В предыдущих статьях мы рассмотрели модели пинхола и камеры с тонкой линзой. Про пинхол мы рассказали, что его применение ограничено. Но что насчёт тонкой линзы? Можно ли вставить в коробку увеличительное стекло вместо того, чтобы отдавать немалые деньги тем самым неопрятным капиталистам в цилиндрах, которых нам рисовали в начале прошлого века?
Всегда можно попробовать, как минимум это должно быть интересно, но хорошего качества изображения мы наверняка не получим. Причина в том, что модель тонкой линзы не очень точно описывает наш мир. Она не учитывает, собственно, толщину линзы и эффекты, происходящие в ней, волновую природу света и некоторые тонкие моменты, касающиеся самой камеры.
Аберрации #
Disclaimer: я об этом знаю мало и плохо, но вам обязательно расскажу.
Аберрации — это, грубо говоря, недостатки оптической системы, которые отклоняют её от целевой модели. В нашем случае от тонкой линзы, где мы могли бы обходиться простой лучевой геометрией и формулами.
Коротко пробежимся по некоторым из них, чтобы иметь представление о проблеме. Тема сложная и объёмная, для погружения лучше изучать каждый вид отдельно, как минимум начиная со статьи на Википедии.
Сферическая аберрация #
Сферические аберрации возникают из-за того, что толщина стекла возле центра больше, чем по краям линзы. После входа в среду лучи преломляются, проходят среду и только после этого преломляются ещё раз, получая целевой угол.
На рисунке A изображена модель тонкой линзы. Вместо неё самой нарисовали линию, чтобы подчеркнуть, что преломление лучей происходит в центральной плоскости. На рисунке B показана толстая двояковыпуклая линза. Лучи проходят внутри стекла под “неправильным” углом, причём в разных частях линзы будет и разный угол, и разное расстояние, которое луч прошёл. На C передняя поверхность линзы плоская, поэтому лучи, параллельные оптической оси, на ней не преломились, но на задней поверхности они выходят на разном расстоянии от центра.
В результате сферической аберрации фокус “плавает” в зависимости от части линзы, через которую прошли лучи.
Чтобы уменьшить эффект, можно подбирать форму линзы, обеспечивающую наименьший такой эффект при соблюдении остальных требуемых качеств, выбирать материал с малым показателем преломления, диафрагмировать линзу (закрывать части, далёкие от центра; естественно, что при этом уменьшится пропускаемый поток света).
Дисторсия #
Общим словом “дисторсия” называют искажения, которые меняют гномоническую проекцию сцены, то есть превращают прямоугольник во что-то непрямоугольное. Наиболее популярны для рассмотрения два вида дисторсии: радиальная и тангенсальная.
Радиальная дисторсия — это сжатие/расширение изображения, зависящее от радиуса, то есть от удаления от оптического центра. На фотографии она делает прямые линии искривлёнными, причём чем дальше от центра, тем хуже (если оптическая ось проходит через центр фотоматериала). Самыми распространёнными подтипами бывают, как их называют в англоязычной литературе, “бочка” и “подушечка для булавок”. Первая заключается в искривлении от центра наружу, вторая — от краёв внутрь.
Тангенсальная дисторсия имеет гораздо более сложную форму и связана с наклоном фотоматериала относительно оптической оси. Считается, что при более-менее нормальном производстве объективов она должна быть очень небольшой и незаметной глазу. Утрированно же она выглядит как загибы уголков сетки и другие сложные, несимметричные искажения.
И радиальная, и тангенсальная дисторсии могут исправляться программно. Для этого чаще всего используется модель Брауна-Конради, которая есть, например, в библиотеке OpenCV. Есть также более совершенная модель, но она не так популярна, потому что первая достаточна для большинства случаев. Какой бы алгоритм ни был выбран, сначала нужно оценить параметры модели, а затем применять её. Если Вам нужно визуально немного улучшить дисторсию, то софт навроде Adobe Lightroom, Darktable и т.д. может уже иметь какую-то базу данных с параметрами для популярных моделей объективов. Также, камера обычно создаёт JPEG с уже исправленной дисторсией, что наводит на мысль, что параметры могут быть извлечены из самого объектива.
Если же Вам требуется очень точно исправлять искажения, например при работе с оптическими метрологическими устройствами, то её придётся оценивать индивидуально для конкретного объектива. Это может быть проделано лабораторно, когда через объектив рассматривается объект с известной геометрией, подбираются такие параметры, чтобы на изображении показалась проекция этой геометрии. В каких-то случаях можно вместо оценки оптимизировать эти параметры в какой-нибудь многовидовой системе уравнений.
Очевидно, что программное исправление дисторсии всё равно снижает качество по сравнению с её отсутствием. Потому что это в любом случае интерполяция/экстраполяция неувиденных точек изображения через увиденные. Поэтому желательно исправлять её оптикой.
Хроматическая аберрация #
Хроматическая аберрация вызвана тем же эффектом, что изображён на обложке Pink Floyd: The Dark Side of The Moon, а именно дисперсией. Лучи разной длины волны преломляются линзой немного по-разному, поэтому у каждого цвета будет своя точка фокуса.
Есть хроматизм положения и хроматизм увеличения, разница между которыми довольно тонкая, не будем про неё рассказывать. “В быту” суть аберрации заключается в появлении синих и красных контуров возле границ объектов. Особенно если есть сильный перепад яркости, например очень часто аберрации видны при фотографировании тонких ветвей на фоне яркого неба.
Хроматические аберрации могут быть частично исправлены программно, либо может быть уменьшен их визуальный эффект. Есть техники для их уменьшения в оптике.
Виньетирование #
Данный эффект не считается аберрацией, но также нежелателен в большинстве случаев. Виньетирование — это радиальное затемнение изображения. “Радиальное” здесь значит, что в центре его можно считать нулевым, а по краям светового пятна, производимого линзой, оно максимально. Часто сравнивают яркость по краям и в центре, чтобы оценить величину виньетирования.
Причин такого эффекта может быть много, от простой блокировки света (около оптической оси свет проходит почти под любыми углами, по краям часть не попадает из-за корпуса объектива) до угла падения лучей по краям пятна (цифровые сенсоры эффективнее собирают свет, если он падает под прямым углом).
Проблема решается программно, достаточно оценить закон, по которому яркость падает в зависимости от удаления от центра изображения и компенсировать яркость. Но это может порождать шум, так как края получили меньше света, и отношение сигнал/шум там будет меньше. Если эффект не слишком суровый, то падение качества будет незначительным.
Также виньетирование часто применяется как художественный приём. С помощью затемнения лишнего можно лучше выделить основной объект съёмки, а сам градиент может придать загадочную атмосферу. Однако проще добавить его искусственно на пост-обработке: и больше контроля над формой, и затемнение не ухудшает отношение сигнал/шум.
Элементы объектива #
Если Вы хоть раз выбирали объектив или камеру со встроенным объективом, то наверняка замечали в характеристиках что-то из разряда “6 элементов в 5 группах”. Что это значит, и важно ли это?
Элементы — это оптические объекты, которые нужны для работы объектива. Это передняя линза, затем какие-нибудь элементы для исправления дисторсии, затем для исправления хроматических аберраций, затем для того, чтобы направить пучок вдоль оптической оси (многие цифровые сенсоры работают эффективнее, если лучи попадают в них перпендикулярно) и так далее, и тому подобное. Как мы узнали выше, там всегда есть, чего исправить.
При этом не следует думать, что много оптических элементов — это всегда хорошо. Каждый добавляет свои недостатки, которые иногда приходится исправлять ещё большим числом элементов.
То есть “много элементов” значит, что попытались скорректировать много недостатков. “Мало элементов” — что корректировали мало недостатков. Это могло быть как по причине, что их и было мало, так и для удешевления объектива. Разработка оптических систем — это всегда компромисс.
Эквивалентная система #
Внимательный читатель может спросить: если мы добавили столько линз, то каковы же будут свойства полученной системы? Какая связь между ней и моделью тонкой линзы?
Вся эта сложная система из оптических элементов спроектирована так, чтобы приближённо работать как какая-то целевая модель. Для обычных фотообъективов это модель тонкой линзы, ведь мы хотим фокусировать точки на плоском материале по предсказуемым законам. По пути от входного зрачка к материалу система может неоднократно менять длину фокуса, направление лучей и прочие параметры, но в конце она работает как модельная тонкая линза требуемых характеристик.
По пути всё может меняться настолько, что по внешнему виду объектива не скажешь, для чего он предназначен. Например Sigma Contemporary 16 mm f/1.4 имеет длину около 90 мм, хотя он представляет линзу с длиной фокуса 16 мм.
У типового объектива есть входной и выходной зрачки. Через первый заходит свет, который мы хотим отобразить на материал. Через второй он выходит в таком виде, который мы ожидаем от целевой модели. Конечно же приближённо, сделать идеально никогда не получится. Таким образом, мы можем заменить сложную реальную систему на модельный эквивалент, “схлопнув” всё, что между зрачками.
Асферические линзы #
Мы увидели, что сферические линзы имеют множество проблем, начиная со сферических аберраций. Можно ли использовать какие-либо другие? Можно, но иногда сложно. Такие линзы называют асферическими.
Во-первых, есть другие достаточно простые разновидности линз. Например параболическая, которая имеет ряд преимуществ, если свет приходит параллельно оптической оси. Такое условие выполняется при наблюдении далёких планет, звёзд и туманностей, поэтому линза часто используется в телескопах. У неё также есть недостатки, например необходимость очень точно выставлять оптическую ось.
Во-вторых, можно разработать линзу любой формы. Однако здесь есть две сложности.
- Может быть непросто рассчитать форму, которая обладала бы нужными свойствами.
- Как правило у них сложное производство, особенно если возникают высокие требования к точности исполнения.
Вообще, сферические лизы — наверное самые простые в производстве. Поэтому они стоят гораздо дешевле, а хорошего качества (близости к целевой форме) достичь гораздо проще.
Дополнительные опции #
Дополнительно объектив может иметь мотор для автофокуса, оптическую стабилизацию изображения (специальная механика двигает одну или несколько линз, чтобы компенсировать тряску), отсек для встраиваемых фильтров и многие другие опции.
Также объективы делятся на фиксы и зумы (по-английски prime и zoom). Фиксы имеют неизменную длину фокуса, а у зумов её можно менять в установленном диапазоне, не снимая объектив. Эта возможность очень удобна, однако, как правило, ухудшает передачу, ограничивает диафрагму и увеличивает цену. Сделать зум, который работал бы хорошо во всех конфигурациях, да ещё оставался бы доступным по цене, невероятно сложно.
Почему объективы такие дорогие? #
Итак, мы уже поняли, что толстяка в цилиндре не проведёшь, и объективы — это не так просто. Но если это всегда сложно, то почему некоторые стоят пару сотен долларов, а другие — несколько тысяч?
Допустим, Вы решили сделать объектив.
- Чтобы “доставить” свет до фотоматериала нужным образом, необходимо вставить несколько элементов. Каждый стоит денег, от производства до установки.
- Среди элементов потребовались асферические? Это может дорого обойтись.
- Есть элементы, которые могут хорошо работать только при определённых свойствах материала? Скорее всего подойдёт синтетическое флюоритное стекло. Оно производится из толчённых хорошо очищенных минералов флюорита, процесс довольно сложный и требующий чёткого соблюдения условий, поэтому такой элемент обойдётся очень дорого.
- Не нравятся блики, в том числе возникающие из-за отражения лучей внутри объектива? Просто нанесите на нужные элементы специальное покрытие. Не забудьте заплатить.
- Раз мы живём в XXI веке, то нужно обеспечить автоматический фокус с переключением на ручной. Это требует специальных механизмов, которые нужно произвести и вставить. Двигатели тоже бывают разные, от обычных шаговых до ультразвуковых.
- Как насчёт встроенной стабилизации изображения?
- Не забываем про управляемую диафрагму. Кстати, придадим ей округлую форму с большим количеством лепестков или обойдёмся “топорным” многоугольником?
- Если объектив напичкан электроникой, то он должен как-то общаться с камерой, чтобы она могла им управлять. Для этого нужны контакты, контроллер и, конечно, спецификация протоколов общения (продаётся отдельно).
- Обязательно нужна лицензия на производство под выбранный байонет и его спецификация.
- Всё это делал отнюдь не один человек, нужно всем выплатить зарплаты. В первую очередь оптикам, редким специалистам, которые изобретали схему, тестировали её, проводили исследования и т.д.
- Может требоваться высокотехнологичное производство. Куча элементов, электроники, сложный корпус, элементы управления — всё это ставится и роботами, и людьми, с промежуточным контролем на нескольких этапах. Вот, например, пара видео с завода Sigma: 1, 2.
Какие-то этапы можно пропустить, тем самым снизив цену. Можно сэкономить на материалах или на контроле качества. И так далее, и тому подобное, в итоге у нас есть большое разнообразие между недорогими объективами с кучей компромиссов и топовыми, в которые напичкали всё передовое.
Может ли недорогой объектив быть хорошим? #
Может. Нет, серьёзно. Если это не совсем кусок пластмассы, конечно. Качество будет не “супер”, а просто достаточным для фотографии.
Во-первых, у любого уважающего себя производителя любительских камер со сменным объективом найдётся недорогой “полтинник”, по-английски его называют “nifty fifty”. Это объектив 50 мм для полнокадровой зеркальной камеры, поэтому через адаптеры его можно надеть на почти любую камеру этого же производителя. Как правило у него широкая диафрагма, например f/1.8, простая схема, нет стабилизатора и других наворотов, зато отличное качество изображения. Стоят они обычно в районе 150–200$.
Во-вторых, есть китайские компании, которые вместо собственного дизайна оптики используют схемы с истекшим патентом. Это устаревшая оптика, ей несколько десятков лет, скорее всего она проектировалась для плёнки, а не матрицы, но в свои годы она могла быть очень даже неплохой. При этом пользователь не платит за разработку схемы, она досталась производителю бесплатно. Качество китайских объективов Вы можете представить сами: там либо повезёт, либо нет, но больших надежд лучше не питать.
В-третьих, можно здорово сэкономить, если лишить объектив электроники, включая автофокус. Однако примерно всегда Вы найдёте такие объективы у тех же китайских производителей, либо это старые б/у устройства с адаптерами на новые байонеты. Не говоря о том, что пользоваться только ручным фокусом приемлемо не во всех жанрах.
В-четвёртых, с большой вероятностью Вам не нужно настолько высокое качество, которое можно обеспечить только самыми дорогими объективами. Да, можно получить чуть более мыльную картинку, пониженный контраст, сдвинутые цвета, хроматические аберрации и даже неслабую дисторсию. Но часть этих проблем более-менее убирается программной обработкой, а остальное не так заметно глазу. Есть аспекты фотографии, которые гораздо больше влияют на снимок, а стоят меньше, например композиция, выбор условий и света, выбор настроек, выбор момента, обработка. Переходить к топовым объективам имеет смысл только если с остальным Вы уже успешно справляетесь, а это занимает несколько лет интенсивного обучения.
Пример. Когда мне нужно съездить на отдых, где придётся много ходить и некуда сбросить вещи (под описание попадает примерно 100% всех поездок в незнакомые места), я беру свой любимый китовый объектив Canon EF-M 18-150 mm f/3.5-6.3. Если только не планирую снять что-то особенное или поэкспериментировать с объективами. У него преступно большой диапазон длин фокуса, узкая диафрагма, подчас огромные хроматические аберрации и не очень чёткая картинка. Однако одним сравнительно небольшим и лёгким устройством я могу делать почти что угодно.
Все ли дорогие объективы хорошие? #
Нет, не обязательно. Если производитель потратил много времени на исследования, материалов на замудрённые оптические элементы и т.д., то, к сожалению, всё равно можно получить не очень хорошее устройство. Или хотя бы не лучшее, в том смысле, что могут быть более дешёвые варианты с лучшими характеристиками. Тем не менее, дорогая оптика гораздо чаще окажется удачной, чем дешёвая.
Перед тем, как покупать объектив, имеет смысл найти лабораторные тесты на него или хотя бы просто отзывы. Одним из популярных, хотя и не единственным, сайтов с лабораторными тестами является DxO Mark. Там представлено довольно много приборов, но всегда стоит поискать и по другим ресурсам.
Обычно в лабораторных тестах оцениваются характеристики (дисторсия, хроматические аберрации, общая чёткость и т.д.) при различных длинах фокуса и диафрагмах, иногда на разных расстояниях до снимаемого образца. Оптика может проектироваться под конкретные цели и чаще всего не будет одинаково хорошо работать на всех допустимых конфигурациях. В большинстве случаев на самой широкой диафрагме качество заметно хуже, чем после прикрытия на один–два стопа. При совсем узкой диафрагме у всех объективов также падает качество, так как он превращается в пинхол, и дифракция всё портит.
После покупки объектива Вы можете поснимать объект с чёткой текстурой, например хорошо напечатанную газету или книгу, на разных конфигурациях. Даже сравнивая результаты на глаз, Вы сможете определить, на каких конфигурациях устройство работает хорошо, а каких следует избегать.
Итоги #
- Настоящий объектив никогда не работает в точности так, как представляемая им модель.
- Чтобы приблизить к целевой модели, оптики разрабатывают сложные схемы с кучей элементов.
- Всё это стоит денег и не обязательно окупается.
- Можно оценивать качество объектива по разным параметрам и в разных условиях.
Полезные материалы #
- Статья про аберрации на Хабре (не связана с данной примерно никак; почитайте, наверняка найдёте что-то новое): https://habr.com/en/articles/758558/