בפרק הרביעי בסדרת הפוסטים על עדשות ועצמיות אדון בנושאים הבאים:

6. הקשר בין גודל החיישן, זווית הראיה של העצמית, הצמצם וה- ISO
7. כושר הפרדה של עצמיות והקשר שלו לכושר ההפרדה של חיישני התמונה

הקשר בין גודל החיישן, זווית הראיה של העצמית,הצמצם וה- ISO:

כידוע קיימים מספר פורמטים של חיישני תמונה, למן החיישנים הזעירים שבסמארטפונים ועד לגדולים שבמצלמות הפורמט הבינוני. קיים קשר הדוק בין גודלו של חיישן התמונה לבין אורך המוקד הדרוש של העצמית, זווית הראייה שלה וכושר הכיסוי שלה. בנוסף לכך לגודל החיישן השפעה על הצמצם האפקטיבי ועל ה- ISO האפקטיבי.

מספר פורמטים נפוצים של חיישני תמונה אלקטרוניים במצלמות דיגיטליות

זווית הראייה הדרושה לחיישן בפורמט מלא (Full Frame 24X36) ובפורמט Crop

השוואה בין זווית הראייה של שלושה פורמטים נפוצים של חיישני תמונה

השפעת גודל חיישן התמונה וגורם החיתוך (Crop Factor) על אורך המוקד המעשי וזווית הראייה המעשית: אורך המוקד האמיתי X גורם החיתוך

דוגמא: עצמית באורך מוקד אמיתי של 50 מ"מ מורכבת על מצלמה עם חיישן בעל יחס חיתוך של 1.5: באופן מעשי נקבל זווית ראייה (צרה יותר) של עצמית באורך מוקד של 75 מ"מ. חשוב להבין שאין כאן אפקט Tele אלא הקטנת זווית הראייה בלבד!

השפעת גודל חיישן התמונה וגורם החיתוך (Crop Factor) על הצמצם המעשי:
הצמצם האמיתי X גורם החיתוך

דוגמא: צמצם אמיתי של 2.8 בעצמית המורכבת על מצלמה עם חיישן בעל יחס חיתוך של 1.5: באופן מעשי נקבל צמצם 4.2, ובהתאם כמות האור שתגיע לחיישן תהיה פחות מחצי מזו שהיתה מגיעה לחיישן FF.

ומה לגבי ISO?

השפעת  גורם החיתוך על ה-ISO האמיתי: ערך ISO אמיתי X גורם החיתוך בריבוע

דוגמא: ערך ISO ב-FF הוא 100. ערך ISO מעשי במצלמה עם גורם חיתוך של 1.5 = 225!

נבדוק דוגמא של מצלמה בעלת חיישן קטן בגודל 13.2X8.8 מ"מ, Sony RX10.
היצרן מציג את העצמית כבעלת אורך מוקד של 24-200 מ"מ אבל אלו הם אורכי המוקד שהיו אילו היה במצלמה חיישן FF. בפועל, העצמית היא בתחום אורכי המוקד האמיתיים 8-67 מ"מ, ורק לאחר הכפלה בגורם החיתוך 3 מתקבל התחום כפי שהוא מפורסם ע"י היצרן.

העצמית מפורסמת כבעלת צמצם מירבי של 2.8 על פני כל תחום אורכי המוקד, לכאורה, הישג אופטי יפה. אולם, בשקלול גורם החיתוך מדובר על צמצם 7.6, הרבה פחות מרשים…

ערך ISO100  הוא למעשה 900, ולכן כבר ב"100" ניתן להבחין ברעש ללא מאמץ…

מכאן קל להבין את איכות הצילומים המתקבלת מטלפונים סלולריים… בהם גורם החיתוך עובד שעות נוספות.

היתרון העיקרי של מצלמות עם חיישנים קטנים הוא הצורך בעצמיות קטנות, קלות וזולות יותר.
לאור כל הנ״ל, להחלטה על פורמט מסויים של חיישן תמונה יש השלכות משמעותיות לגבי העצמיות בהן נשתמש.

כושר הפרדה (Resolving Power) מודד את יכולתו של התקן הדמייה להפריד בין  נקודות בנושא הנמצאות במרחק זוויתי קצר זו מזו. כושר ההפרדה של ההתקן יהיה תוצר של כושר ההפרדה של העצמית במשולב עם כושר ההפרדה של חיישן התמונה שבמצלמה. תוצר זה יקבע מה יהיה כושר האבחנה של הדימוי הנוצר (Image Resolution). יש לזכור שכושר ההפרדה של העצמית מוגבל ע״י תופעת העקיפה (Diffraction) אליה התייחסתי בפוסט הקודם וכן ע״י סטיות (Abberations) של העצמית אליהן אתייחס בהמשך ואילו כושר ההפרדה של חיישן התמונה מוגבל ע״י מספר הפיקסלים שלו וכן ע״י רמת הרעש שהוא מייצר במהלך תהליך יצירת הדימוי הדיגיטלי. בכל מקרה ברור שצריכה להיות התאמה בין כושר ההפרדה של העצמית לכושר ההפרדה של חיישן התמונה אחרת הגורם בעל כושר ההפרדה הנמוך יותר יגביל את כושר האבחנה של הדימוי שיווצר.
כושר ההפרדה המירבי של מערכת הדמיה תלוי בכושר ההפרדה של סרט הצילום או חיישן התמונה האלקטרוני ושל העצמית, ומתקבל בקירוב טוב ע"י הנוסחה: כאשר:
S=כושר ההפרדה של המערכת (עצמית+חיישן)
F=כושר ההפרדה של  חיישן התמונה האלקטרוני
L=כושר ההפרדה של העדשה
כולם בזוגות קווים למ"מ (lp/mm)

מכאן נובע, כי שיפור באחד מן הגורמים אינו יעיל מאחר וישפיע באופן מזערי על התוצאה הכללית. רק כאשר כושר ההפרדה של העצמית והחיישן תואמים ניתן להתקרב לביצועים המירביים שלהם. נושא כושר ההפרדה הוא מסובך למדי מאחר ולא ניתן להפריד אותו מגורמים נוספים המשפיעים על ביצועי העצמית. לכן פותח מדד (MTF (Modulation Transfer Function אותו אסקור בחלקה השביעי והאחרון של סדרה זו וכן מדד האיכות לעצמיות של  DxOMark שגם הוא יסקר באותו הפוסט.

שני גורמים התורמים לכושר ההפרדה הם חדות (Sharpnness) ואקיוטנס (Acutance):

חדות קשורה לכושר ההפרדה של החיישן והעצמית. אקיוטנס משמעותה מהירות המעבר בין בהיר לכהה:

ראו את הדוגמא הבאה על מנת להבין את שני המושגים הללו והקשר בינהם:

מקור: Cambridgeincolour.com

חשוב להזכיר כי מעבר לכושר ההפרדה הנתון של העצמית והחיישן קיימים גורמים מעשיים נוספים שישפיעו על כושר האבחנה של הדימוי הסופי:
1. רעידות המצלמה בזמן החשיפה, כולל זו הנגרמת מפעולת המראה (במצלמות DSLR) והסגר
2. טעויות במיקוד, הן של מערכת המיקוד האוטומטי והן של הצלם בעת שימוש במיקוד ידני
3. שטח העדשה: בקצוות תמיד כושר האבחנה יהיה נמוך יותר מאשר במרכז
4. הצמצם: בצמצמים פתוחים תתקבל תוצאה פחות חדה שתלך ותשתפר עם סגירת הצמצם עד לצמצם בו מגבלת העקיפה מבטלת את תוספת החדות
5. ניגוד הנושא המצולם: נושא בניגוד גבוה יראה חד יותר מנושא בניגוד נמוך שצולם באותם התנאים
6. המרחק בין המצלמה לנושא וכמות האובך באויר: ככל שמרחק המצלמה מן הנושא עולה כושר האבחנה של הדימוי ירד, גם עקב ההקטנה וגם עקב נוכחות אובך, אבק, עשן ושאר חלקיקים באויר

מאמר מפורט מאד (לגיקים בלבד…) בנושא כושר הפרדה של עצמיות וחיישנים ניתן לקרוא כאן.

בפרק הבא בסדרה זו אדון בסטיות של עצמיות ובנושא הבוקה.

בפוסטים 36-37 כללתי מצגות עליהן התבססתי בהרצאה שנתתי בזמנו בביה״ס לצילום ״צילום בעם״. מאחר ולמצגות שכללתי בפוסטים הללו יש מספר מגבלות עבור אלו המעונינים ללמוד את החומר בעצמם חשבתי שיהיה זה נכון לכתוב סדרה של פוסטים מפורטים הרבה יותר וערוכים מחדש בנושא חשוב זה שהוא  רלוונטי תמיד. למרות שבפוסט הקודם, מס׳ 76 ,התייחסתי לאפשרות שבעתיד נחזור בכלל להשתמש במערך של ״עדשות נקב״ במקום בעדשות אופטיות, אני סבור שעדיין לפנינו מספר שנים בהן נמשיך להשתמש בעדשות אופטיות רגילות כך שרצוי מאד לכל צלם לדעת ולהכיר את המאפיינים של העדשות בהן הוא משתמש. אז קחו נשימה עמוקה, זו הולכת להיות סדרה ארוכה ומעמיקה למדי.

סדרת הפוסטים הזאת תקיף את הנושאים הבאים:

חלק א, פוסט מס׳ 77:
1.  מצלמת הנקב ואבי האופטיקה
2.  שרשרת ההדמייה: נקב לעומת עדשה
3.  אורך מוקד, זווית ראייה ופרספקטיבה

חלק ב, פוסט מס׳ 78:
4.  סוגי עדשות והתאמתן לצרכים שונים

חלק ג, פוסט מס׳ 79:
5.  השפעת הצמצם וגורמים אחרים על עומק השדה בצילום

חלק ד, פוסט מס׳ 80:
6.  הקשר בין גודל החיישן ,זווית הראיה, הצמצם וה-ISO
7.  כושר ההפרדה של עדשות והקשר שלו לכושר ההפרדה של חיישני תמונה

חלק ה, פוסט מס׳ 81:
8.  סטיות של עדשות: סטייה צבעונית וסטייה כדורית

חלק ו, פוסט מס׳ 82:
9. סטיות של עדשות: קומה, אסטיגמטיזם, עיקום השדה ועיוות
10. נפילת אור בקצוות
11. בוקה

חלק ז, פוסט מס׳ 83:
12. MTF, מדד DxOMark לאיכות של עצמיות
13. שיקולים בבחירת עצמיות
14. מספר מחשבות על עצמיות בכלל…

מעט היסטוריה: עקרון ה- Camera Obscura,  הלשכה האפלה, עליו מבוססות כל המצלמות הקיימות כיום היה ידוע כבר במאה החמישית לפני הספירה. מלומדים סינים גילו שהאור נע בקווים ישרים ויצרו דמות הפוכה בעזרת נקב שריכז את האור ושימש כ״עדשה״.

אולם לא היתה ידועה טכניקה המאפשרת קיבוע הדמות שנוצרה.

הראשון שהבין את האופטיקה של מצלמת הנקב היה Ibn Al Haithum  הידוע בשם Alhazen ונחשב כיום כ"אבי האופטיקה". הוא כתב במאה ה- 11 ספר בשם קיטאב אל מאנאזיר: כתבי האופטיקה. ספר זה, שנדחה ע"י העולם המערבי באותה עת הפך לטקסט המרכזי בתחום באירופה במשך כ- 400 שנה. אחד המכתשים על הירח נקרא על שמו כמו גם אחד האסטרואידים.  בעיראק בה נולד הונפק בתקופת סאדאם חוסיין שטר כסף הנושא את דיוקנו. פקחי האו"ם גילו גם מעבדת מחקר בתחום הנשק הכימי והביולוגי שנקראה על שמו…

בול דואר שהונפק בקאטאר לזכרו של Ebn Al Haitum הידוע גם כ- Alhazen

המילה Lens  מקורה בדמיון הפיסי שבין עדשה לעדשים (Lentiles). עדשות שימשו להדלקת אש וכזכוכית מגדלת כבר לפני כ- 2700 שנה במאה השביעית לפני הספירה באזור סוריה. האזכור הכתוב הקדום ביותר של עדשות מופיע במחזה של אריסטופנס משנת 421 לפנה"ס. שימוש המוני בעדשות החל ב-1286 כאשר  המשקפיים הומצאו, קרוב לוודאי באיטליה.

שרשרת ההדמייה, תהליך יצירת הדימוי:

התהליך כולל 8 גורמים ושלבים:
1. מקור האור: שמש, נורת להט, מבזק, LED וכו'
2. העצם, נושא הצילום: אדם, חפץ, פרח, נוף וכו'
3. איסוף האור החוזר מן העצם (או עובר דרכו) באמצעות נקב, עדשה ו/או מראה
4. גילוי האור באמצעות גלאי: סרט צילום או חיישן תמונה אלקטרוני
5. עיבוד התמונה: כימי, אופטי, אלקטרוני, אלקטרוני-דיגיטלי
6. אחסון: על סרט הצילום, אלקטרוני-אנאלוגי, דיגיטלי
7. העברה: באופן פיסי-ידני, אלקטרוני-אנאלוגי, דיגיטלי
8. תצוגה: הדפסה, הקרנה, צג המחשב/טבלט/סמארטפון

במצלמת נקב איסוף האור החוזר מן הנושא מתבצע ע״י הנקב: זוהי שרשרת הדמייה טיפוסית למצלמת נקב כאשר האור הנראה מוחזר מן הנושא, הנקב ממקד את האור מן הנושא על סרט הצילום הקולט את הפוטונים של האור. סרט זה מפותח בהמשך לצורך יצירת דימוי קבוע. למעשה, הנקב איננו אוסף אור אלא מסנן אור.

ללא אמצעי לאיסוף האור החוזר מן הנושא לא נוכל לקבל דימוי שלו.

תוספת נקב לשרשרת ההדמייה מספקת את הפתרון וכעת יש בידנו אמצעי לאיסוף האור ומיקודו על גבי סרט הצילום. אולם הדמות שנוצרה כהה… מה עושים?

אפשר להגדיל את קוטר הנקב כדי שיעביר יותר אור ואז יתקבל דימוי בהיר יותר, אולם הדימוי יהיה מטושטש יותר.

אפשרות טובה יותר תהיה להשתמש בעדשת זכוכית, המביאה את כל קרני האור מכל נקודה בנושא לנקודה אחת בדימוי.

ואם נוסיף זכוכית מט במישור בו מתקבל הדימוי נוכל אפילו לראות את הדימוי עוד לפני רישומו על סרט הצילום. תוספת צמצם לפני העדשה יאפשר לנו לשלוט בכמות האור שתחדור לסרט הצילום. מה קיבלנו? מצלמה! ומכאן המעבר למבנה מצלמה מודרנית הינו פשוט:

מהי עדשה?

עדשות קיימות במגוון צורות כאשר צורת העדשה קובעת את אופן שבירת האור. שני הסוגים העיקריים של עדשות הן עדשות קעורות, המפזרות את האור ועדשות קמורות, המרכזות את האור.

המאפיין המרכזי של עדשה הוא אורך המוקד שלה, המגדיר את המרחק ממנה בו יתמקד הדימוי הנוצר ע״י העדשה.

מעדשה לעצמית: עצמית היא אוסף של עדשות במארז אחד משולב באמצעים מכניים, חשמליים ואלקטרוניים המאפשרים (ברוב העצמיות המשמשות לצילום) תזוזה של העדשות השונות לצורך מיקוד ו/או שינוי אורך המוקד (בעצמיות  Zoom):

עצמית עשויה להיות קבועה (Fixed), כלומר מחוברת לגוף המצלמה באופן קבוע או מתחלפת (Interchangeable):

דוגמא למצלמה בעלת עצמית קבועה שאיננה ניתנת להחלפה: Sony RX1

דוגמא למצלמה שניתן להחליף לה עצמיות: Panasonic GF-1

עצמית עשויה להיות  בעלת אורך מוקד קבוע (Prime Lens) או משתנה (Zoom Lens):

עצמית Zoom בעלת אורך מוקד משתנה 14.5-60 מ״מ

אוסף של עצמיות בעלות אורך מוקד קבוע (Prime Lenses) באורכי מוקד של 20,25,35,50,85,135 מ״מ

מחלקים את העצמיות לשלוש קבוצות עיקריות בהתאם לאורך המוקד:

עצמיות נורמליות או סטנדרטיות הן אלו שאורך המוקד שלהן קרוב לאורכו של אלכסון החיישן. עצמיות רחבות הן אלו שאורך המוקד שלהן קצר יותר מאלכסון החיישן ואילו עצמיות טלפוטו הן אלו שאורך המוקד שלהן ארוך מאלכסון החיישן. אורך המוקד קובע את זווית הראייה של העצמית:

אורך המוקד קובע את זווית הראייה של העצמית ואת יחס ההגדלה, שהוא היחס בין גודל הנושא במציאות לבין גודל הדימוי על החיישן. יחס ההגדלה תלוי גם במרחק הנושא מן העצמית. להלן זווית הראייה של עצמיות באורכי מוקד שונים:

כך נראה אותו הנושא כאשר הוא מצולם במספר עצמיות באורכי מוקד שונים ומאותו המרחק:

והנה דוגמא נוספת:

  שימו נא לב לדוגמא הבאה, בה צולם פורטרט במספר עצמיות באורכי מוקד שונים. מרחק הצילום הותאם לאורך המוקד כך שגודל הפנים של המצולם נשאר כמעט קבוע ורק הרקע והיחס בינו לבין הנושא משתנים:

מקור: http://giphy.com

הקשר בין אורך המוקד, מרחק הנושא ומרחק הדימוי ניתן ע״י הנוסחאות הבאות:

כאשר f=אורך המוקד של העדשה, 0=מרחק הנושא, i=מרחק הדימוי. נוסחה זו ידועה כ״נוסחת לוטשי העדשות״.

פרספקטיבה (Perspective):

פרספקטיבה מתייחסת ליחס בין האלמנטים השונים בדימוי הצילומי: מיקום האלמנטים, גודלם והחלל בינהם. במילים אחרות, הפרספקטיבה הינה אחד האמצעים החשובים בעיצוב הקומפוזיציה של הצילום, ומראה לצופה כיצד אלמנטים תלת מימדיים במציאות מיוצגים על דימוי דו ממדי. הפרספקטיבה נוצרת ע״י העצמית באופן אוטומטי אולם על הצלם להבין את המשמעות החזותית של המופעים השונים של הפרספקטיבה. קיימים מספר סוגים של פרספקטיבה: ליניארית (השינוי בגודל האלמנטים בדימוי בהתאם לגודלם והזווית בה קווים ומישורים מתחברים), ריבועית (Rectilinear): קווים ישרים בנושא מתקבלים ישרים בדימוי: רוב העצמיות הינן כאלה. עצמיות פנורמיות ועצמיות רחבות מאד כמו ״עין הדג״ (Fish Eye) גורמות לקווים ישרים בנושא להופיע כמתעגלים בדימוי ואז מתקבלת פרספקטיבה מעוותת. פרספקטיבה של נקודת המגוז (Vanishing Point Perspective) מתייחסת לתופעה שבה קווים מקבילים נראים כאילו הם נפגשים בנקודת המגוז. כאשר קווים מקבילים, אופקיים או אנכיים ניצבים לציר האופטי של העצמית נקודת המגוז תהיה באין סוף. קווים אחרים, שהינם מקבילים לציר האופטי של העצמית וכן כל הקווים המקבילים בכל זווית לציר העצמית יפגשו בנקודת מגוז מוגדרת. וכך קווים שהינם מקבילים לציר העצמית או כמעט מקבילים לו יתחילו בחזית הדימוי ויפגשו בנקודת מגוז בתוך הדימוי או בנקודת מגוז מדומה הנמצאת מחוץ לדימוי. פרספקטיבה של גובה: המקום בו בסיסו של אלמנט ממוקם על הקרקע בדימוי נותן לנו רמז לגבי מרחקו מן המצלמה. ככל שאלמנט נראה ממוקם גבוה יותר על פני הקרקע כך הוא רחוק יותר מן המצלמה. פרספקטיבה חופפת  (או פרספקטיבה של עומק): כאשר אלמנטים בדימוי הינם באותו קו הראיה, האלמנטים הקרובים יותר למצלמה יחפפו ויסתירו חלקית אלמנטים רחוקים יותר. ע״י כך נוצרת אצל  הצופה תחושה לגבי העומק והמרחק היחסי בין האלמנטים בדימוי. פרספקטיבה של הגודל הקטן:  אנחנו יודעים לזהות ולהעריך את גודלם של עצמים שונים בתמונה ולכן אם שני בני אדם נראים בגובה שונה מאד בדימוי ברור לנו שהקטן יותר נמצא רחוק יותר מן המצלמה מאשר הגדול יותר. באותו אופן אנו מעריכים את המרחק והגודל של עצמים מוכרים אחרים, כמו לדוגמא מכונית ואנייה.

יש בידנו כיום כלים חישוביים לשינוי הפרספקטיבה בדימויים כדוגמת כלי ה-  Upright ב- Lightroom.

בפוסט הבא נמשיך את הדיון בסוגי עצמיות והתאמתן לצרכים שונים.

עדכון 18.11.16: סרטון מצויין הממחיש היטב את הגורמים המאפיינים עצמיות תמצאו כאן