Объективно об объективах
Hello, World!
Объективы бывают разные: для фото и кино, с разным фокусным расстоянием, мануальные и автоматические, асферические и анаморфотные, зеркальные и стеклянные, - много их. В своей заметке я бы хотел просто поговорить о том, какие основные принципы я выявил при работе с разной оптикой, основных различиях объективах по типу и применению, с чем лично я столкнулся, подкрепив наблюдения и опыт некоторой щепоткой научного подхода.
Основная суть объектива
Объектив - оптическая система в составе оптического прибора, необходимая для формирования изображения.
И вот тут из основного определения складывается основная суть:
В получаемом изображении основную роль исполняет объектив камеры!
Объектив является первым препятствие, через которое проходит свет, прежде чем он попадет на пленку или цифровую матрицу. Именно от свойств объектива будет зависеть характер изображения, резкость, искажения etc, а уже затем это дополняется свойствами фиксации света у матрицы или пленки.
Поэтому всегда стоит обратить пристальное внимание на оптику, что требуется использовать при съемке, а затем уже сопоставлять это со свойствами камеры (примечание: если речь о цифровой камере стоит сперва обратить внимание на разрешающую способность, ведь большое количество мегапикселей способна разрешить далеко не вся оптика).
В интернете достаточно много тестов, когда берут новые камеры и оптику плохого качества. Результаты этих опытов достаточно печальные.
Сферика VS Асферика VS Анаморфот
По типу использования линз объективы делиться на:
• Сферические - с использованием обычных сферических линз разной степени преломления с одинаковым радиусом кривизны по всей площади.
• Асферические - с использованием асферических линз с разным радиусом кривизны по площади.
• Анаморфотные - с использованием линз, которые создают оптическое анаморфирование, то есть определенное перпендикулярное растягивание отраженного света, проходящего через анаморфот (группу анаморфирующих линз). Значение анаморфирования выделяется коэффициентом и называется коэффициентом анаморфирования.
Ниже на рисунках показано влияние линз на изображение.
Исторический и практический контекст
Большое распространение оптическое анаморфирование получило в широкоэкранном кинематографе, где применяется при съёмке и проекции изображения. Анаморфотный киносъёмочный объектив изменяет пропорции снимаемого изображения, записывая его на кадре стандартной кинопленки, где оно выглядит вытянутым в высоту. Анаморфотный объектив кинопроектора возвращает предметам нормальные пропорции, «растягивая» изображение на широкий экран.
Самая первая кинематографическая система, использующая горизонтальное анаморфирование, появилась в 1953 году и носила название «CinemaScope». Формат обеспечивал соотношение сторон широкого экрана 2,35:1 с кадра кинопленки с соотношением 1,175:1.
В современном цифровом кинопроизводстве получили распространение анаморфотные объективы с уменьшенным коэффициентом анаморфирования — 1,33 вместо традиционных 2,0. Такая оптика позволяет получать кадр с соотношением сторон 2,35:1 на широкоэкранной матрице формата 16:9 после дезанаморфирования. При съёмке на обычную матрицу с соотношением сторон 4:3 такая оптика даёт кадр 16:9. Впервые такой коэффициент анаморфирования был использован при съёмке аппаратурой формата Super-16 для получения широкоэкранного изображения 2,35:1.
Если подытожить, анаморфотная оптика помогала лучше и рациональнее использовать площадь кадра стандарта Super-35 и Super-16 за счет как раз таки анаморфирующего эффекта, эффекта сжатия изображения, а затем через аналогичный проектор выводить изображение с пленки на экран кинотеатра. Но при этом как раз из-за «разжатия» изображения появлялись артефакты в виде: длинных прямых засветок, искажения пропорций тела в краях поля кадра, вытянутые блики бокэ. Если сейчас это можно считать творческой особенностью, в то время это считалось техническим браком.
Сферическая оптика появилась намного раньше, чем анаморфотная и также использовалась в кинематографе, но в отличие от анаморфотной оптики ее история лежит в плоскости фотографии.
Сферические линзы умели изготавливать еще в далекой древности, а применять в фотографии научились тогда, когда был изобретена первый фотоэлемент, способный фиксировать на себе отраженный от объекта свет. (Если интересно, можете почитать про такое изобретение XIX века, как камера-абскура).
Эксперименты по нахождению идеальной компоновки сферических линз шли еще с XVIII-XIX веков. Сперва это были просто эксперименты с несколькими вогнутыми, выпуклыми линзами, а уже в середине XIX века Иоганн Гаусс изобрел схему расположения линз в блок, которая теперь несет привычное имя «схема Гаусса». Его схема внесла огромный вклад в развитие оптикостроения.
Эта компоновка позволяла компенсировать основные на тот момент искажения, связанные с расслоение света на цветовые спектры, обеспечила контроль резкости изображения и его фокусировки. До сих пор эта схема используется в оптике, всячески дополняясь и видоизменяясь, но по своей сути она осталась той же, что несколько сотен лет назад.
Набор сферических линз в схеме позволял лучше контролировать изображение, но из-за основных свойств линз их количество нередко приходилось дублировать и дополнять, что утяжеляло и усложняло конструкцию объективов. В кино сферические линзы использовались лишь на пленках крупного формата Super-65, что накладывало ограничения на хронометраж в виду дороговизны пленок и кинопроекторов для их показала на экране кинотеатра.
Асферические линзы же стали использовать уже в 70-х годах XX века. Первыми сделали это Nikon.
В 1968 году компания Nikon выпустила первый объектив для фотокамеры, в котором использовалась асферическая линза. Эти линзы имеют сложную форму поверхности, при этом изменение радиуса кривизны оптимизирует пропускание света и устраняет оптические геометрические искажения.
После Nikon в гонку вошла также японская компания Canon. Учитывая инновацию, каждый производитель гордо писал на коробках и объективах надпись «Aspherical».
Основная проблема асферических линз заключалась в сложности их производства. Асферик требует точного математического рассчета, а затем высокоточной плавки стекла (пластик тогда не использовали в изготовлении линз) и его дальнейшей шлифовки. Штамповать асферик было на тот момент невозможно, в отличие от сферической линзы, поэтому такие линзы делали путем высокоточной шлифовки. Ошибка в расчете приводила к нарушению оптических свойств стекла.
При этом качество таких объективов было выдающимся даже по современным меркам. Линзы все сделаны из стекла, доводка и юстировка были индивидуальны для каждого объектива, а качество получаемого изображения покрывало все возложенные ожидания и затраты.
Именно поэтому такие объективы на аукционах или от коллекционеров сейчас продаются по очень большим ценам, а некоторые объективы попросту уже невозможно найти.
Асферические линзы сегодня
Сегодня асферические линзы стали стандартом в производстве оптики. Производство линз просчитывается на компьютерах, станок удачно штампует результаты таких расчетов вплоть до микрон.
Но вот в чем нюанс современности:
Большинство современной фото и бюджетной кинооптики имеют в своем составе пластик.
Пластик более гибкий, он лучше управляется, он дешевле в производстве, поэтому с его приходом некоторые техники и операторы объявили байкот современной оптике, особенно бюджетному и среднеценовому сегменту.
В премиальном сегменте до сих пор балом правит стекло, так как оно прочнее, оно со временем не теряет своих свойств и более устойчиво к погодным условиям, а главное - оно не теряет своих свойств от температуры и влаги, что является основной проблемой пластика. Стеклянные объективы больше подходят для сложных условий съемки.
Именно поэтому производители пишут в наименовании товара слово «гибридные» линзы или не указывают вовсе. А это ни что иное, как использование пластиковой асферической линзы, которую затем специальным клеем прикрепляют к сферическому стеклянному основанию.
Я не буду описывать и разоблачать слухи и мифы, связанные с пластиковыми линзами. По сути в них ничего плохого нет, кроме особенностей, что я отписал выше. Просто скажу, что тут стоит исходить из потребностей и возможностей. Но выбирая между стеклом и пластиком, лично я выберу стекло, так или иначе это стандарт и гарант качества без каких-либо слухов и додумываний.
Просветление линз
Вот мы подобрали линзы, собрали их в блок, начали пропускать свет, а изображение какое-то странное: свет расслаивается на спектры, контрастности нет совсем.
И вот тут на сцену выходит просветление.
Просветление оптики - технология обработки поверхности линз, призм и других оптических деталей для снижения отражения света от оптических поверхностей, граничащих с воздухом.
При прохождении света через сложные оптические системы с большим количеством оптических деталей на каждой поверхности теряется около 4% света. В результате через систему может пройти всего 20% светового потока. Применение тонкослойных пленок для ослабления отражения отдельных спектров называется просветлением оптики. Просветляющие покрытия могут уменьшить отражение в 3-4 раза.
Принцип действия просветляющих покрытий основан на явлении интерференции. На поверхность оптической детали наносят тонкую пленку, показатель преломления которой меньше показателя преломления стекла.
Просветление бывает двух видов:
• Монопросветление - с использованием одной и реже до трех специальных пленок, которые выполняют функцию исправления лишь каких-то единичных искажений (например, компенсации отражения определенного одного спектра).
• Мультипросветление - многослойное просветление, рассчитанное для исправления отражений разных длин волн света. Имеет больший КПД в сравнении с монопросветлением.
Монопросветление
Исторически однослойное просветление появилось раньше.
Одними из первых, кто стали использовать просветление оптики были немцы, причем изначально оно использовалось в оптических приборах военного назначения: бинокли, подзорные трубы etc. А затем технология дошла до фото объективов.
Одним из материалов, который использовали для просветления, был оксид тория. Узнать его можно было по характерной желтизне линзы объектива.
Сам оксид тория был радиоактивен, но при этом он хорошо поддавался химическому травлению стекла, что сделало его достаточно популярным в использовании. Это сейчас нам может напугать слово «радиация», а XX веке, если вспомнить исторический контекст, радиация была чуть ли ни брендом, а некоторые медики заявляли о ее полезности для человека.
Спешу заверить, что радиации в таких объективах не больше, чем от банана или яблока :)
Но использовать на постоянной основе объективы с ториевым просветлением на цифровых камерах я бы не рекомендовал, так как излучение может негативно сказаться на матрице в долгосрочной перспективе.
Однослойное просветление допускало около 20-им процентов отражений света, что существенно повышало контраст изображения на монохромной пленке. Собственно сам этот тип просветления держался на рынке фото и кино оптики до прихода цветных пленок в профессиональный сегмент. И с середины XX века с приходом цветных пленок начались разработки многослойного просветления.
Многослойное просветление
Многослойное просветление, как гласит из название, имеет несколько просветляющих пленок, которые наносятся на линзы объектива при помощи химического травления или напыления специальных составов на поверхность линзы.
Первыми придумали наносить один слой пленки за другим стали специалисты компании Leitz, а затем в объективах стала использовать данный метод компания Carl Zeiss.
Мультипросветленные объективы других производителей, чтобы отличить свои наработки, продемонстрировав свою уникальность, стали маркироваться обозначениями: для Canon - S.S.C., для Zeiss - T*, для Nikon - Super Coasting, etc.
А визуально можно было отличить объективы по характерным цветовым переливам на передней линзе, ведь каждый слой просветления выполнял свою задачу с определенным спектром света в зависимости от качества и шлифовки стекла, а также методу нанесения и состава вещества, используемого в пленке.
Благодаря многослойному просветлению удалось достичь показателя потерь 2-4 процента света на отражаемую поверхность. Это был выдающийся показатель. Осознав, что это огромный шаг вперед по качеству получаемого изображения, производители объективов стали использовать мультипросветление как стандарт, а маркирование объективов с таким просветлением отличительными знаками потеряло свою актуальность, совершенствовались лишь сами технологии состава пленок и их нанесения, чтобы достричь еще меньших потерь в отражении спектров света, устранению хроматических аберраций и борьбы с засветками, что приводит к потере контраста.
Как понять, хорош ли объектив? MTF - график
И вот на этом разделе я сперва хотел бы поделиться с вами ссылкой на один очень интересный материал, который необходим, чтобы не по восприятию понимать, хороший ли объектив, а с точной научной точки зрения определить то, на что и где он способен.
ссылка: https://www.vlador.com/info/%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B8%D0%BA%D0%B8-mtf/
Материал может быть сложен для понимания «в лоб», поэтому я бы хотел дополнить его от себя.
Что такое MTF-график объектива, это график, где показаны его разрешающая и контрастная способность, основаная на показателях диафрагмы по полю кадра.
Толстые линии показывают данные MTF на 10 лин./мм (насколько хорош контраст объектива). Тонкие – разрешающую способность. Практически для всех объективов применимы следующие оценки: MTF выше 0.8 – превосходно, 0.6-0.8 – хорошо, 0.4-0.6 – удовлетворительно, ниже 0.4 – мягко говоря «очень не очень». Толстые линии на примере показывают превосходную контрастность на диафрагме f8 практически по всему полю (толстая черная линия); хорошую контрастностью по центру и на расстоянии до половины/трех четвертей от центра на открытой диафрагме (толстая синяя линия). Тонкие линии (указывающие на разрешающую способность объектива) говорят о хорошем, но не превосходном результате на f8 (тонкие черные линии) и очень среднем на f2.8 (тонкие синие линии).
Еще подсказка: если сплошные и прерывистые линии (отражающие данные, полученные с сагиттальных и тангенциальных участков на мишени) идут рядом, бок о бок, то зона нерезкости объектива будет мягкой и красивой (хорошее «боке»); если они находятся на расстоянии друг от друга, зона нерезкости будет c искажениями и некрасивая (плохое боке). Соответственно, чем ближе друг к другу сплошные и пунктирные линии, тем лучше.
Фото и кино оптика
Зачем пошло это разделение? Почему кинооптика стоит как крыло от самолета? А почему она такая тяжелая? Почему в кино-съемке почти не используют компактную фото оптику? Операторы кино и телевидения ЧСВ с большими кошельками и комплексами, ведь чего оно все такое огромное и дорогое?
Основным, я бы даже сказал, ключевым является различие в обозначении диафрагмы:
F-stop - это относительное отверстие диафрагмы в фото объектива. Примечательно тем, что оно относится в фокусному расстоянию и отверстию диафрагмы. Поэтому экспозиция на одном и том же значении на разных объективах разных производителей разных фокусный расстояний может сильно «гулять» вплоть до шага или двух значений экспозиции.
T-stop (от англ. «transmission») - это коэффициент светопропускания кино объектива. И оно имеет стандартизированное значение для всей кино оптики.
На самом деле тут дело именно в практическом применении, и я бы просто хотел перечислить основные принципы для фотографа и оператора.
• Компактность и практичность.
• Исправление оптических искажений, но в случае чего их можно исправить в современном фоторедакторе, ведь фото статично.
• Быстрота работы и быстрота автофокуса.
• Каждый объектив под свою задачу, а их концептуальные различия по цветопередаче не особо важны, ибо все это можно с легкостью поправить.
• Желательно - резкость изображения.
• Цель оправдывает средства, компактность и простота вторичны, главное - задача.
• Светопропускание (диафрагма) унифицированы, все значения одинаковы по шагам экспозиции для всей кинооптики.
• Максимальное исправление путем оптического строения многих оптических, геометрических, хроматических искажений. Пленку или цифровой негатив просто так уже с легкостью не поправить.
• Только мануальная фокусировка с большим ходом кольца фокуса для безупречного контроля в кадре.
• Объективы в комплекте не должны отличаться по своим свойствам и главное - цветопередаче. Это критически важно, чтобы все кадры имели одинаковый вид.
Из этих и, возможно, еще упущенных тезисов можно сделать единый вывод о том, фото и кино объективы имеют совсем разные зоны применения и спрос от них совершенно разный. Никто не мешает использовать оператору фото объективы и наоборот, просто трудности в использовании могут заставить пересмотреть весь съемочный процесс, а в кино это принципиально важно, так как оператор - это лишь один из участников съемочного процесса, а еще есть колористы, монтажеры, помощники режиссера, сам режиссер, etc. И от задачи по съемке выбирается техника.
Послесловие
Спасибо всем тем, кто осилил этот материал до конца. В данном материале я не затронул еще важные свойства объективов, как наличие ахроматических линз, линз с низкой дисперсией, объективов по типу фокусных расстояний и свойств парфокальности, а также не рассматривал строение объектива изнутри и различные схемы компоновки линзоблоков. Если тебе, мой дорогой читатель, интересно развитие данных тем, скажи, и я продолжу. Спасибо, что дочитал до конца. Успехов тебе в твоем творчестве или постижении технических аспектов кино и фото. Я хочу пожелать тебе удачи и вдохновения. Техника - это лишь инструмент, а владеешь им ты. Поэтому твори, удивляй, вдохновляй.