Guide

Optikk og linser

Optikken som teoretisk og anvendt vitenskap er mye eldre enn fotografien. Det eksisterte billeddannende objektiver før Daguerres og Niépces tid. Deres oppfinnelse av den fotografiske prosess satte til gjengjeld en stadig voksende forskning som bl.a. førte til Petzvals portrettobjektiv og senere til de moderne meget lyssterke og finttegnende objektiver.

Bilde av Schneider Xenon 1:1,9/50mm. Det består av 6 linser i 4 grupper. Foto: Time LIFE Int. Trykk på bildet for å gjøre det større.

Et godt objektiv er resultatet av et fantastisk stort vitenskapelig beregningsarbeide. Før datamaskiner ble tatt i bruk, tok utviklingstiden for et objektiv flere år for en matematiker. Formlene for et objektiv var gjerne på størrelse med en bok.

Lyset

Kort uttrykt kan lys defineres som den del av de energibærende elektromagnetiske bølgebevegelser som kan aktivere nervespissene i det menneskelige øyets netthinne. Dvs. de bølgebevegelser vi kan se.
De elektromagnetiske bølger omfatter et meget stort område, fra meget kortbølget kosmisk stråling til langbølget radiostråling.

Lysets hastighet

I et lufttomt rom forplanter lyset seg med ca. 300.000 km/s. Hastigheten i atmosfæren er litt mindre, luften er optisk sett tettere. Vann har igjen større optisk tetthet enn luft - lysets hastighet i vann er ca. 225.000 km/s.
Glassets optiske tetthet er igjen større enn vannets, og varierer etter typen glass mellom 150.000 - og 200.00 km/s.
En lysstråle, som beveger seg fra et stoff med en optisk tetthet til et stoff med en annen optisk tetthet blir avbøyd.
Kortbølgede stråler som blått lys brytes kraftigere enn rødt lys som har større bølgelengde. Dette kan forårsake kromatisk abberasjon. Se vår guide om kromatisk abberasjon.

Optiske medier

Glass som anvendes til optikk, framstilles i ulike utgaver. Hovedsakelig skiller vi mellom kronglass og flintglass. Kronglass har en stor brytning men liten fargespredning, mens flintglasset har liten brytning, men stor fargespredning. Disse to glassortene brukes ofte sammen for å oppheve hverandres feil, i tillegg til felles oppgaver. Fargespredning kalles også dispersjon.
I dag brukes det imidlertid plast som hovedbestanddel i linser.
Alle fotografiske objektiver er sammensatt av et antall linseelementer. Skal et objektiv være godt korrigert, skal det ha minimum tre linser. Stilles det krav om stor lysstyrke eller kort brennvidde, vil det være nødvendig med flere elementer. Zoomlinser, dvs linser med variabel brennvidde som er høyst vanlig på digitale kamera, krever ofte 8 -10 elementer eller flere.
Og jo mindre billedformat (film eller CCD), desto større krav til linsekvaliteten.

Linser

Linseelementer. Fra venstre til høyre: Prisme, Prisme, Konkav linse og Konveks linse

Prisme, def: tre- eller flersidet legeme av glass til brytning av lyset. Konkav linse kalles spredelinse, og konveks kalles samlelinse. Vi ser på fotoet ovenfor hvordan lysstrålene fra venstre brytes på sin vei gjennom de ulike linsene.

Linsefeil

I en enkel linse er foruten den tidligere nevnte dispersjon eller fargespredning, beheftet med en rekke feil, som motvirker dannelsen av et skarpt bilde.
Generelt regner man med 7 linsefeil, som det er objektivkonstruktørens oppgave å fjerne med en passende sammensetning av linser. Disse linsefeilene omtales detaljert nedenfor.

1. Dispersjon, også kalt fargespredning, kromatisk aberrasjon eller fokusdifferanse
2. Sfærisk aberrasjon, også kalt formavvikelse eller blenderdifferanse
3. Koma
4. Vignettering eller fortegning
5. Bildefeltkrumming
6. Astigmatisme
7. Refleksflekker

Dispersjon

Hvis en strålebunt av hvitt lys treffer en samlelinse parallelt med den optiske akse, vil lys med ulik bølgelengde bli forskjellig brutt. Brennpunktet for det kortbølgede blå lyset, vil ligge nærmere linsen enn det langbølgede røde lyset.
Pga. den forskjellige brytningen av de enkelte fargene, blir bildet ikke helt skarpt og får fargede render. Dette kan til en viss grad minskes ved en nedblending av objektivet. Noen korrigering er det ikke snakk om, det som skjer er at brennpunktene for de ulike fargene nærmer seg hverandre.
Denne feilen korrigeres ved at man bruker to linser; en konveks linse av kronglass og en konkav linse av flintglass. Kronglasset velges slik at det har større positiv brytning enn flintglassets negative brytning. Den konkave linsens sfæriske krumming, skal passe nøyaktig inn i den tilsvarende sfæriske krummingen til den konvekse linsa.

Sfærisk aberrasjon

En stråle av lys som treffer linsa parallelt med den optiske akse, vil bli brutt kraftigere i yttersonen enn nærmere sentrum i en linse.
Dette fordi hver av linsesonene svarer til et prismeutsnitt med ulik brytningsevne. Hver av linsesonene har derfor sitt eget brennpunkt.
Korrigering av sfærisk aberrasjon er den vanskeligste og dyreste linsefeilen å korrigere, den korrigeres med asfæriske linseelementer.

Koma

I nært slektskap med sfærisk aberrasjon er den feilen som kalles Koma. Runde lyspunkter spesielt, opptrer med en "hale" og likner en komet, derav navnet.
Den sfæriske aberrasjonen oppstår når lysstråler kommer inn i objektivet parallelt med den optiske akse, dvs. fjerntliggende objekter.
Koma oppstår når lysstrålene kommer inn i objektivet fra en annen vinkel, dvs. nærliggende objekter.
Komafeilen er likeså den sfæriske aberrasjonen mindre ved små blenderåpninger.

Fortegning og vignettering

Bilde av Leica M4, med Noctilux 1:1 - blenderåpning 1! Trykk på bildet for å gjøre det større.

Fortegning oppstår ved feil plassering av blenderen! Hvis blenderen er plassert foran objektivet fås en tønneformet fortegning, og er blenderen plassert bak objektivet fås en putefortegning.
For å unngå fortegning skal blenderen plasseres i det optiske midtpunkt. En tykk linse eller et sammensatt objektiv, har egentlig to optiske midtpunkter, og blenderen skal plasseres mellom disse. Man må ty til et kompromiss.

Vignettering er en feil som opptrer slik at lyset avtar ut mot hjørnene i motivet. At hjørnene får mindre lys enn midtpartiet, skyldes at lysstrålene brytes bort under passeringen gjennom de enkelte linsene. Korreksjon av vignettering skjer ved at man velger den største blenderåpningen mindre enn det er mulig for objektivet. Vignettering korrigeres best ved at objektivkonstruksjonen gjøres kortest mulig.
Denne feilen er mest utpreget på vidvinkelobjektiver.

Bildefeltkrumning

Det er naturlig at gjengivelsen av et plan vinkelrett på den optiske akse kommer til å ligge på en sfærisk flate. I praksis kan man korrigere for denne feilen noe vha linseelementer, men ikke helt. Den beste måten å korrigere denne feilen er ved nedblending av objektivet.

Astigmatisme

Den asymmetriske strålegangen ved skrått innfallende lysstråler danner også en annen feil, som kalles astigmatisme. Stigma betyr punkt, og den negative forstavelsen a tilkjennegir altså at feilen viser seg ved at punkter utenfor den optiske akse, ikke gjengis helt som punkter. I praksis medfører dette at vertikale og horisontale linjer ikke opptrer like skarpt. Dette var den feilen det tok lengst tid med å få bukt med.
God korreksjon for astigmatisme er kun mulig i sammensatte objektiver, og det stilles bestemte krav med hensyn til enkeltlinsenes forhold til brytningskoeffisient og dispersjon. Minst en av linsene må ha stor brytning og liten fargespredning.

Refleksflekker

En liten mengde lys vil bli absorbert av selve glassmassen i objektivet. I praksis er denne absorpsjonen så liten at man kan se bort fra den. Av en helt annen størrelsesorden er derimot en refleks av en del av lyset, som alltid vil oppstå ved grenseflaten mellom to stoffer med så ulik brytningsindeks som glass og luft.
Man regner med at det i gjennomsnitt fra hver flate med glass/luft i en grenseflate, vil reflektere 5% av det innfallende lys. Hvis et ubehandlet objektiv har f.eks. åtte frie grenseflater, vil det bety et lystap på ca 35%, eller lik 2/3 blendertrinn.
Problemet ses ofte på mørke bilder tatt i dårlig belysning, og ligner på såpebobler rundt om i bildet.
Problemet avhjelpes med coating, altså et metallfluoridbelegg på linseoverflaten .

Coating påføres linsene som plasseres i et lufttomt rom og utsettes for damp fra ulike metallfluorider, spesielt brukes magnesiumfluorid.
Hvis det påførte lag har en tykkelse på ¼ av bølgelengden for det gjennomtrengende lys, og hvis det samtidig har en brytningskoeffisient som er lik kvadratroten av brytningskoeffisienten av glasset, vil det oppstå en interferens (fase slukker motfase) som demper refleksen.
Coatingen kan ødelegges bl.a. av svette fra fingrene, derfor er det fornuftig å sette på et nøytralt filter foran linsen, før vi tar i bruk et kamera (UV-filter). Enkelte digitalkamera har ikke filtergjenger, men er da ofte utstyrt med beskyttelsesglass foran linsen.

Det er i dag praktisk mulig å påføre flere lag med coating på linseflatene for dermed å redusere refleksene 100%, men de ville være vanskelig å selge pga. prisen, og brukes følgelig bare til kommersielt bruk.

Digital SLR

Hvorfor vil ikke kameraprodusentene sette inn en CCD-brikke som er like stor som filmen, 24x36mm på digitale SLR-kamera?

Å sette en CCD-brikke i et speilreflekskamera, er ikke helt uproblematisk. Optikken er konstruert for film, og egner seg i utgangspunktet ikke til CCD-brikken. Ulike fargefeil vil oppstå, spesielt i hjørnene på bildet, fordi det oppstår en forskyvning i fargene som forvirrer informasjonen fra Bayerfilteret og fargeberegningen blir feil.
Toleransen for fargefeil ligger på ca. 1/10 pikselbredde, og hvis feilen er større, får vi fargefeil. Dersom feilen bare er 1/20 pikselbredde, får vi komplementærfargen.

Av dette følger at en høyoppløselig CCD-brikke vil skape større problemer enn med en lav oppløsning. Man anvender en CCD-brikke som har en størrelse på ca 2/3 av filmformatet 24x36mm.

Og konsekvensen av dette er at setter du på et 20mm vidvinkelobjektiv, blir det til et 30mm vidvinkelobjektiv, et normalobjektiv på 50mm blir et 75mm lett teleobjektiv osv.!
Dette bør man være klar over, før man kjøper speilrefleks.

Oppsummering

Korrigering av linsefeil er ikke uproblematisk, fordi når man korrigerer for en linsefeil, må man ta hensyn til hva dette vil ha å si for andre linsefeil.
Objektivet i et kamera er som vi forstår en meget kompleks konstruksjon med mange parametere, og det er en forutsetning at objektivet holder høy kvalitet for å få et godt bilde. Derfor ser vi ofte at rimelige kamera ikke holder mål.

Forskjellige fakta:

Fotografier tatt med største blenderåpning blir ikke alltid like vellykkede, og lyssterke objektiver, (f.eks. 1:2) blir heller ikke så gode som objektiver med mindre blenderåpninger. Objektivene er korrigert for uendelig avstand, hvilket medfører at bilder på kort avstand ikke blir så skarpe.
Det er ikke mulig å konstruere et objektiv med perfekt korreksjon, man bør derfor være klar over at et objektiv er skarpest når det er blendet ned to til tre hakk, blendes det ytterligere ned, blir bildet mindre skarpt.
Dette er teoretiske betraktninger, som er målbare, men ikke alltid like synlige.
Ekstreme objektiver har større feil enn normalobjektivet.
Det nærmeste man kan komme et perfekt objektiv, vil være et normalobjektiv med dårlig lysstyrke og høy pris.

Kilder

  • Foto - Det færdige billede af T. Frenning, Politikens Forlag, København 1984.
    Interfoto.
  • Time LIFE International, The Camera.
  • Interfoto

 

Norges beste mobilabonnement

Mars 2017

Kåret av Tek-redaksjonen

Jeg bruker lite data:

Komplett MiniFlex 1GB


Jeg bruker middels mye data:

Telio FriBruk 5GB+EU


Jeg bruker mye data:

Komplett MaxiFlex 10GB


Jeg er superbruker:

Komplett MegaFlex 30GB


Finn billigste abonnement i vår mobilkalkulator

Forsiden akkurat nå

Til toppen