ŠOŠOVKY, základné pojmy. Spojné šošovky (Spojky, konvexné šošovky) Rozptylné šošovky (Rozptylky, konkávne)

Transcript

1 ŠOŠOVKY, základné pojmy Spojné šošovky (Spojky, konvexné šošovky) Rozptylné šošovky (Rozptylky, konkávne) Ohraničené dvoma guľovovými (Guľa/rovina) plochami optická os S a S 2 stredy guľových plôch V a V 2 vrcholy šošovky S optický stred šošovky Študijný materiál k predmetu Fotograická a ilmová technika. Martin Vaculík, KTaM, EF, UNIZA

2 Dvojvypuklá dvojdutá Ploskovypuklá ploskodutá dutovypuklá vypuklo dutá symbol tenkej spojky symbol tenkej rozptylky Smery šírenia význačných lúčov cez šošovky Lúče prechádzajúce optickým smerom pokračujú v smere šírenia Lúče rovnobežné s optickou osou sa lámu do ohniska (spojka)/rozptyľujú sa tak, ako by prechádzali ohniskom (rozptylka) Lúče prechádzajúce ohniskom opúšťajú spojku rovnobežné s optickou osou

3 Zobrazovanie šošovkami Dvojnásobný lom lúčov: vzduch sklo vzduch Lúče sa lámu podľa Snellovho zákona α je uhol dopadu β je uhol lomu v je rýchlosť vlnenia v. prostredí v 2 je rýchlosť vlnenia v 2. prostredí n je index lomu v. prostredí n 2 je index lomu v 2. prostredí sinα = sin β v = v 2 n n 2 kde: Odraz: spôsobený relexnými vlastnosťami skla spôsobuje straty antirelexná vrstva na povrchu skla, rekvenčne závislá (preto viaceré vrstvy Super Multicoating SMC) Ohnisková vzdialenosť: Lúč prechádzajúci ohniskom sa láme ako rovnobežný a opačne Spojka: kladná ohnisková vzdialenosť Rozptylka: záporná ohnisková vzdialenosť Predmetová vzdialenosť: kladná pred šošovkou (skutočný obraz), záporná za šošovkou Obrazová vzdialenosť: kladná za šošovkou, záporná pred šošovkou (neskutočný obraz) Študijný materiál k predmetu Fotograická a ilmová technika. Martin Vaculík, KTaM, EF, UNIZA

4 Priečne zväčšenie šošovky: b a b a B A Z = = = = Zobrazovacia rovnica šošovky: b a + = Alebo: b a a b + =. Optická mohutnosť: + = = 2 2. r r n n ϕ [m, m, m,..] Iné vyjadrenie optickej mohutnosti: Dioptria D = m : [D, m] šošovka s ohniskovou vzdialenosťou 00 mm má optickú mohutnosť 0 D Jednotlivé prípady zobrazenia:, Predmet je v nekonečne, zobrazovacia rovina v ohnisku. Nekonečne malý obraz. Výťah objektívu a =

5 2, Predmet je vo vzdialenosti >2 > : Obraz je skutočný (a>0), zmenšený ( Z < ) a prevrátený (z <0) 3, Predmet je vo vzdialenosti 2: Obraz je skutočný (a>0), rovnako veľký ( Z = ) a prevrátený (z <0) 4, Predmet je vo vzdialenosti >2 > : Obraz je skutočný (a>0), zväčšený ( Z > ) a prevrátený (z <0) Študijný materiál k predmetu Fotograická a ilmová technika. Martin Vaculík, KTaM, EF, UNIZA

6 5, Predmet je vo vzdialenosti : Obraz sa vytvorí v nekonečne nedá sa zaostriť 6, Predmet je vo vzdialenosti < : Obraz je neskutočný (a < 0), zväčšený ( Z > ) a priamy (z > 0) Kombinácie šošoviek objektív zmena optickej mohutnosti zmena yzickej dĺžky výťahu pri zachovaní ohniskovej vzdialenosti korekcia niektorých chýb optiky Dvojica šošoviek vzdialených o d: = + d 2. 2 BFL = d 2 ( d ) ( + ) 2 d = 0 ak sú tesne na sebe, Back Focal Lenght (od druhej po ohnisko) pre d = + 2 je aj BFL nekonečno princíp teleskopu so zväčšením / 2 (invertovaný obraz)

7 Zobrazovacie chyby šošoviek (objektívov) Chromatická aberácia (chromatická chyba) Závislosť indexu lomu a tým ohniskovej vzdialenosti na vlnovej dĺžke svetla arebný lem na hrane Korekcia chromatickej aberácie achromat (2 členy) Sérická aberácia Spôsobuje guľový tvar šošovky lúče prechádzajúce optickou osou (paraxiálne) sa lámu viac ako lúče prechádzajúce okrajom rozdielna ohnisková vzdialenosť Spojka (kladná opt. mohutnosť) má sérickú aberáciu zápornú Rozptylka (záporná opt. mohutnosť) má S.A. kladnú Odstránenie kombinácia spojka rozptylka

8 Obrazové skreslenie (distorzia): priečne zväčšenie sa mení v závislosti na polohe bodu v obrazovom poli Porušenie geometrie obrazu Sústava čiar ako konvexné a konkávne krivky Skreslenie narastá so skrátením ohniskovej vzdialenosti Špeciálny prípad objektívy typu Rybie oko priemet priestoru na plochu sérické zobrazenie Skreslenie typu Kométa (Koma) Zväzok lúčov nemá osovú symetriu, lúče prechádzajúce rôznymi časťami objektívu sa nestretajú v jenom bode ale v priestore Jasný bod mimo osi objektívu sa zobrazí v tvare kométy Čím ďalej od optického stredu, tým je eekt väčší zníženie rozlišovacej schopnosti smerom ku krajom obrazu Kvadratický nárast chyby so svetelnosťou objektívu Minimalizácia: kombináciou šošoviek (aplanát), menej svetelný objektív Svetelné halo Flare závoje okolo svetiel Vinetácia obrazu rohy sú tmavšie ako zvyšok obrazového poľa

9 Obrazový uhol objektívu: ϑ tg 2 = u 2. u ϑ = 2. arctg 2. u uhlopriečka [deg, mm, mm] Príklad: rozmer kinoilmového políčka 24 mm x 36 mm, u = 43,3 mm, = 50 mm, ϑ = 46,8 Delenie objektívov podľa zobrazovacieho uhla: superširokoúhle (nad 00 ) širokoúhle (75 00 ) krátke (55 75 ) normálne (45 55 ) dlhé (25 45 ) teleobjektívy (5 25 ) ultrateleobjektív (2 5 ) Stranový uhol, výškový uhol Zobrazenie perspektívy [mm]/35 mm b [m] Pomer výšok 28 0,84 00:29,44 35,05 00:34,23 50,5 00:42,0 00 3,0 00:52 0, ,5 00:86 0, ,0 00:88 0,47 Pomer oproti 50 mm o Študijný materiál k predmetu Fotograická a ilmová technika. Martin Vaculík, KTaM, EF, UNIZA

10 Objektívy z hľadiska konštrukcie Šošovkový objektív zložený z jednotlivých skupínoptických členov Katadioptrický (zrkadlový) objektív kombinácia opt. členov a zrkadiel Šošovkové objektívy Napr. triplet: spojkarozptylkaspojka Petzvalov objektív (Voigtländer) Kombinované objektívy viac členov v skupinách Napr. 7 členov v piatich skupinách Alebo 7 členov, sedem skupín Viac neznamená lepšie Porovnanie pevný objektív objektív s variab..

11 relexie na jednotlivých členoch nevyhnutné antirelexné vrstvy (závislé na vlnovej dĺžke svetla) vzácne kovy Asérické členy brúsené tak, aby výsledná plocha nebola guľová potláčanie sérickej chyby (aberácie) Objektívy s premenlivou ohniskovou vzdialenosťou ( transokátor, Zoom ) Viac skupín s optickými členmi, každá plocha je súčasne odrazovou (kontrast, svetelnosť) Funkcie skupín členov objektívu: Prvá skupina členov pevná (iltre, slnečná clona,...) Druhá skupina variátor, menič ohniskovej vzdialenosti Kompenzácia ostrenia v závislosti na zmene ohniskovej vzdialenosti Zaostrovanie posunom skupiny členov menšie mechanické nároky ako posun celého objektívu Kompenzácia aberácie a ostatných skreslení Pohyblivá skupina okolo optickej osi stabilizácia obrazu (ak objektív má) Retrookálna konštrukcia objektívu: Objektív s krátkou ohniskovou vzdialenosťou a zrkadlo treba priestor Prvý optický člen je rozptylka posúva, zväčšuje výťah pri zachovaní ohniskovej vzdialenosti Objektív s dlhou ohniskovou vzdialenosťou rozptylka pred snímačom skracuje potrebný výťah

12 Symetrický / nesymetrický objektív priemet clony z oboch stán rovnaký (rôzny) Retrookálny objektív má pri pohľade zo zadu väčší clonový otvor Makroobjektív: výťah >>, doplnenie medzikrúžkami alebo mechom, častokrát realizovaný ako retrookálny objektív Katadioptrické (zrkadlové) objektívy Snahy o zníženie celkovej dĺžky superteleobjektívu na rozumnú hodnotu Vzor v optických teleskopoch Zobrazovanie zrkadlom: Ohnisko optický stred polomer vrchol: rovnaký význam ako u šošovky Duté/vypuklé zrkadlo

13 Študijný materiál k predmetu Fotograická a ilmová technika. Martin Vaculík, KTaM, EF, UNIZA

14 Zrkadlový objektív v porovnaní s klasickým superteleobjektívom Vhodný pre ohniskové vzdialenosti nad 200 mm, horná hranica cm Krátke telo, približne ¼ až /5 klasického objektívu Nízka váha Pevná nemeniteľná clona Menší prenos kontrastu, menšia rozlišovacia schopnosť Žiadne vady spôsobené chromatickou aberáciou Typický bokeh (rozmazanina, prepis z japončiny) Jednoduchá konštrukcia, nízka cena Veľmi dobré ruské objektívy RUBINAR 8/500, 0/000 (MTO500,...) Prídavné šošovky zmena ohniskovej vzdialenosti a roviny zaostrovania = k ±. D b b k = b k b. D + D = pre b = [m, m, D (m )] Korekcia zbiehavosti zvislých línií Fotoaparát s naklonením zadnej časti Špeciálny objektív s možnosťou náklonu objektívu

15 Svetelnosť objektívu Svetelnosť objektívu deinuje množstvo svetla, preneseného na médium kde d = aktívny priemer objektívu [mm] = ohnisková vzdialenosť objektívu k korekcia na straty v skle,. (,05...,5) S = k. /d, Kvalitný objektív z hľadiska svetelnosti: S =,4...2 (napr.,4/50 mm, D = 40 mm) Ohnisková vzdialenosť [mm] Priemer objektívu [mm] Svetelnosť [] Extrémy: LEICA ELCAN 90mm/,0 LEICA NOCTILUX 50mm/0,95 NASAZEISS 50mm/0,7 Clona cielené obmedzovanie aktívneho priemeru objektívu zaradením lamelovéj clony v optickom strede objektívu Clonové číslo Množstvo svetla [%] ,5 6,25 3,,5

16 Porovnanie ormátov jednotlivých snímačov a ilmu Typ 6 mm ilm 35mm 45/60 60/70 60/90 Uhlopriečka (mm) Šírka(mm) Výška(mm) Plocha (mm 2 ) Typ /6" /4" /3" /2" 2/3" " 4/3" Canon APSC Pentax Sony APSC, Nikon DX Canon APSH Full Frame 35mm Leica S2 Phase One P 65+ Uhlopriečka (mm) Šírka(mm) Výška(mm) Plocha (mm 2 ) Faktor predĺženia Štandardný objektív uhol záberu zhodný s ľudským okom t.j Ohnisková vzdialenosť rovná uhlopriečke snímača/ilmu Študijný materiál k predmetu Fotograická a ilmová technika. Martin Vaculík, KTaM, EF, UNIZA

17 Ľudské oko základné vlastnosti: Ostrosť obrazu Priemer oka približne 24 mm Index lomu očnej šošovky: na povrchu,38 vnútri,4 optická mohutnosť D obrazová vzdialenosť 7 23 mm rozsah zaostrenia 0,2 m Konvenčná zraková vzdialenosť 25 cm Statický zorný (snímací) uhol: 45 stupňov Dynamický s podporou svalov oka a tela Automatická regulácia expozície, automatické zaostrovanie, aut. Ochrana proti prachu a čistenie... spodná medza otopického videnia 3 cd/ m2(vidím arebne) horná medza skotopického videnia cd/m2 (čiernobielo, obrysy) Rozsah spracovaných jasov: : , t.j. 9D Rozlišovacia schopnosť ľudského oka: na sietnici 5 um, uhlová hodnota 0,7 uhlová minúta Pri konvenčnej zrakovej vzdialenosti 25 cm zodpovedá uhlovej minúte kružnica s priemerom 0,0,6 mm (Rozptylový krúžok, Circle o Conusion, COF). Všetky body vo vnútri vnímame ako jeden bod, všetky body mimo ako samostatné body.

18 Na to, aby sme rozoznali dva body, musia byť vzdialené aspoň 0, mm. Vyjadrenie počtom čiar na mm min. 0 čiar/mm, (0 párov čiar/mm) Vyjadrenie rozptylovým krúžkom: maximálny priemer 0,mm 0,6 mm Rozlišovacia schopnosť ilmu/senzora: Pri 5 x lineárnom zväčšení (2x8 cm z kinoilmu) môže byť rozptylový krúžok max. 0,02 0,03 mm (40 60 čiar (párov čiar)/mm = 8020 bodov/mm = 2032 DPI) Aká pozorovacia vzdialenosť? Koľkokrát zväčšujeme obraz (0x? 20x?) Filmová surovina ani snímač nesmie byť obmedzujúcim aktorom pre ostrosť Príklad: Fotograiu urobenú snímačom APSC (27x23 mm) treba zväčšiť na ormát 27 x 23 cm. Určite potrebnú rozlišovaciu schopnosť, aby sa snímka javila ostrá. Pozorovacia vzdialenosť otograie: šírka 27 cm, uhol záberu oka 45, vzdialenosť = 35 cm,,4 x väčšia ako konvenčná, priemer rozptylového krúžku na otograii,4 x 0, =0,4 mm. (7,2 čiary/mm, 4,4 bodov/mm) Zväčšenie 0 x, 72 čiar/mm, 44 bodov/mm na snímači (829 DLI, 3658 DPI) HĹBKA OSTROSTI: b = b. 2 b c. p. ( b ) c. p. ( b ) [m,m,,m] C clonové číslo p priemer rozptylového krúžku ohnisková vzdialenosť b zaostrovacia vzdialenosť b = 2

19 Príklad: Stanovte hĺbku ostrosti objektívov = 50 mm a = 200 mm pri clonovom čísle C = 4, zaostrení na 2 m a požadovanom rozptylovom krúžku 0,02 mm. Pre = 50 mm stanovte hodnoty aj pre C =. 50 mm/4:,88 m 2,3m 200 mm/4:,993 m 2,007 m 50 mm/:,70 m 2,4 m Hĺbka ostrosti: rastie s veľkosťou clonového čísla klesá s veľkosťou ohniskovej vzdialenosti a priemerom rozptylového krúžku. Krátka ohnisková vzdialenosť, malá sveteľnosť objektívu veľká hĺbka ostrosti (extrém: pevné zaostrenie, Fixocus, netreba zaostrovať Hyperokálna vzdialenosť H zaostrovacia vzdialenosť, pri ktorej je všetko ostré od b až do 2 H = + c. p b = H [m,m,,m] 2 Príklad: Stanovte hyperokálnu vzdialenosť a rozsah zaostrenia pre objektív 50 mm, clonové číslo C = 8 a priemer rozptylového krúžku 0,02 mm. H = 5,6m b = 7,8 m Ak zaostríme (v metroch) na dvojnásobok priemeru clony (mm), bude ostré všetko od polovice zaostrovacej vzdialenosti do nekonečna

20 Ohnisková vzdialenosť, veľkosť clony C, Rovina zaostrenia b hĺbka ostrosti (p = 0,03 mm) Clonové číslo Rovina zaostrenia b [m] C= 4 C= 8 C = 6 0,5 3 0,5 3 0,5 3 Objektív = 50 mm W = 45 0,49 0,52 0,95, 2,8 4,0 0,48 0,53 0,9,5 2,2 6,0 0,43 0,55 0,7,3,2 Objektív = 20 mm W = 95 0,45 0,6 0,78 2,0,3 0,38 0,75 0,6 0,8 0,33 2,0 0,45 0,55 MODULAČNÁ PRENOSOVÁ FUNKCIA (MODULATION TRANSFER FUNCTION, MTF) Dva hlavné hľadiská: Prenos kontrastu vyjadrený modulačnou unkciou Rozlišovacia schopnosť objektívu vyjadrená ako rekvenčná charakteristika vo rekvenčnej doméne (počet čiar/mm, počet obr. bodov/mm) MODULAČNÁ PRENOSOVÁ FUNKCIA vyjadruje schopnosť preniesť požadovaný rozsah jasov (kontrast) pri čo najvyššom rozlíšení impulzná odozva kanálu

21 MTF (g) = (V W V B ) / (V W + V B ) (rozsah prenosu kontrastu pri danom rozlíšení g [Počet čiar (párov čiar) na mm, PL/mm] [Počet čiar (párov čiar) na palec, PI/inch = 25, 4 x viac, 00 PLM = 2540 PLI ]

22 Vybrané reálne objektívy [ LW/PH dvojice čiar na šírku čipu. N Použitá SONY ALFA 900 Full Frame

23 Chromatické skreslenie v počte obrazových bodov Študijný materiál k predmetu Fotograická a ilmová technika. Martin Vaculík, KTaM, EF, UNIZA

24

25

26

27 Samyang 85/,4 Aserical

28 Samyang 8mm/3,5 40 čiar/mm = 40 čiar/apsc/ 440 čiar/36 mm