81. על עדשות ועצמיות 2.0, חלק ה

81. על עדשות ועצמיות 2.0, חלק ה

בחלקה החמישי של סדרה זו אדון בשתי סטיות של עצמיות: סטייה צבעונית וסטייה כדורית.

עדשות מיוצרות מזכוכית אופטית (משני סוגים עיקריים: Crown Glass ו- Flint Glass) שעברה שורה של תהליכי יצור המבטיחים חופש מנוכחות פגמים (Stria) הפוגמים בניקיונה ובצבעה של הזכוכית.

סרטון מענין על עדשות ועצמיות תמצאו כאן

סדרה מענינת של שלושה סרטונים המתארים את תהליך הייצור של עדשות ועצמיות תמצאו כאן:
חלק א, חלק ב, חלק ג.

העדשה והעצמית האידיאליות היו מקרינות את דימוי הנושא על חיישן התמונה בדיוק כפי שהוא במציאות, כלומר כל קרן אור היתה מתכנסת בדיוק לאותה נקודה על מישור הדמות ליצירת דמות בהירה וישרה. אולם למרות כל המאמצים המושקעים על מנת להשיג את העצמית האידיאלית המושג הזה למעשה איננו קיים. כל עדשה וכל עצמית סובלת מסטיות מסויימות שאת חלקן אסקור בהמשך. בסופו של דבר ההבדל באיכות בין עצמיות שונות בא לידי ביטוי במידת החופש שלהן מסטיות. עצמית איכותית יותר (ויקרה יותר) תסבול מסטיות במידה נמוכה יותר מאשר עצמית פחות איכותית (וזולה יותר). פעמים רבות עצמיות איכותיות יותר תהיינה גם גדולות וכבדות יותר מאשר עצמיות פחות איכותיות. מעבר לאיכות האופטית, ישנה חשיבות גם לאיכות המכנית והאלקטרונית של העצמית: מכלולי המיקוד, הזום, הצמצם והייצוב וכן איכות הרכיבים האלקטרוניים והמגעים המשמשים לצורך תקשורת עם גוף המצלמה.

בחרתי להתייחס כאן לסטיות האופטיות הבאות ולאמצעים להפחתתן:

בפוסט זה, מס׳ 81:

  1. סטייה צבעונית Chromatic Aberration
  2. סטייה כדורית  Spheric Aberration

בפוסט מס׳ 82:

  1. קומה Coma
  2. אסטיגמטיזם Astigmatism
  3. עיקום השדה Curvature of Field
  4. עיוות Distortion

כמו כן אתייחס לנפילת אור בקצוות הדימוי (Vignetting) הנגרמת משלוש סיבות שונות וכן לבוקה (Bokeh) שהוא מראה האזורים שאינם בפוקוס.

סטייה צבעונית  Chromatic Aberration:

סטייה זו נגרמת כתוצאה מכך שלא כל אורכי הגל של האור הנראה בתחומים אדום, כחול וירוק מתמקדים באותה הנקודה על מישור הדמות (חיישן התמונה). התופעה מתרחשת גם על הציר האופטי של העצמית וגם מצידיו ובאה לידי ביטוי בטשטוש הדמות ע״י יצירת שוליים צבעוניים באזורים מסויימים בדמות.

הסטייה הכרומטית באה לידי ביטוי בשני אופנים שונים:

  1. סטייה כרומטית אורכית (Longitudinal Chromatic Aberration):  שגיאה במיקוד המתקבלת כאשר אור באורכי גל שונים מאותה נקודה בנושא נשברים ומתמקדים על פני מספר מישורים לאורך הציר האופטי של העדשה.
  2. סטייה כרומטית צידית (Lateral Chromatic Aberration) הינה שגיאה בהגדלה, הנוצרת כאשר אורכי גל שונים של אור המגיע מקצוות הנושא מתפזרים באופן שונה מן הצדדים הנגדיים של הצמצם.

CAB

השוואה בין שני הסוגים של הסטייה הכרומטית
מקור: http://www.handprint.com

הסטייה הכרומטית נחשבת כסטייה הבולטת ביותר של עדשות מבחינה חזותית וניסיונות לצמצם את השפעתה נעשו כבר משלב מוקדם. מאמצים אלו הביאו לפיתוח סוגי זכוכית אופטית חדשים כבר במאה ה- 19. כיום ניתן לצמצם את הבעיה ע"י שימוש בזכוכית אופטית מיוחדת מסוג ED) Extra Low Dispersion) או UD) Ultra Low Dispersion). עצמיות איכותיות מבוססות על אלמנטים מזכוכית ED או UD המוצמדים לאלמנטים הרגילים. פתרון זה גורם להעלאת משקל העצמית. עצמיות המתוקנות לסטייה הכרומטית נקראות עצמיות אפו-כרומטיות (Apo Chromatic).

chromatic

סטייה כרומטית בעדשה רגילה (משמאל) ובעדשה העשוייה מזכוכית ED (מימין)

Picture22
כך תראה דמות שצולמה בעצמית שאיננה מתוקנת לסטייה הכרומטית

Picture23
דמות ללא סטייה כרומטית (מימין) ועם סטייה כרומטית (משמאל)

בנוסף לשימוש באלמנטים מסוג ED או UD הוכנסו לאחרונה לשימוש גם אלמנטים אופטיים מסוג
(Phase Fresnel (PF (בעדשות Nikkor) או (Diffractive Optics (DO (בעדשות Canon). אלמנטים אופטיים מסוג זה מאפשרים הפחתה ניכרת בסטייה הכרומטית ע"י שימוש בתופעת העקיפה: כאשר אור פוגש מכשול הוא נוטה לעקוף  את המכשול  ע"י מעבר מסביבו או מאחוריו. כתוצאה מכך נוצר פיזור צבעוני (Chromatic Dispersion) בסדר הפוך לפיזור הצבעוני הנוצר בעת שאור נשבר. ע"י כך ניתן לבטל במידה ניכרת את הסטייה הכרומטית. טכנולוגיה זו מאפשרת הקטנת העדשות והפחתת משקלן באופן ניכר. עם זאת, השימוש באלמנטים אלו עשוי לגרום להופעת אובך בצורת טבעות צבעוניות כאשר אור חזק נכלל בתוך מסגרת הצילום או כאשר אור חזק מגיע לעדשה מחוץ למסגרת. ניתן לטפל בתופעה שלילית זו באמצעות עיבוד דיגיטלי בתוכנות העיבוד לקבצי RAW.
דוגמאות לעצמיות מסוג זה: AF-S NIKKOR 300mm f/4E PF ED VR
Canon EF 70–300mm f/4.5–5.6 DO IS USM

Picture24הדגמת הפעולה של עדשות מתוצרת Canon עם אלמנטים מסוג DO

טכנולוגיה חדשה נוספת לטיפול בסטייה הכרומטית היא BR, גם היא מבית Canon. בשיטה זו מכניסים אלמנט מיוחד העשוי מחומר אורגני המשנה במידה ניכרת את השבירה של אור כחול. עצמית חדשה ראשונה בה נכלל אלמנט כזה היא  Canon EF 35mm f/1/4L II USM.

SafariScreenSnapz013

שבירת האור הכחול בעדשה רגילה (משמאל) לעומת עדשת BR

SafariScreenSnapz014

השוואה בין מידת הסטייה הכרומטית בעדשה רגילה לעומת עדשה בה משולב אלמנט BR

בסרטון המציג את השיטה ניתן לצפות כאן.

למרות שכיום עומדים לרשותנו כלי תוכנה חזקים להסרת סטיה כרומטית עדיף שהדימוי האופטי המקורי יהיה נקי מסטייה זו ככל שניתן. זו הסיבה שיצרני העצמיות עדיין משקיעים לא מעט מאמצים בפיתוח טכנולוגיות חדשות לטיפול בסטייה זו.

סטייה כדורית Spheric Aberration:

סטייה כדורית באה לידי ביטוי כבעייה במיקוד הנגרמת כאשר קרני אור המקבילות לציר האופטי של העדשה מתמקדות במרחק שונה מאשר קרניים שאינן מקבילות לציר האופטי של העדשה. התופעה נגרמת מאחר ועצמיות בעלות שטח פנים כדורי (ספרי) אינן ממקדות את כל קרני האור בנקודה אחת, דבר היוצר טשטוש. תופעה זו, הנקראת סטייה ספרית, ניתנת לתיקון בעזרת עדשות שפני השטח שלהן א-ספריות, כלומר אינן עגולות. עדשות אלו  קשות יותר לייצור ולכן יקרות יותר.

Picture25עדשה ספרית (משמאל) לעומת עדשה א-ספרית (מימין)

תופעת לוואי מענינת לשימוש בעצמיות ספריות היא הסטת המיקוד (Focus Shift). התופעה באה לידי ביטוי בהסטת המיקוד עם סגירת הצמצם:

Microsoft PowerPointScreenSnapz003

בעדשה ספרית קרני האור המגיעות מקצוות העדשה מתמקדות באזור הקרוב יותר לעדשה (a) מאשר קרני אור המגיעות ממרכז העדשה (c). הנקודה b מהווה אזור של מיקוד מיטבי (Circle of Least Confusion). אולם, עם סגירת הצמצם יוסט המיקוד לנקודה d מאחר וקרני האור מקצוות העדשה לא יגיעו לחיישן. ולכן אם המיקוד בוצע בצמצם פתוח והצילום בצמצם סגור תהיה סטייה במיקוד והצילום לא יהיה חד במקום בו ציפינו לחדות מירבית. כלומר, התופעה גורמת להסטת מיקום המיקוד קדימה, למקום רחוק יותר מן המצלמה.

Picture27

שימו לב לשינוי במיקוד הדמות עקב הסטייה הספרית: במרכז המיקוד הוא בנקודת המיקוד המיטבית כפי שהוסבר בדוגמא הקודמת, מימין סטיה של 5+ מ"מ במרחק החיישן ומשמאל סטייה של 5- מ"מ במרחק החיישן.

השפעת הסטייה הספרית הינה מונוכרומטית לעומת האפקט הצבעוני (כרומטי) של הסטייה הכרומטית.

בפוסט הבא אדון במספר סטיות נוספות.

עדכון 9.9.16: סרטון וידאו קצר של Canon הממחיש את הסטיות העיקריות ואופן תיקונן

מודעות פרסומת

38. על עדשות ועצמיות, חלק ג

38. על עדשות ועצמיות, חלק ג

בפוסט זה נכלל חלק ג ואחרון של המצגת בה השתמשתי בהרצאתי ״על עדשות ועצמיות״ בביה״ס לצילום צילום בעם ב- 12.7.15.

הנושאים הנכללים בחלק זה:

9. סטיות של עדשות, תופעת העקיפה, בוקה

10. מדד DxO לאיכות של עצמיות

11. שיקולים בבחירת עצמיות

להורדת המצגת יש ללחוץ כאן: 32CLenses

21. פתרון חדש לטיפול בסטייה הכרומטית של עדשות?

21. פתרון חדש לטיפול בסטייה הכרומטית של עדשות?

בפוסט מס׳ 2 התייחסתי לשתי תופעות המאפיינות כל עצמית (להזכירכם: עצמית היא מה שנקרא בשפה יום יומית ״עדשה״ אבל בפועל מורכבת ממספר עדשות  יחד במארז אחד הכולל בד״כ גם את מערכת הצמצם): נפילת אור בקצוות ועקיפה. בעקבות מאמר שהתפרסם לאחרונה במגזין Science תחת השם הארוך Multiwavelength achromatic metasurfaces by dispersive phase compensation (לקריאת תקציר המאמר http://www.sciencemag.org/content/early/recent) ובאתר אוניברסיטת הארווארד (http://tinyurl.com/q2nxapw) חשבתי לנכון לכתוב פוסט על תופעת הסטייה הכרומטית (צבעונית) והפתרונות לה.

באופן עקרוני הספקטרום (טווח) של האור הנראה לעין האנושית (400-700nm) מחולק לשלושה חלקים עיקריים: אדום כחול וירוק. עדשות זכוכית רגילות ממקדות כל צבע בנקודה אחרת כאשר הכחול ממוקד לפני הירוק והאדום אחרי הירוק. עקב כך נוצרת דמות כפולה ולפעמים אף משולשת כפי שמוסבר במצגת הבאה: Chromatic Aberration 

במצגת מוצג הפתרון המקובל כיום לבעייית הסטייה הכרומטית: שימוש באלמנטים אופטיים העשויים מפלואוריט ולא מזכוכית רגילה. אלמנטים אלו נקראים ED:  Extra Low Dispersion או UD: Ultra Low Dispersion. כל יצרני העצמיות המובילים משתמשים בטכנולוגיה זו ובעיקר בעצמיות מסוג Tele Photo בעלות אורכי מוקד ארוכים בהן הבעיה חמורה במיוחד. אולם גם בעצמיות מסוג זה, הנקראות עצמיות אפוכרומטיות (Apo Chromatic)  או אכרומטיות (Achromatic) הבעיה לא נפתרת לחלוטין. נכון שיש כיום כלים מצויינים לפתרון הבעיה בשלב העיבוד הדיגיטלי של הצילום ב-Lightroom או ב-Photoshop, אבל אילו יכולנו לקבל דימויים נקיים מסטייה כרומטית אני מניח שלא היינו מתלוננים. בנקודה זו חשוב לציין כי לא רק לעצמיות המורכבות על המצלמות סטיות כרומטיות אלא גם לעדשות הזעירות (Micro Lenses) המורכבות על כל פיקסל שבחיישני התמונה האלקטרוניים במטרה לרכז את קרני האור לתוך הפוטודיודה (החלק הרגיש לאור) של כל פיקסל. במצגת מתואר גם פתרון חדשני שנמצא כבר בשימוש במספר עצמיות מתוצרת Nikon ו-  Canon המתבסס על ניצול חיובי של תופעת העקיפה (Multi Layer Diffractive Optical Element).

לצפייה בסרטון של Canon המסביר את תופעת הסטייה הכרומטית:

http://tinyurl.com/kh5e2vt

להסבר על טכנולוגיית Phase Fresnel של Nikon:

http://tinyurl.com/p8ozgqy

טכנולוגיות אלו נמצאות כבר בשימוש ומספקות תיקון מרשים לסטייה הכרומטית ולמרות זאת הפתרון האולטימטיבי לבעייה טרם נמצא. כאן נכנסים לתמונה קבוצת המדענים מאוניברסיטת הארווארד בארה״ב שכבר בשנת 2012 היציגו הצעה לפתרון חדשני לבעיית הסטייה הכרומטית ולאחרונה, לאחר שינוי חשוב בכיוון המחקר שלהם היציגו פתרון מענין המאפשר לייצר עדשות שטוחות ונקיות מסטייה כרומטית. לרעיון זה השלכות מרובות על תעשיית האופטיקה שהתבססה עד כה על שבירה של האור באמצעות אלמנטים אופטיים קמורים וקעורים.

הרעיון מתבסס על אלמנטים דקים מאד, שטוחים לחלוטין העשויים מזכוכית ועליהם מעין ״אנטנות״ בגודל ננומטרי מסיליקון המסוגלות לרכז אור. האור העובר דרך אלמנט כזה מתכופף באופן מידי ולא בהדרגה בהתאם לקימור של אלמנט אופטי רגיל. מידת הכיפוף ניתנת לתכנון מראש באופן מדוייק ביותר באמצעות אלגוריתם כך שיתאים כמעט לכל צורך.

אם וכאשר  הטכנולוגיה תבשיל, אחת ההשלכות המעשיות תהיה האפשרות לייצר עצמיות מורכבות באורכי מוקד ארוכים המורכבות מאלמנטים שטוחים, דקים וקלים, ללא סטייה כרומטית ובמחיר נמוך בהרבה מן המקובל כיום. יש למה לצפות!

diagram2

צילום ואילוסטרציה:

Patrice Genevet, Federico Capasso, and Francesco Aieta, Harvard SEAS

תמונה ראשית: http://www.dpreview.com