79. על עדשות ועצמיות 2.0, חלק ג

79. על עדשות ועצמיות 2.0, חלק ג

השפעת הצמצם וגורמים נוספים על עומק השדה בצילום:

בעצמיות מודרניות הצמצם הינו התקן אלקטרו-מכני הנמצא בתוך מכלול העצמית ותפקידו לקבוע את כמות האור שתעבור דרך העצמית בזמן החשיפה (הנקבע בנפרד ע״י מהירות הסגר). בעצמיות ישנות הצמצם הינו התקן מכני ידני.

Picture13

ככל שהצמצם פתוח יותר (מספר צמצם נמוך) יחדור יותר אור לעצמית במהלך החשיפה ולהפך

מספרי הצמצם, הידועים כמספרי f הינם המנה המתקבלת מחלוקת אורך המוקד של העצמית בקוטר העצמית. מספרים אלו הינם אוניברסליים ומשמעותם זהה בכל עצמית שהיא: סגירת הצמצם בתחנת צמצם אחת (סטופ) מפחיתה את כמות האור לחצי מן הכמות שעברה בתחנה הקודמת לה. (בהסתייגות אחת: נפילת האור בתוך העצמית איננה מובאת בחשבון במספר הצמצם. לצורך כך פותחו מספרי ה-T שהם מספרי צמצם מוכפלים בגורם ההעברה של העצמית. מספרי T מקובלים בעצמיות המשמשות לקולנוע וטלוויזיה, שם חשוב לשמור על רמת חשיפה זהה בין עצמיות שונות). בד״כ, מספר הצמצם הנמוך ביותר (פתוח) של העצמית מקובל כגורם איכות המאפשר צילום ומיקוד אוטומטי בתנאי תאורה ירודים. עם זאת, באופן כללי ניתן לומר כי בצמצם הפתוח ביותר של כל עצמית הדימוי הנוצר יהיה פחות חד (בעיקר בקצוות המסגרת) ויותר רך (פחות ניגודי) מאשר בצמצמים סגורים יותר. כל הסטיות האופטיות של העצמית (בהן אדון בפוסט נפרד) משפיעות יותר בצמצם פתוח. עצמיות בעלות מפתח צמצם מירבי גבוה הינן גדולות, כבדות ויקרות יותר מאשר עצמיות מקבילות בעלות מפתח צמצם מירבי קטן יותר.

Slide50

Slide51

Slide52

מעבר לשליטה בכמות האור העוברת דרך העצמית במהלך החשיפה הצמצם משפיע על גורם מרכזי בצילום הידוע כעומק שדה (Depth of Field) . עומק שדה הוא מושג בצילום ובאופטיקה המציין את תחום המרחקים סביב מרחק המוקד של מערכת אופטית בו תתקבל תמונה חדה של העצם המדומה. למושג זה חשיבות רבה בתחום הצילום משום  שלבחירה  בעומק השדה עשוייה להיות  משמעות  חזותית בהדגישה פרטים אחדים וטשטושם של אחרים. ככל שמספר הצמצם גבוה יותר (סגור יותר) עומק השדה עולה (עד גבול  העקיפה, ראה בהמשך). ככל שמספר הצמצם נמוך יותר (פתוח יותר) עומק השדה יורד.

Picture14

עומק שדה גדול (ימין) לעומת עומק שדה קטן (שמאל)

Slide57

בנוסף למספר הצמצם עצמו, עומק השדה תלוי גם בגורמים הבאים:
המרחק בין המצלמה לנושא: ככל שהמרחק גדול יותר עומק השדה גדול יותר
אורך המוקד של העצמית: ככל שאורך המוקד עולה עומק השדה יורד
גודל חיישן התמונה: ככל שהחיישן גדול יותר עומק השדה יורד
יחס ההגדלה: ככל שיחס ההגדלה עולה, עומק השדה יורד

Slide59

Slide60

Slide61

Slide62

Slide63

Slide65Slide66

את המרחק ההיפרפוקלי ניתן לחשב באמצעות הנוסחה הבאה:

SafariScreenSnapz012

לגבי קוטר מעגל הטשטוש Circle of confusion ראו בהמשך.

לצפיה בסרטון בנושא המרחק ההיפרפוקלי לחצו כאן.

מאמר מקיף על השימוש במרחק ההיפרפוקלי ניתן לקרוא כאן.

גורם נוסף הקשור לתחושת החדות הנגרמת מעומק השדה בצילום הוא קוטר מעגל הטשטוש Circle of Confusion. הכוונה לגודלה של נקודה הנתפשת כחדה לעומת נקודה שאיננה נתפשת ככזו. באזורים הנתפשים כחדים גודל הנקודה קטן יותר מאשר באזורים שאינם נתפשים כחדים. קוטר מעגל הטשטוש קשור לכושר ההפרדה המירבי של העין. בד״כ מקובל להגדיר את קוטר מעגל הטשטוש כ- 1/1500 מאלכסון הפורמט. לדוגמא, בפורמט 24X36 מ״מ (Full Frame) אורך האלכסון הוא 43 מ״מ ולכן קוטר מעגל הטשטוש הוא 0.029 מ״מ. לפניכם טבלה המסכמת את קוטר מעגל הטשטוש לפורמטים השונים:

SafariScreenSnapz010

מקור: Wikipedia

Picture20

השפעת קוטר מעגל הטשטוש על תפישת החדות

SafariScreenSnapz011

הקשר בין עומק השדה לקוטר מעגל הטשטוש. מקור: http://www.limephoto.co.za

עקיפה (Diffraction): זוהי תופעה פיסיקלית אוניברסלית הבאה לידי ביטוי גם באור כאשר הוא עובר דרך מפתח קטן. תופעת העקיפה אינה יחודית לצילום דיגיטלי אלא מהווה הפרעה אופטית אוניברסלית הקשורה לצמצם ולאורך הגל של האור. בצילום דיגיטלי מתקשרת התופעה גם לגודל הפיקסל. העקיפה פוגעת ברזולוציית הדמות. מאחר וצלמים בד"כ נוטים להשתמש בצמצמים סגורים על מנת לקבל עומק שדה רב, בצמצם מסוים ריכוך התמונה כתוצאה מן העקיפה יבטל את תוספת החדות שמקורה בעומק שדה גדול יותר. כאשר תופעה זו מתרחשת האופטיקה בה אנו משתמשים היגיעה לנקודה בה היא מוגבלת ע"י העקיפה. הבנת התופעה ומציאת הצמצם בו היא מתחילה להשפיע חשובה על מנת לשפר את איכות הצילום ולמנוע חשיפות  ארוכות מיותרות בצמצמים סגורים מדי או שימוש ב- ISO  גבוה מדי ללא צורך אמיתי. לפניכם מספר דוגמאות:

Picture15

קטע (זום 100%) מצילום שצולם בצמצם 8. צילום: גבי גולן

Slide70

אותו הצילום בצמצם 22. שימו לב לריכוך ואיבוד החדות יחסית לצילום הקודם. צילום: גבי גולן

Picture17

צילום זה צולם בצמצם 2.8
צילום: סטודנטים בחוג לתקשורת צילומית במכללה האקדמית הדסה ירושלים

Slide72

קטעים מאותו הצילום, כל קטע צולם בצמצם אחר. שימו לב לשינויים בחדות עם שינוי הצמצם

מבחינה פיסיקלית, מידת העקיפה תלויה אך ורק באורך גל של האור ובצמצם. העקיפה קיימת בפועל כבר בצמצמים פתוחים אולם היא איננה מורגשת. ככל שקוטר הצמצם קטן (מספר צמצם גבוה יותר) העקיפה עולה והשפעתה נראית כריכוך הדימוי. יש קשר בין גודל הפיקסל למידת ההשפעה של העקיפה: ככל שהפיקסל קטן יותר העקיפה תהיה מורגשת כבר בצמצם פתוח יותר. לכן, במצלמות בעלות חיישנים קטנים עם פיקסלים קטנים השפעת העקיפה מורגשת כבר בצמצמים פתוחים יחסית כמו 4-5.6.

מבלי להיכנס להסברים פיסיקליים מסובכים, הנה לפניכם טבלה המציגה את גודל נקודת האור (נמדד במיקרונים, אותה יחידת מידה בה נמדד גם גודל הפיקסלים בחיישן) לכל צמצם:

airy

אם ידוע לכם גודל הפיקסל במצלמה שלכם (ניתן למצוא את הנתון באתר היצרן ובאתרים כדוגמת dpreview.com) תוכלו למצוא מיד מהו הצמצם המירבי בו תוכלו להשתמש לפני שתופעת העקיפה תהיה מורגשת: לדוגמא, בצמצם 8 קוטר נקודת האור הוא 5.37 מיקרון, כלומר זהו בקירוב טוב הצמצם המירבי שניתן להשתמש בו במצלמה עם חיישן בעל פיקסלים בגודל של כ- 5.5 מיקרון לפני שהעקיפה משפיעה באופן בעייתי.

Picture18

בדוגמא זו אנו רואים כיצד נקודת אור הולכת וגדלה ככל שהעקיפה עולה עם סגירת הצמצם. כאשר גודל הנקודה חורג מגבולות הפיקסל (כל ריבוע קטן מייצג פיקסל אחד) מתקבל הריכוך האפייני לעקיפה. במקרה זה מדובר בפיקסל גדול יחסית בגודל 5.5 מיקרון, והעקיפה נשלטת עד לצמצם 8-11 מעבר לכך, גודל הנקודה חורג כבר מגבולות הפיקסל והעקיפה תהיה מורגשת יותר ויותר ככל שמפתח הצמצם יקטן. המסקנה: על כל צלם להכיר את מגבלת העקיפה של המצלמה שלו. חשוב להבין שהעקיפה איננה קשורה בשום אופן לאיכות העצמית.

הדרך המעשית הפשוטה ביותר למצוא את מגבלת העקיפה היא להציב את המצלמה על חצובה, למקד באופן ידני ולא לשנות את המיקוד בכל סדרת החשיפות, שיבוצעו בכל הצמצמים מן הפתוח ביותר ועד הסגור ביותר, כאשר רק זמן החשיפה ישתנה בהתאם לשינוי הצמצם. מומלץ להשתמש גם בשלט רחוק כדי להפעיל את המצלמה. השוו את התוצאות ותגלו מיד מהו הצמצם בו מתחילה מגבלת העקיפה של המצלמה שלכם.

מאמר מקיף בנושא העקיפה תוכלו לקרוא כאן.

בפרק הבא בסדרה זו אדון בקשר בין גודל החיישן ,זווית הראיה, הצמצם וה-ISO
וכן בכושר ההפרדה של עצמיות והקשר שלו לכושר ההפרדה של חיישני תמונה.

37. על עדשות ועצמיות, חלק ב

37. על עדשות ועצמיות, חלק ב

פוסט זה כולל את חלקה השני של המצגת בה השתמשתי בהרצאה ״על עדשות ועצמיות״

בביה״ס לצילום צילום בעם ביום א 12.7.15.

הנושאים הנסקרים בחלק ב:

7. הצמצם ועומק השדה

8. תופעת העקיפה

9. כושר ההפרדה של עצמיות ושל חיישני תמונה

לצפייה במצגת לחצו כאן: 32BLenses

4. פעולת הסגר והמראה במצלמות DSLR

4. פעולת הסגר והמראה במצלמות DSLR
מבנה מצלמת רפלקס דיגיטלית DSLR

בעקבות סרטון מענין שנתקלתי בו  חשבתי שיהיה מעניין להעלות פוסט בענין אופן פעולתו של הסגר במצלמות DSLR (וגם במצלמות סרט SLR).

צפו בסרטון, שהינו משעשע ומחכים כאחד. על מנת ללמוד עוד על אופן פעולת הסגר קראו את ההמשך.

הסגר (Shutter) הוא ההתקן שמאפשר חשיפת חיישן התמונה לאור לזמן קצוב. בעברית יש המכנים אותו גם בשם תריס. זהו וילון העשוי מדפי מתכת דקיקים אך חזקים מאד המסתיר את חיישן התמונה וחושף אותו לאור רק בזמן החשיפה, בהתאם לזמן החשיפה שקבע הצלם או מערכת החשיפה האוטומטית של המצלמה. במצלמות DSLR מותקן סגר הנקרא סגר משטח המוקד (Focal Plane Shutter) מאחר והוא צמוד למישור המוקד (פני חיישן התמונה) עליו מתמקדות קרני האור המגיעות מן העדשה. יש סוגים נוספים של סגרים בהם נדון בהזדמנות אחרת.

לפני הסגר נמצאת מראה המאפשרת העברת הדימוי שמקרינה העדשה אל המחפש (View Finder). בזמן החשיפה המראה מתרוממת כדי שלא תסתיר את חיישן התמונה, הסגר נפתח לזמן קצוב, החיישן נחשף ובתום החשיפה הסגר נסגר, המראה יורדת חזרה וחוזר חלילה. בזמן החשיפה המחפש מוחשך מאחר והמראה חוסמת אותו. במצלמות מסוג Mirrorless אין כמובן מראה אולם אופן פעולת הסגר זהה למצלמות  DSLR.

בסרטון הנ״ל השתמשו במצלמה מהירה מאד הנקראת Phantom המיועדת לתעוד תופעות מהירות מאד באמצעות קצב צילום גבוה המפרק את ההתרחשות להרבה מאד מסגרות. צילום וידאו רגיל מפרק התרחשות לכ- 30 מסגרות לשניה, צילום מהיר במצלמת High Speed מאפשר לפרק את ההתרחשות לעשרות ומאות אלפי מסגרות בשנייה. הקרנת הוידאו שנוצר בקצב איטי מאפשר מעקב מענין מאד אחרי ההתרחשות המהירה שבזמן התרחשותה הקצרצר אין לנו אפשרות לעקוב אחריה בזמן אמיתי (Real Time).

שימו לב לא רק לעלייתה וירידתה של המראה אלא לאופן פעולתו של הסגר: הוא בנוי למעשה ממספר ״וילונות״ העוקבים בתנועתם זה אחר זה. גודל המרווח בין הוילונות תלוי בזמן החשיפה: ככל שזמן החשיפה קצר יותר המרחק בין הוילונות העוקבים קצר יותר כלומר החריץ דרכו חודר האור לחיישן התמונה צר יותר. החשיפה מתחילה בחלק העליון של החיישן ומסתיימת בחלקו התחתון, כך שיש הפרש זמן מסויים, גם אם קצר מאד, בין מועד יצירת החלק העליון והתחתון של כל צילום. במהירות הסגר בצילום וידאו נדון בפעם אחרת.

מהירות סגר גבוהה (קצרה)  מאפשרת להקפיא תנועה ואילו מהירות סגר נמוכה (ארוכה) מאפשרת לטשטש תנועה. טכניקות רבות בשפה הצילומית מבוססות על שימוש נכון ויעיל במהירות הסגר לא רק כדי לקבל חשיפה נכונה אלא כדי להמחיש תנועה בצילום סטילס. יש לזכור כי סה״כ כמות האור שתגיע לחיישן התמונה תלויה גם בצמצם הקובע למעשה את כמות האור שתעבור דרך הסגר במהלך החשיפה. כך שלמעשה החשיפה מושפעת תמיד מארבעה גורמים: עוצמת האור המוחזרת מן הנושא, המהירות הצילומית (רגישות) של המצלמה ב- ISO, הצמצם ומהירות הסגר.

למהירות הסגר בה נבחר חשיבות רבה גם בעת שימוש במבזק אלקטרוני, נושא איליו אתייחס בפוסט נוסף.

צילום המשאית והשבשבת: Wikipedia, איור האדם הרץ: mrshutchison.wordpress.com

איור סגר מישור המוקד: www.exclusivearchitecture.com

איור מצלמה:  en.academic.ru

2. מבט על עדשות: נפילת אור בקצוות המסגרת ועקיפה

בפוסט זה אתייחס לשתי תופעות מטרידות בהן צלמים נתקלים מידי יום: נפילת אור בקצוות המסגרת (Vignetting) ועקיפה (Diffraction). התופעה הראשונה נובעת ממספר סיבות כפי שאסביר בהמשך אולם קל מאד למנוע אותה מראש ולטפל בה לאחר הצילום. התופעה השנייה, עקיפה, כמעט שלא ניתנת לטיפול לאחר הצילום אולם ניתנת למניעה מראש אם מבינים את הגורמים לה וכיצד גורמים אלו באים לידי ביטוי במצלמה האישית של כל אחד מאיתנו.

במקרים מסויימים ניתן לזהות נפילת אור בקצוות המסגרת  כבר בזמן הצפייה במחפש לפני הצילום. ניתן גם לזהות תופעה זו בקלות בעת הצפייה בצילומים על צג המצלמה.

לעומת זאת, את השפעותיה השליליות של העקיפה נגלה בד״כ רק בעת העיבוד של הקבצים ע״י המחשב בעת צפייה בהגדלה.

קיימים שלושה סוגי Vignetting:

א. נפילת אור פיסית-מכנית: אור החוזר מחפץ הנמצא בקצוות האזור המצולם נחסם בחלקו ע"י אביזרים המורכבים על העצמית, כמו מגן שמש לא מתאים, מסננים או אלמנטים פנימיים בתוך העצמית שיעודם הגבלת הסטייה הכרומטית ו- Flare. אם הגורם הוא חיצוני סגירת הצמצם רק תחמיר את הבעיה.

נפילת אור פיסית מכנית

ב. נפילת אור אופטית: נוצרת ע"י העצמית. סוג זה הוא הנפוץ והמטריד ביותר מאחר והרבה יותר קל  לראותו על צג המצלמה מאשר  על נגטיב. למעשה כל עצמית מעבירה יותר אור במרכז מאשר בקצוות ובעיקר בצמצמים פתוחים. עצמיות רחבות זוית יוצרות נפילת אור בקצוות מודגשת יותר מאשר עצמיות ארוכות מוקד. סגירת הצמצם תצמצם את הבעיה (סגירתו מעבר לנקודת העקיפה תפגע בחדות).

נפילת אור אופטית
נפילת אור אופטית כתלות בצמצם

נפילת אור אופטית ניתנת לתיקון פשוט בתוכנות לעיבוד תמונה כדוגמת LR ו- Photoshop. בתוכנות אלו מובנים פרופילים של עדשות רבות המאפשרים (בין היתר) תיקון של נפילת האור האפטית האפיינית לכל עדשה בכל צמצם:

נפילת אור אופטית לפני תיקון

נפילת אור אופטית לאחר התיקון

ג. נפילת אור בפיקסל: מופיעה רק במצלמות דיגיטליות והינה תוצאה של העומק של הפיקסל. אור הפוגע בפיקסל בזווית שטוחה מתפזר חלקית ואינו נקלט במלואו ע"י הפיקסל. התופעה חמורה יותר בשימוש בעצמיות רחבות זוית ובצמצמים פתוחים. התופעה פחותה בחיישנים בהם יש עדשות זעירות מעל הפיקסלים.

מימין: קרני האור פוגעות בדופן הפיקסל, חלק מן האור אובד. משמאל: כל האור מגיע לפיקסל

נעבור לתופעת העקיפה, שלה הסבר פיסיקלי מעט מורכב אולם שווה להתאמץ ולהבין אותה מאחר ולאי הבנתה עשויה להיות השפעה שלילית ניכרת על האיכות הטכנית  של הצילומים של כולנו. תמיד מדהים אותי לגלות מחדש עד כמה המודעות לתופעה זו כמעט ואיננה קיימת אצל צלמים רבים. לאחר הקריאה, אני ממליץ מאד לכל מי שטרם בדק את הענין לבצע בדיקה פשוטה במצלמה שלו: הציבו את המצלמה על חצובה, בחרו נושא כל שהוא בעל פרטים מרובים, בצעו מיקוד ידני (חשוב!) על נקודה כל שהיא במרחב הנושא ובצעו סדרת חשיפות בצמצמים משתנים למן הצמצם הפתוח ביותר ועד הסגור ביותר (אין חשיבות לסוג העדשה בה תשתמשו לבדיקה). התאימו את מהירות הסגר הדרושה לכל צמצם כדי לשמור על חשיפה קבועה. לאחר הצילום השוו את הצילומים זה לזה ותבינו מיד היכן נכנסת העקיפה לפעולה. מאחר ולעקיפה יש קשר לגודל הפיקסל בחיישן התמונה שבמצלמה שלכם תוצאות הבדיקה רלבנטיות למצלמה זו בלבד. אם ברשותכם מצלמות נוספות מומלץ לבצע את הבדיקה בכולן באופן דומה. בהצלחה וצילום נעים!

תופעת העקיפה אינה יחודית לצילום דיגיטלי אלא מהוה הפרעה אופטית אוניברסלית
הקשורה לצמצם ולאורך הגל של האור. בצילום דיגיטלי מתקשרת התופעה גם לגודל
הפיקסל. מן ההיבט החזותי, העקיפה פוגעת ברזולוציית הדמות.

מאחר וצלמים בד"כ נוטים להשתמש  בצמצמים סגורים על מנת לקבל עומק שדה רב בצמצם מסוים ריכוך התמונה כתוצאה  מן העקיפה יבטל את תוספת החדות שמקורה בעומק שדה גדול יותר.  כאשר תופעה זו מתרחשת האופטיקה בה אנו משתמשים היגיעה  לנקודה בה היא מוגבלת ע"י העקיפה.

הבנת התופעה ומציאת הצמצם בו היא מתחילה להשפיע חשובה על מנת לשפר את איכות הצילום ולמנוע חשיפות  ארוכות מיותרות בצמצמים סגורים מדי או שימוש ב-ISO  גבוה מדי ללא צורך אמיתי.

קרני אור מקבילות העוברות דרך חריר קטן מתחילות לסטות ולפעול זו על זו  (Interference). תופעה זו מחמירה ככל שקוטר החריר קטן ביחס לאורך הגל של האור העובר דרכו, אולם באופן כללי התופעה קיימת במידת מה בכל קוטר חריר בשילוב עם מקור אור ממוקד.

מהלך קרני האור בצמצם גדול (פתוח, משמאל) ובצמצם קטן (סגור, מימין)

מאחר וקרני האור המוסטות כעת נעות למרחקים שונים, חלק מהן מאבד את הסינכרון עם האחרות יוצא מפאזה (Out of Phase) ומתאבך (Interfere) עם האחרות. כתוצאה מכך עוצמת האור עולה באזורים מסוימים ונחלשת או אף מתבטלת לחלוטין באזורים אחרים.

ההתאבכות יוצרת דפוס עקיפה בעל עצמת אור מירבית במקום שהמשרעות (Amplitudes) של גלי האור מתחברות ועצמת אור חלשה יותר במקום בו הן מתחסרות, עד מצב של העדר אור במקום בו המשרעות מבטלות זו את זו לחלוטין (המשרעת Amplitude או "גובה" הגל קובעת את בהירות האור). אם היינו מודדים את עוצמות האור המתקבלות התוצאה היתה נראית כך:

צילום בצמצם 8, מראה כללי
צילום בצמצם 8, הגדלה ל- 100%
צילום בצמצם 22, הגדלה ל- 100%
השפעת הצמצם על העקיפה, צמצמים 5.6-45
צילום בצמצם 2.8, מראה כללי
קטע מאותו הצילום בהגדלה 100%, בצמצמים 2.8-32

למרות שהעקיפה תלויה בקוטר הצמצם (וגם באורך הגל של האור), יש לה השפעה שונה בהתאם לגודל הפיקסל, כפי שניתן לראות באיור הבא:

בחיישני תמונה בעלי פיקסלים קטנים השפעת העקיפה תהיה מורגשת יותר מאשר בחיישנים בעלי פיקסלים גדולים יותר

ולסיום:

האם גודלה של דיסקת איירי (כתם או עיגול האור הממוקד ביותר, ולכן הקטן ביותר, המתקבל על ידי עדשה אידיאלית) תלוי באורך המוקד של העצמית? הגודל הפיסי של הצמצמים בעצמיות ארוכות מוקד גדול יותר מאשר בעצמיות קצרות יותר ולמרות זאת התשובה לשאלה הנ"ל שלילית! ההסבר נעוץ בעובדה שהמרחק בין הצמצם למישור המוקד עולה גם הוא ככל שאורך המוקד עולה, וכך דיסקת איירי מתפזרת על פני מרחק גדול יותר. כתוצאה מכך שני האפקטים (הגודל הפיסי של הצמצם והשפעת אורך המוקד) מבטלים זה את זה ולכן גודלה של דיסקת איירי תלוי רק במספר הצמצם, המתאר את היחס בין אורך המוקד של העצמית לבין הקוטר הפיסי של הצמצם, ובאורך הגל של האור.