Til hovedinnhold

Optikk og linser

Et klassisk design som er videreutviklet av mange objektivprodusenter.

Optikk og linser

Ordet fotografi betyr lystegning - å tegne med lys. Det er objektivet i et kamera som tegner bildet. Det er ikke nødvendig å ha særlig kunnskap om optikk for å kunne fotografere, men en viss forståelse av de grunnleggende optiske prinsippene vil kunne være nyttige for fotografen.

Optikken som teoretisk og anvendt vitenskap er mye eldre enn fotografiet. Det eksisterte bildedannende 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.

Et godt objektiv er resultatet av et omfattende beregningsarbeid. Før datamaskiner ble tatt i bruk, tok utviklingstiden for et objektiv flere år for en matematiker, og formlene for et objektiv var gjerne på størrelse med en bok. I dag har datamaskinene forenklet arbeidet, men fremdeles er det mye å ta hensyn til. Vi ser nærmere først på litt basisteori for optikk, før vi ser på noen av de vanligste optiske fenomenene som må tas hensyn til når man konstruerer et objektiv.

Lys og lysbrytning

Synlig lys kan defineres som den del av det elektromagnetiske bølgespektrum som kan aktivere nervespissene på det menneskelige øyets netthinne, altså de bølgelengdene vi kan se. Det elektromagnetiske spektrum omfatter et meget stort område, fra svært kortbølget kosmisk stråling til langbølget radiostråling.

I et lufttomt rom forplanter lyset seg med ca. 300 000 km/s. Hastigheten i atmosfæren er litt mindre da luft har større optisk tetthet, selv om forskjellen er veldig liten. Brytningsindeksen til et medium er et mål på optisk tetthet, og er forholdet mellom lyshastigheten i vakuum og lyshastigheten i mediet. Får man oppgitt brytningsindeksen til et medium, n, kan man dermed beregne lyshastigheten i mediet. Luft har brytningsindeks n= 1.0003, som betyr at lyshastigheten i luft er ca 299 955km/s. I praksis er det altså liten forskjell mellom luft og vakuum, og man regner vanligvis med samme lyshastighet i luft og vakuum.

Lys brytes annerledes i vann og i glass, derfor ser det ut som blyanten står med en annen vinkel under vann.

Vann har større optisk tetthet enn luft - lysets hastighet i vann er ca. 225.000 km/s, mens glassets optiske tetthet er igjen større enn vannets, og lyshastigheten i glass varierer mellom 150 000 og 200 000 km/s, avhengig av hva slags glass som er brukt.

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 fiolett og blått lys brytes kraftigere enn rødt lys som har større bølgelengde. Medier der brytningen er avhengig av bølgelengde (og dermed frekvens) kalles dispersive medier, og fenomenet kalles fargespredning eller generelt sett dispersjon. Et resultat av dette er fargefeilbryting (kromatisk abberasjon), og produsentene av optikk bruker gjerne glass med lav dispersjonsrate for å unngå dette. Men slikt glass har ofte større brytningsindeks, er kostbart, så mange prøver derfor å kompensere fenomenet på andre måter.

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. I dag brukes det imidlertid ofte plast som hovedbestanddel i linser, særlig i billige objektiver.

Alle fotografiske objektiver er sammensatt av et antall linseelementer. Skal et objektiv være godt korrigert, skal det ha minimum tre linser. Stor lysstyrke eller kort brennvidde vil kreve flere elementer for å oppnå tilstrekkelig korreksjon av optiske feil. Zoomobjektiver, dvs objektiver med variabel brennvidde som er høyst vanlig på digitale kamera, krever ofte 8 -10 elementer eller flere. Jo mindre bildeformat (film eller digital sensor) man har, desto større er kravene til linsekvaliteten.

Linseelementer

Et sfærisk linseelement er avgrenset av to kuleflater, og kan fullstendig karakteriseres av radien til de to kuleflatene, tykkelsen til linsen og brytningsindeksen til glasset. Dersom tykkelsen til linsen er mye mindre enn brennvidden og de øvrige dimensjonene, slik at strålegangen går inn og ut av linseelementet i tilnærmet samme høyde fra senter, bruker man betegnelsen tynn linse. Da er brennvidden og dermed forstørrelsen bestemt utelukkende av brytningsindeksen og radiene til kuleflatene. Brennvidden til linseelementene er bestemt av avstanden til det punktet der lysstråler parallelt til den optiske aksen samles til ett punkt når de sendes gjennom linsen. Uansett hvor på linsen du sender inn strålen, vil den fokuseres i samme punkt. Merk dog at det ikke gjelder stråler som ikke er parallelle med den optiske aksen.

Forskjellige typer linseelementer. Bildet er hentet fra Wikipedia.

Linseelementer må ikke være sfæriske, men det er ofte praktisk å bruke det, fordi man forholdsvis greit kan beregne strålegangen gjennom et sett med linseelementer. Når man beregnet objektiver for hånd, var dette nyttig. I dag, med betraktelig større regnekraft i datamaskiner, er det lettere å bruke asfæriske elementer, og man ser at langt flere objektiver har fått dette - også av den billigere sorten. I tillegg har bedre automasjonssystemer gjort det mulig å produsere slike linseelementer billigere, som også har bidratt til at man kan bruke slike elementer også i billige objektiver.

Optiske feil

I en enkel linse er foruten den tidligere nevnte dispersjon eller fargespredning, beheftet med en rekke feil, som motvirker dannelsen av et skarpt bilde. Vi skal her gå igjennom en del slike feil som det er objektivkonstruktørens oppgave å korrigere med en passende sammensetning av linseelementer.

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.

Hvitt lys splittes i regnbuens farger når det sendes gjennom et prisme.

Pga. den forskjellige brytningen av de enkelte fargene, blir bildet ikke helt skarpt og får fargede rander. Dette kan til en viss grad minskes ved en nedblending av objektivet, fordi da vil alt lyset passere glasset nærmere sentrum, der brytningen er mindre. Det skjer ingen korreksjon når man blender ned, det som skjer er at brennpunktene for de ulike fargene nærmer seg hverandre fysisk.

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: parallelle innkommende stråler samles ikke i ett felles brennpunkt. Figuren er hentet fra Wikipedia.

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. Særlig når produsentene sliper glass i stedet for å støpe dem, øker kostnaden, fordi det kreves langt mer komplisert automatisering for å slipe asfærisk formede linseelementer. Siden problemet skyldes brytning langt fra sentrum av linsene, vil problemet være mindre på små blenderåpninger, der lyset passerer nærmere sentrum.

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. Koma oppstår når lysstrålene kommer inn i objektivet fra en annen vinkel, dvs. nærliggende objekter, mens den sfæriske aberrasjonen oppstår når lysstråler kommer inn i objektivet parallelt med den optiske akse, altså lys fra fjerntliggende objekter. Koma er som sfærisk aberrasjon et mindre problem ved små blenderåpninger.

Fortegning

Fortegning er et fenomen som kjennetegnes ved at motivet forvrenges, vanligvis enten ved en tønneformet eller puteformet fortegning. Fortegning kan ha flere årsaker, hvorav én er feil plassering av blenderen. Dersom blenderen er plassert for langt frem oppstår en tønnefortegning, og dersom den er plassert for langt bak oppstår putefortegning. Ideelt sett skal blenderen plasseres i det optiske midtpunkt, men siden et tykt linseelement eller et sammensatt objektiv har to optiske midtpunkter, må man ty til et kompromiss og plassere blenderen i mellom disse.

To former for fortegning. Putefortegning til venstre og tønnefortegning til høyre.

Zoom-objektiver har med en mer omfattende optisk konstruksjon også større utfordringer når det gjelder fortegning, og særlig objektiver med stort brennviddeomfang har betydelig fortegning. Det er mest vanlig med tønnefortegning på vidvinkel og putefortegning på tele, men moderne optiske konstruksjoner korrigerer putefortegning meget godt, også på zoom-objektiver. Vidvinkelzoomer er mer utfordrende, ikke minst fordi de skal tegne et bilde fra store deler av en halvkule på et lite område. De mest ekstreme vidvinkelobjektivene, fisheye-objektiver, utnytter denne fortegningen som en effekt og kompenserer i liten grad for dette i den optiske konstruksjonen.

Det finnes også objektiver som har en blanding av tønne- og putefortegning, og man kaller det gjerne for bartefortegning (engelsk: moustache distortion). Det er ikke et veldig vanlig problem, men oppstår særlig på objektiver med retrofokus (en teknikk for å lage vidvinkelobjektiver som er lenger enn brennvidden).

Vignettering og lysavfall

Vignettering og lysavfall er egentlig to forskjellige fenomener, som begge resulterer i det samme – at hjørnene på bildet blir mørkere. Man har grovt sett to former for vignettering og to former for lysavfall.

Et eksempel på hvordan vignettering kan arte seg.

Mekanisk vignettering er et resultat av at noe blokkerer for lyset som er på vei inn i objektivet. Dette kan være tykke eller stablede filtre, mistilpassede solblendere med mer. Merk at det ikke er et resultat av at noe ligger foran bildesirkelen, men at noe skygger for lyset på vei inn. Dersom man setter på et filter som er for lite eller bruker et objektiv beregnet på en mindre sensor, vil man også få mørke hjørner. Graden av vignettering kan variere, avhengig av blenderåpningen, og kan kompenseres med nedblending.

Optisk vignettering er et resultat av at lysstrålene brytes bort fra den optiske konstruksjonen under passeringen gjennom de enkelte linsene. Korreksjon av optisk vignettering kan gjøres ved å la største blenderåpning til objektivet være litt mindre enn hva som ville vært fysisk mulig. Vignettering blir også et mindre problem når objektivkonstruksjonen gjøres kortest mulig. Denne feilen er mest utpreget på vidvinkelobjektiver, da disse objektivene har en strålegang som går veldig skrått, særlig i periferien på linseelementene.

Naturlig lysavfall skyldes ikke blokkering av lys eller lys som forsvinner ut av den optiske konstruksjonen, men er et resultat av stor vinkel fra utgangspupillen på objektivet. Lysavfallet kan tilnærmes med den såkalte cos4-loven. Dersom bakre linseelement i objektivet plasseres nært sensoren, vil vinkelen til ytterkanten av sensoren og lysavfallet blir større. Problemet er mindre på speilreflekskameraer med retrofokusobjektiver enn for eksempel målsøkere, siden disse må ha bakre linseelement lenger unna slik at det er plass til å vippe opp speilet. Siden det er et fenomen som oppstår etter blenderen, er det heller ikke mulig å kompensere for det med nedblending.

En annen form for lysavfall, som bare er relatert til digitalkameraer, er såkalt piksellysavfall. Det skyldes at sensoren gir forskjellig signalstyrke om lyset treffer rett på sensoren eller på skrått. Man bruker ofte mikrolinser eller mikroprismer for å redusere effekten, ved at lyset først brytes for å treffe sensoren med en mindre innfallsvinkel. Mange kameraer kan dessuten kompensere automatisk for piksellysavfall med innebygget etterbehandling av signalet når man konverterer rådataene fra sensoren.

Bildefeltkrumning

Bildefeltkrumning er et fenomen som arter seg ved at senter av bildet og bildekanten ikke er i fokus samtidig, fordi fokusplanet ikke er et plan, men har krumning. Man kan også snu på det, og si at objektivet ikke tegner en plan flate som en plan flate, men siden sensoren er flat, er det litt unaturlig i fotosammenheng. Dette er et naturlig fenomen, og kan bare i liten grad korrigeres ved hjelp av linseelementer. Dersom man blender ned vil problemet oppleves som mindre, siden dybdeskarpheten i bildet øker, men selve feilen kan ikke korrigeres med nedblending.

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, og det er heller ingenting som kan gjøres for å unngå den Refleksjoner internt i objektivet derimot, vil være et langt større problem, og refleksjoner vil alltid oppstå i grenseflaten mellom to stoffer med ulik brytningsindeks, for eksempel glass og luft. Man regner med at det i gjennomsnitt fra hver flate med glass/luft i en grenseflate, vil reflektere omlagt 5% av det innfallende lys. Et ubehandlet objektiv med for eksempel åtte frie grenseflater dermed tape ca 35% av lyset, eller 2/3 blendertrinn, i refleksjoner.

Refleksflekker i bildet (lens flare).

Problemet ses ofte på mørke bilder tatt i dårlig belysning, og ligner på såpebobler rundt om i bildet. Problemet avhjelpes med antirefleksbelett (coating), altså et metallfluoridbelegg på linseoverflaten. Antirefleksbelegg påføres linsene i et lufttomt rom og de utsettes for damp fra ulike metallfluorider. Magnesiumfluorid er mye brukt, men de forskjellige produsentene har sine spesielle belegg. 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. Det brukes gjerne flere lag med antirefleksbelegg, såkalt multicoating, da dette kan eliminere refleksene 100%. Prosessen er dog kostbar, så det vanlig å gjøre dette bare på kostbare objektiver. Det er også svært vanlig med multicoating på objektivfiltre, og det anbefales ikke å benytte filter som ikke har multicoating. Belegget kan ødelegges av bl.a. svette fra fingrene.

Oppsummering

Korreksjon 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.Ofte er det slik at ved korreksjon av én feil forsterker man et annet problem.

Objektivet i et kamera er en meget kompleks konstruksjon med svært mange parametere, og det er en forutsetning at objektivet holder høy kvalitet for å få et godt bilde. Rimelig optikk har tatt seg opp betraktelig kvalitetsmessig i de senere årene, og flere kompaktkameraer har også fått forholdsvis godt korrigert optikk.

Det har egentlig ikke skjedd de helt store grenseflyttingene innen optikk de siste 50 årene, samtidig har den rimelige optikken nådd nye høyder, og ingeniørene til de store optikkprodusentene har nok jobb noen år fremover også.

Kilder

Dette er de viktigste kildene som er brukt til denne artikkelen, som er skrevet med basis i en tidligere utgitt guide, Optikk og linser, skrevet av Knut Skarsfjord.

annonse