список "стараться вот этого не делать". Откуда брать данные? На форумах и в тестах есть информация о присущих объективам аберрациях. К сожалению, производители не спешат рассказать о том, какие аберрации присущи их объективам. Тесты с использованием специальных мишеней и приборов, как правило, хорошо распознают дисторсию и боковые хроматические аберрации. Кривизна поля и астигматизм упоминаются в отзывах фотографов, тестирующих объективы не в лабораторных, а в полевых условиях. Но лучше всего анализировать свои фотографии и делать собственные выводы: "у этого кривизна поля, этот зум дает явную подушку на 300 мм, у этого серьезный астигматизм, но отменная картинка по центру".
Не стоит фотографировать архитектуру на широком угле зум-объектива - бочкообразная дисторсия искривит прямые линии. Если Ваш объектив подвержен коме или астигматизму, при наличии ярких источников света в кадре (ночной город, например), прикройте диафрагму и удлините выдержку. Если объектив нерезок по краям на открытой диафрагме, прикройте его на пару ступеней и случится чудо. Просто старайтесь помочь своему объективу проявить себя с лучшей стороны.