Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu


Základní kámen každého foťáku. Jak vzniká obraz v objektivu

aktualizováno 
Objektiv je základem každého fotoaparátu, který vytváří obraz předmětů před ním. Jak vlastně vzniká obraz předmětu v objektivu a co všechno je k tomu potřeba? Nastíníme si základy optiky a zobrazování čočkami. První část seriálu.

Základem každého fotoaparátu je objektiv. Je to jedna z nejdůležitějších součástí fotoaparátu, která umožňuje vytvořit obraz předmětů umístěných před objektivem. Dá se říci, že je to něco jako oko fotoaparátu.

Objektiv má hlavní vliv na kvalitu obrazu zobrazeného na snímací čip či film. Jeho důležitost tak nelze nijak opomíjet. Není však jediným parametrem kvality a vzhledu výsledného snímku. Tu též ovlivňuje snímací čip nebo film a následné vlastní zpracování obrazu a vytvoření snímku. Přesto je objektiv prvním a hlavním vlivem, jež určuje, jak kvalitní snímek mohu pořídit. Stává se tak zásadní a jednou z nejdůležitějších součástí fotoaparátu vůbec.

Abychom pochopili dobře funkce objektivu a mohli posoudit a zhodnotit jeho kvalitu je třeba znát alespoň základy optiky a principy vzniku obrazu.

Světlo je základ

Přemýšleli jste již někdy, co je všechno třeba, aby vůbec mohl za objektivem vzniknout obraz? Odpověď nejspíše znáte. Pro tvorbu obrazu je nejprve potřeba především světlo. Bez něj by žádný obraz předmětu nevznikl. Studiem světla a jeho interakcemi s hmotou se zabývá optika. Na její základy se nyní podíváme.

Světlo vzniká ve světelných zdrojích. V principu tyto zdroje dělíme do dvou hlavních skupin na:

1. primární (prvotní) zdroje - produkují (vyrábějí) vlastní světlo. Mezi ně patří Slunce, žárovka, zářivka a další přímé zdroje světla.

2. sekundární (druhotné) zdroje - svítí pouze světlem primárních zdrojů, které částečně odrážejí a díky tomu je můžeme vidět. Dá se tedy říci, že svítí odraženým světlem. Mezi ně patří Měsíc a všechny běžné předměty okolo, které vidíme a samy od sebe nesvítí.

Světlo samotné lze velmi zjednodušeně chápat jako proud částic. Tato teorie se nazývá korpuskulární. Je nejjednodušší, avšak nelze pomocí ní vysvětlit některé pozorované jevy. Lepší popis proto nabízí tzv. vlnová teorie, kde je světlo chápáno jako vlnění, tedy souhrn vln, které se šíří prostorem. Ani tato teorie však nevysvětlí vše. Nejnovější popis je kvantový, kdy je světlo chápáno jako soubor světelných energetických kvant, tzv. fotonů a pozorované jevy jsou vysvětleny pomocí tzv. kvantové fyziky (teorie). My se však omezíme na zlatou střední cestu, která na světlo nahlíží jako na vlnění.

Základní vlastností světla jsou jeho svítivost, barva (frekvence, vlnová délka) a polarizace. Z pokusů je navíc známo, že kvůli dualitě částice a vlnění má světlo vlastnosti jak vlnění, tak částice.

Svítivost

Svítivost udává prostorovou hustotu světelného toku zdroje v různých směrech. Získá se vydělením toku světla zdroje prostorovým úhlem, do kterého svítí. Hustotu světelného toku lze chápat jako světelnou energii vyzářenou za jednotku času. Svítivost je takto definovaná pro bodový zdroj, jehož rozměry jsou zanedbatelné v porovnání se vzdáleností světelného zdroje od místa, kde svítivost určuji. Její jednotka je kandela (cd).

Barva, Vlnová délka, frekvence

Barva světla pak závisí na vlnové délce popř. frekvenci. Pokud budeme světlo chápat zjednodušeně jako vlnění, můžeme popsat jeho vlnovou délku jako vzdálenost mezi dvěma vrcholy vlny. Vlnová délka světla se měří v nanometrech (nm), což je 1/1 000 000 000 m nebo 1/1 000 000 mm (1 miliarditina mm, milióntina mm). Samotné světlo je tak souhrnem světelných vln o různých vlnových délkách, které jsou v rozsahu od zhruba 380 až 740 nm.

Vlnová délka

Definice vlnové délky, větší náhled zde.

Také je možné zavést frekvenci (kmitočet), což je počet kmitů za sekundu a ta je u světelného vlnění v rozsahu 405 THz až 790 THz, kde THz je jednotka frekvence - terahertz, což odpovídá jednomu biliónů kmitů za sekundu.

Hranol a spektrum

Rozklad bílého světla na barevné spektrum lomem na hranolu, větší náhled zde.

Světlo je elektromagnetické vlnění (záření), které můžeme vnímat a vidět vlastníma očima. Vzhledem k vlnové délce leží mezi ultrafialovým zářením (kratší vlnové délky) a infračerveným zářením (delší vlnové délky). Bílé světlo se ve skutečnosti skládá z celého souboru barev tzv. spektra, což je rozložení barev dle vlnové délky. Bílé světlo je možné na spektrum rozložit díky tzv. disperzi světla, což je závislost indexu lomu na vlnové délce světla. Fialová barva se láme nejvíce (má nejkratší vlnovou délku) a červená nejméně (má nejdelší vlnovou délku). Rozklad je možný na hranolu pomocí lomu (refrakce) nebo mřížce na základě ohybu (difrakce).

Nejkratší vlnová délka je pro fialovou barvu (380 nm) a nejdelší pak pro červenou část spektra (740 nm). V případě, že jsou všechny složky zastoupeny ve spektru stejnou a maximální měrou je vnímáno jako jasně bílé, či v opačném případě při zastoupení složek s minimální měrou pak jako temně černou.

Spektrum

Světelné spektrum a spektrální barvy, větší náhled zde.

V tabulce jsou vlnové délky a frekvence pro jednotlivé barvy. Souhrn všech viditelných barev se nazývá světelné spektrum a jednotlivé barvy pak spektrální barvy.

spektrum 3

Světelné spektrum, větší náhled zde.

Vlnové délky a frekvence různých barev
Barva Vlnová délka (nm) Frekvence (THz)
červená 625-740 480-405
oranžová 590-625 510-480
žlutá 565-590 530-510
zelená 520-565 580-530
azurová 500-520 600-580
modrá 430-500 700-600
fialová 380-430 790-700

Světlo jako elektromagnetické vlnění

Světlo je elektromagnetické vlnění, u něhož kmitají na sebe navzájem kolmo vektory elektrické intenzity E a magnetické indukce B a oba jsou navíc kolmé k vlnovému vektoru, který je ve směru šíření (postupu) světelné vlny. Vzdálenost mezi dvěma stejnými amplitudami vlny je pak vlnová délka.

vlna

Světlo jako elektromagnetická vlna tvořená vektory E a B navzájem kolmými, větší náhled zde.

Polarizace světla

Polarizace světla je vlastnost světla, které je postupné příčné elektromagnetické vlnění. To znamená, že vektor intenzity elektrického pole je kolmý na směr šíření. Jeho velikost se periodicky mění, což znamená, že vektor elektrické intenzity vlastně kmitá. Pokud tento vektor mění směr zcela nahodile, světlo je nepolarizované. V případě polarizovaného světla není směr vektoru elektrické indukce nahodilý, ale opisuje v rovině kolmé na směr šíření obecně elipsu. Mluvíme pak o elipticky polarizovaném světle. Speciálním případem jsou potom polarizace kruhová (opisuje kruh) nebo lineární (leží v jedné rovině tzv. rovině kmitů).

Vektorová (polarizační) podstata světla se výrazným způsobem uplatňuje u odrazu a lomu a u anizotropních prostředí (prostředí, které mají různé vlastnosti v různých směrech). Světlo lze částečně polarizovat právě pomocí odrazu. Při určitém úhlu dopadu (tzv. Brewsterův úhel) je odražené světlo zcela lineárně polarizované a vektor E kmitá v rovině kolmé k rovině dopadu.. Také při lomu dochází k částečné polarizaci a vektor E kmitá v rovině rovnoběžné s rovinou dopadu. Princip polarizace nachází uplatnění u polarizačních filtrů, kde vlivem jeho natáčení lze měnit intenzitu (jas) polarizovaného světla. Toho lze využít u polarizačního filtru např. pro ztmavení oblohy, zvětšení sytosti barev a zamezení průniku nechtěných odrazů od vodní hladiny či skla.

polarizované světlo

Rozdíl mezi polarizovaným a nepolarizovaným světlem.

polarizace

Druhu polarizace podle tvaru opisované křivky, větší náhled zde.

Rychlost šíření světla

Světlo se šíří konečnou rychlostí. Ta je však odlišná v různých prostředích, nejrychleji se světlo šíří ve vakuu (vzduchoprázdnu), neboť mu v cestě nebrání žádné částice (atomy, molekuly, elektrony, protony ad.). Jde o největší možnou rychlost, kterou se něco může šířit prostorem, jeho hodnota je přibližně 300 000 km/s. Je to jen těžko představitelná rychlost. Kolem rovníku by světlo oběhlo 7,5-krát za sekundu. Ve všech ostatních prostředích se šíří pomaleji (nižší rychlostí). Zhruba platí, že čím je prostředí hustší, tím hůře a pomaleji se jim světlo šíří.

Prostředí dle propustnosti světla

Prostředí, kterými se světlo šíří nazýváme opticky průhledná prostředí (např. vzduch, sklo) a ty, kde se šíří pouze částečně pak opticky průsvitná (např. zakalené sklo). Existují i prostředí, jimiž se světlo nešíří tzv. opticky neprůhledná prostředí (např. beton, dřevo).

Jak získám obraz pomocí objektivu?

Pro vysvětlení funkce objektivů je především třeba znát základy optiky. Optika je část fyziky, která se zabývá světlem, jeho vlastnostmi, šířením v různých prostředích a na jejich rozhraních. V zásadě ji lze rozdělit na geometrickou, vlnovou a kvantovou optiku.

Geometrická optika je zjednodušením vlnové optiky. Vychází z předpokladu, že vlnová délka světla je zanedbatelná vzhledem k rozměrům těles, jimiž a kolem nichž se světlo šíří. Jeho chování tak může být popsáno pomocí paprsků splňujících geometrické zákony. Paprsky udávají směr šíření světla.

Šíření světla v geometrické optice je založeno na Fermatově principu, jež říká, že se světlo šíří z jednoho bodu do druhého po dráze, kterou projde za nejkratší dobu. Z toho vyplývají tři zákony:

1. přímočaré šíření

V homogenním a izotropním prostředí (všude a ve všech směrech má stejné vlastnosti) se světlo šíří přímočaře ve směru světelných paprsků.

2. nezávislost chodu světelných svazků

Světelné svazky se šíří vzájemně na sobě nezávisle.

3. zákon lomu a odrazu

Na rozhraní dvou homogenních a izotropních prostředí (ve všech směrech stejné vlastnosti) se světelné paprsky řídí zákonem odrazu a lomu (Snellův zákon).

Snellův zákon

Snellův zákon lomu, větší náhled zde.

Ze zákonu odrazu vyplývá, že dopadající paprsek se na rozhraní dvou prostředí odrazí pod stejným úhlem měřeným od kolmice dopadu, což je přímka ležící v rovině dopadu a kolmá na rozhraní. Kolmice dopadu a dopadající paprsek určují rovinu dopadu.

Současně může dojít k lomu. Paprsek se láme a lomený paprsek svírá s kolmicí dopadu jiný úhel než dopadající. Tento úhel se nazývá úhel lomu. Platí, že poměr sinů úhlu dopadu a lomu je roven poměru rychlostí světla v prostředí dopadajícího a lomeného paprsku a opačným hodnotám indexu lomu v těchto prostředích. K popisu se využívá veličina zvaná index lomu n, která je buď absolutní nebo relativní.

Odraz a lom

Zákon odrazu a lomu, větší náhled zde.

Absolutní index lomu n udává poměr rychlosti světla ve vakuu vzhledem k rychlosti světla v daném prostředí. Jelikož je rychlost světla ve vakuu maximální a největší možnou rychlostí šíření vůbec, je index lomu v hmotném prostředí vždy větší než jedna. Obecně platí, že čím je prostředí opticky hustší (tedy vyšší hustota a větší odpor šíření světla, což rychlost šíření zpomaluje), tím je index lomu větší. Opticky řidší prostředí zase mají index lomu nižší. Vždy je ale větší než 1. Index lomu ve vzduchu je za normálního tlaku 1,0003, tedy velmi blízký 1. Ve vodě je 1,33 a u skla 1,5-1,9 podle jeho druhu. Znamená to, že ve skle se světlo šíří 1,5-1,9-krát pomaleji než ve vakuu.

Zavádí se také tzv. relativní index lomu N mezi dvěma prostředími. Relativní index lomu je poměr indexů lomu obou prostředí tak, že v čitateli (nahoře ve zlomku) je prostředí, do něhož se paprsek šíří a ve jmenovateli (dole ve zlomku) je prostředí, z něhož se paprsek šíří. V případě šíření z řidšího do hustšího prostředí je pak relativní index lomu větší než 1, v opačném případě je pak menší než 1. Udává tedy, kolikrát se zpomalí (resp. zrychlí) paprsek po průchodu do dalšího prostředí. Navíc při průchodu dochází k odrazu či lomu.

Pokud se světelný paprsek šíří z prostředí opticky řidšího (rychlejší šíření) do opticky řidšího (pomalejší šíření), dochází u něj na rozhraní těchto dvou prostředí k odrazu i lomu, přičemž se láme ke kolmici, tedy úhel lomu je menší než úhel dopadu. Tento jev je nazýván lom ke kolmici. Světlo se v novém prostředí pohybuje ve směru lomeného paprsku a pomaleji. Absolutní index lomu řidšího prostředí je nižší pak nižší než u hustšího. V případě opačného šíření z opticky řidšího prostředí do hustšího pak dochází naopak k lomu od kolmice, neboť úhel dopadu je menší než úhel lomu. Světlo se po lomu zrychlí. K lomu od kolmice však nemusí v tomto případě dojít vždy. Existuje totiž mezní úhel dopadu, pro něž úhel lomu dosáhne 90 stupňů a pro větší úhly se již paprsek neláme a do opticky řidšího prostředí neproniká. Tomuto jevu se říká totální (úplný) odraz a využívá se např. u optických vláken, kde se signál ve vlákně prakticky nešíří ven a zůstává pouze uvnitř. Může za to dostatečně velký úhel modového paprsku uvnitř optického kabelu, který lom znemožní.

Čočky

Princip tvorby obrazu objektivem je založen na zobrazování pomocí čoček. Využívá se zde jevu zvaného lom (refrakce). Čočka je v zásadě optická soustava, která je tvořená ze dvou centrovaných ploch. Ty jsou nejčastěji kulové, ale jedna z nich může být i rovinná plocha.

Samotná čočka je známa už od starověku, používali ji již staří Řekové, Arabové a další národy. Její větší rozvoj a použití začalo až s nástupem dalekohledů v 16.-17. století.

Čočka

Skleněná čočka, větší náhled zde.

Čočka může být tvořena z libovolného průhledného materiálu, který lze vytvarovat do daných ploch. Průhledným materiálem se může šířit světlo a navíc na rozhraní se vzduchem dochází k odrazu (reflexi) a lomu (refrakci) světelného paprsku, čímž se mění původní přímočarý chod původního světelného paprsku. Čočky se používají především v optice a mají vliv na šíření nejen světelného záření, ale také infračerveného a ultrafialového. Tyto části elektromagnetického spektra však lidské oko není schopno přímo vnímat jako světlo a nevidí je.

Nejčastějším materiálem čoček je čiré sklo, nověji se však pro jejich výrobu používají také plasty a občas i jiné materiály a látky. Materiál čočky je v optice charakterizován absolutním indexem lomu n, který vyjadřuje poměr mezi rychlostí šíření světla ve vakuu a v daném materiálu (látce) čočky. Jelikož se v látce šíří světlo pomaleji díky interakci s látkou, tak musí být index lomu materiálu čočky větší než jedna. Další charakteristikou je index absorpce, který udává míru útlumu světla v dané látce jeho pohlcením (absorpcí). Čočkou tedy neprojde veškeré světlo, ale jenom jeho část. Obecně se však dá říci, že absorpce světla uvnitř čočky je poměrně malá a blíží se nule.

Čočky

Různé druhy čoček, větší náhled zde.

Šíření světelných paprsků uvnitř čočky a skrz ní nejjednodušeji popisuje geometrická optika.

Protože sklo, z kterých jsou čočky objektivu obvykle tvořeny má vyšší absolutní index lomu než vzduch (ten má index lomu blízký 1) dochází při dopadu světla na čočku jednak k odrazu a jednak k lomu světla, světlo jde do opticky hustšího prostředí a láme se tedy ke kolmici. Navíc čočka má zakřivený povrch, takže se paprsky na různých místech čočky lámou různě a nejsou tedy rovnoběžné jako v případě vodorovného povrchu. Kolmice dopadu je u zakřivené plochy spojnicí místa dopadající paprsku na rozhraní a středu křivosti zakřiveného povrchu. Vzdálenost tohoto místa od středu křivosti se nazývá poloměr křivosti.

Pro zobrazení předmětu je třeba, aby každý bod předmětu byl zdrojem světla. Vychází pak z něho svazek paprsků, kterému se říká homocentrický (má jeden střed, z kterého vystupuje). Poté vstupuje do optické soustavy (systému) čoček, kde se mění na jiný homocentrický svazek paprsků, které se protínají v jednom bodě a tvoří tak obraz daného bodu předmětu. Obraz rozlišujeme na reálný (skutečný), které tvoří sbíhavé a protínající se paprsky a obraz lze skutečně pozorovat např. na stínítku. Naproti tomu obraz virtuální (zdánlivý, neskutečný) je tvořen rozbíhavými paprsky v zdánlivém prodloužení proti směru světelných paprsků se nám pouze jeví, protože se reálně neprotínají.

Cílem optického zobrazení je obvykle získání obrazu, který bude mít podobné geometrické vlastnosti jako předmět. Očekáváme tedy, že bod se zobrazí opět jako bod, přímka jako přímka, rovina jako rovina apod. Takovéto přiřazení předmětů a obrazů je jednoznačné a označuje se jako kolineární. Jednotlivé útvary, které si při kolineárním zobrazení vzájemně přísluší, se označují jako sdružené (konjugované) útvary.

Poměr určitých sdružených veličin obrazu a předmětu definuje zvětšení. Využívají se následující druhy zvětšení:

1. Příčné (laterální) zvětšení

Toto zvětšení je určeno poměrem velikostí (příčných rozměrů) obrazu a předmětu.

Podle jeho znaménka dělíme obraz na:

a) přímý (viděný přímo jako očima) - pro kladné příčné zvětšení

b) převrácený (otočený o 180 stupňů, vzhůru nohama pro záporné příčné zvětšení

Podle jeho velikosti lze obraz rozdělit na:

a) zmenšený - příčné zvětšení je menší než 1

b) nezvětšený - příčné zvětšení je rovno 1

c) zvětšený - příčné zvětšení je větší než 1

2. Úhlové (angulární) zvětšení

Úhlové zvětšení je určeno poměrem tangent úhlů, které svírají sdružené paprsky (předmětový a obrazový) s optickou osou.

3. Osové (axiální) zvětšení

Osové zvětšení je definováno jako poměr dvou elementárních úseček na hlavní ose a někdy bývá nazýváno zvětšením do hloubky.

Obecně musí platit, že součin osového a úhlového zvětšení podělený příčným zvětšením je roven 1.

Obraz lze konstruovat pomocí tzv. základních bodů optické soustavy, mezi které patří:

1. hlavní body H - jsou dva a to předmětový a obrazový, je to dvojice sdružených bodů na optické ose (ose optické soustavy), pro které je příčné zvětšení rovno jedné.

2. uzlové body U - jsou dva - předmětový a obrazový, je to dvojice sdružených bodů na optické ose, pro které je úhlové zvětšení rovno jedné.

3. ohniska F - jsou opět dva, předmětové ohnisko je bod ležící na optické ose v předmětovém prostoru, jehož obraz leží v nekonečnu. Podobně obrazové ohnisko je bod na ležící na optické v obrazovém prostoru, jež je obrazem bodu předmětu v předmětovém prostoru v nekonečné vzdálenosti od optické soustavy.

Pokud proložíme základním bodem rovinu kolmou k optické ose, dostaneme rovinu hlavní, uzlovou nebo ohniskovou.

Při tvorbě optických systémů, které zprostředkovávají optické zobrazení, se využívají určité jednoduché optické prvky. Za základní optický prvek lze považovat jakoukoli lámavou nebo odrážející plochu, která odděluje dvě optická prostředí s vhodnými vlastnostmi. Tyto plochy mají obvykle rovinný nebo kulový tvar.

Optické zobrazení lomem na kulové (sférické) ploše

Pro pochopení principu zobrazování pomocí čoček je třeba znát zobrazení lomem na kulové ploše. Ze zákona odrazu a lomu lze odvodit zobrazovací rovnici, která vyjadřuje vztah mezi poloměrem křivosti této kulové plochy, předmětovou a obrazovou vzdáleností.

lom světla

Lom světla na sférické (kulové) ploše, větší náhled zde.

Pokud průsečík optické osy kulové plochy a okraje čočky nazvu vrcholem kulové plochy V, pak lze definovat předmětovou a obrazovou ohniskovou vzdálenost jako velikost úsečky mezi ohniskem a vrcholem čočky. Tyto vzdálenosti jsou velikostně stejné a rovnají se polovině poloměru křivosti.

Spojnici zdroje paprsku P a středu křivosti plochy S nazýváme optickou osou. Paprsek, který je totožný s optickou osou dopadá na kulovou plochu kolmo a jeho směr se zachovává. Obraz bodu P, který leží na optické ose, tedy bude také ležet na optické ose.

Vlastní odvození je složitější a nebudu ho zde popisovat, nejjednodušší je si pamatovat, že při zobrazení zakřivenou kulovou plochou (jedna z ploch čočky) jde o zobrazení lomem a platí pro ni základní pravidla.

Při geometrické konstrukci lze využít známých základních bodů soustavy. Z homocentrického svazku se pro jednoduchost vyberou pouze význačné paprsky, které prochází základními body. Jde především o paprsek jdoucí rovnoběžně s optickou osou, který po průchodu optickou soustavou směřuje do obrazového ohniska, paprsek, který prochází předmětovým ohniskem a po průchodu optickou soustavou je rovnoběžný s optickou osou, nebo paprsek, který prochází předmětovým uzlovým bodem, k němuž sdružený paprsek je rovnoběžný.

Zobrazování pomocí čočky

Paprsek jdoucí od bodu předmětu dopadá na libovolné místo povrchu čočky, která tak tvoří rozhraní dvou různých optických prostředí. Na tomto rozhraní dochází k odrazu a lomu. Část paprsku se uvnitř čočky láme podle Snellova zákona lomu a podle stejného zákona se láme i na protilehlém povrchu. Navíc se malá část světla odráží zpět a ještě velmi malá část světla se uvnitř čočky pohltí (absorbuje).

Pro lepší představu je možné použít model tlusté čočky.

Tlustá a tenká čočka.

Na obrázku je schematické znázornění čočky s indexem lomu n, která je umístěna v okolním prostředí s indexem lomu n0, který je u vzduchu přibližně 1. Osa o je optická osa čočky. Body předmětové jsou označené bez čárky a obrazové pak s čárkou. Body F1 představují předmětové a obrazové ohnisko první lámavé plochy s poloměrem křivosti R1 a vrcholem V1, a body F2 představují předmětové a obrazové ohnisko druhé lámavé plochy s poloměrem křivosti R2 a vrcholem v bodě V2. Body F představují předmětové a obrazové ohnisko čočky. Předmětová ohnisková vzdálenost čočky je f a obrazová vzdálenost čočky pak f s čárkou. Vzdálenost obrazového ohniska první lámavé plochy F1 a předmětového ohniska druhé lámavé plochy F2 je označována jako optický interval delta (d).

Tlustá čočka

Popis tlusté čočky, větší náhled zde.

Optickou mohutností D označujeme pak převrácenou hodnotu obrazové ohniskové vzdálenosti čočky a uvádí se ve známých jednotkách dioptrie (Dp). Její hodnota může být kladná i záporná podle typu čočky a tím znaménka ohniskové vzdálenosti (spojka - kladná hodnota, rozptylka - záporná hodnota).

V praxi je obvykle tloušťka čočky d mnohem menší než poloměry křivosti jednotlivých lámavých ploch R1 a R2. Taková čočka se pak označuje jako tenká. V opačném případě se mluví o tlusté čočce.

Druhy čoček

Čočky jsou většinou kulové, tj. alespoň jeden jejich povrch je tvořen částí kulové plochy. Ve zvláštních případech se používají čočky jiných tvarů.

Základní dělení čoček vychází z toho, jak působí na prošlý rovnoběžný (kolimovaný) optický svazek.

Podle toho je můžeme rozdělit na:

1. Spojné čočky (spojky, kladné, konvexní čočky)

Popis spojky

Popis spojky, větší náhled zde.

tenka spojka

Spojka jako tenká čočka, větší náhled zde.

Spojné čočky neboli spojky mění rovnoběžný svazek na sbíhavý, takže paprsky se za nimi protínají v bodě označovaném jako ohnisko. Vzniká tak skutečný obraz předmětu.Jsou vždy uprostřed silnější než na okrajích a mají vždy jeden vypuklý povrch. Ohnisková vzdálenost je kladná a optická mohutnost též.

Spojka

Spojná čočka a zobrazení, větší náhled zde.

Podle tvaru druhého povrchu se dělí na:

1 dvojvypuklá (bikonvexní) - druhý povrch je také vypuklý

2 ploskovypuklá (plankonvexní) - druhý povrch je rovinný

3 dutovypuklé (vydutovypuklé, konkávkonvexní) - druhý povrch je dutý.

Spojky

Typy spojných čoček.

2. Rozptylné čočky (rozptylky, záporné , konkávní čočky)

Popis rozptylky

Popis rozptylky, větší náhled zde.

tenka rozptylka

Tenká rozptylka, větší náhled zde.

Rozptylné čočky neboli rozptylky mění rovnoběžný svazek na rozbíhavý, který zdánlivě vychází z ohniska před čočkou a vytvářejí tak pouze zdánlivý obraz. Jsou vždy uprostřed tenčí než na okrajích a mají jeden povrch dutý. Ohnisková vzdálenost je záporná a optická mohutnost též.

Rozptylka

Rozptylná čočka a zobrazení, větší náhled zde.

Podle tvaru druhého povrchu se dělí na:

4 dvojduté (dvojvyduté, bikonkávní) - druhý povrch je také dutý

5 ploskoduté (ploskovyduté, plankonkávní) - druhý povrch je rovinný

6 vypukloduté (konvexkonkávní) - druhý povrch je vypuklý.

Rozptylky

Typy rozptylných čoček.

Existují však také čočky, které mají jiný tvar povrchu, než je kulová výseč, tedy od středu vyseklá část koule.

Speciální typy čoček

1. Válcová cylindrická čočka - jeden její povrch je tvořen částí válce.Taková čočka ovlivňuje chod paprsků jen v rovině kolmé na osu tohoto válce, zatímco v rovině určené směrem paprsku a osou válce není sbíhavost ovlivněna. Používá se často ke korekci optických vad.

2. Multifokální čočka - má v různých místech různou ohniskovou vzdálenost.

3. Fresnelova čočka - je to plochá čočka vzniklá rastrováním obvyklé kulové nebo válcové čočky

Fresnelova čočka

Fresnelova čočka, větší náhled zde.

4. Asférická čočka - je rotačně symetrická jiného než kulového (sférického) tvaru. Speciálně navržené tvary takovýchto čoček umožnily například konstrukci nových druhů fotografických objektivů a astronomických přístrojů. Je vhodná pro korekci některých forem astigmatismu (viz. níže - optické vady).

5. Toroidní čočka - má ve dvou navzájem kolmých rovinách jiné zakřivení, takže v každé z nich ovlivňuje sbíhavost paprsků jinak. Lze ji použít pro korekci astigmatismu (viz. níže - optické vady).

Pro geometrickou konstrukci obrazu čoček lze využít speciálních význačných paprsků.

Význačné paprsky spojky:

1. Paprsek, který prochází optickým středem čočky, se neláme. Tento paprsek nazýváme hlavní.

2. Paprsek procházející při svém dopadu na spojku ohniskem F se láme rovnoběžně s optickou osou čočky.

3. Paprsek dopadající rovnoběžně s optickou osou čočky se láme do ohniska F.

Zobrazovací paprsky

Význačné zobrazovací paprsky pro spojku, větší náhled zde.

Význačné paprsky rozptylky:

1. Paprsek rovnoběžný s optickou osou se láme tak, že ve zpětném prodloužení prochází ohniskem F, jakoby by vycházel z ohniska F na optické ose.

2. Paprsek mířící do ohniska F se láme rovnoběžně s optickou osou.

3. Paprsek procházející optickým středem čočky nemění svůj směr.

 zobrazeni na cockach

Význačné zobrazovací paprsky u spojky (vlevo) a rozptylky (vpravo), větší náhled zde.

Zobrazení předmětu na spojné čočce (spojce)

Zobrazení předmětu na spojné čočce závisí na vzdálenosti předmětu od spojky. Předmět umístěný v nekonečnu se zobrazí přímo do obrazového ohniska F' (ohniskové roviny). Pokud předmět přiblížíme blíže (oblast I), zobrazí se mezi ohniskem F' a středem křivosti S' (oblast V), obraz bude skutečný, zmenšený a převrácený. Předmět ve středu křivosti se zobrazí také do středu křivosti a je skutečný, nezvětšený (stejně velký) a převrácený. Dalším přibližováním předmětu k ohnisku (oblast II) se obraz dále zvětšuje a je skutečný, zvětšený a převrácený a nachází se za středem křivosti (oblast VI). Předmět v předmětovém ohnisku se zobrazí v nekonečnu a bude nekonečně velký. Pro předmět blíže než je ohnisko funguje jako lupa a vytváří obraz zdánlivý, zvětšený a přímý v oblastech I--III.

spojka oblasti

Oblasti zobrazení na spojce, větší náhled zde.

Obraz a předmět na spojce

Zobrazení blízkého předmětu na spojné čočce, větší náhled zde.

Obraz a předmět na spojce 2

Zobrazení vzdáleného předmětu na spojné čočce, větší náhled zde.

Zobrazení předmětu na rozptylné čočce závisí na vzdálenosti předmětu od rozptylky. Předmět umístěný v nekonečnu se zobrazí přímo do ohniska (ohniskové roviny) F'. Předmět umístěný v oblasti I-III se zobrazí do oblasti III jako zdánlivý, zmenšený a přímý. U předmětu ležícího v oblasti IV pak je obraz v IV-VI a je skutečný, zvětšený a přímý. Pokud je předmět v ohnisku F, je obraz v nekonečnu. Je-li předmět v oblasti V, nachází se obraz v oblasti I a je zdánlivý, zvětšený a převrácený. V případě předmětu v oblasti VI, pak je obraz v oblasti II zdánlivý, zmenšený a převrácený.

rozptylka oblasti

Oblasti zobrazení na rozptylce, větší náhled zde.

Obraz a předmět na rozptylce

Zobrazení předmětu na rozptylné čočce, větší náhled zde.

Vlastní objektiv je však složen z několika čoček sestavených do jednotlivých skupin, které mohou mít nejen různé tvary a velikosti, ale často jsou i z různých materiálů (skel) s různým indexem lomu. Jsou sestaveny v optické ose objektivu, takzvaně opticky centrované. Navíc se během ostření či zoomování (změně ohniskové vzdálenosti) pohybují.

Objektiv s čočkami

Objektiv je tvořen ze soustavy čoček.

Kromě lomu a odrazu je třeba v objektivu vzít v úvahu také ohyb (difrakci) světla, která vede ke vzniku interferenčních (složených) obrazců.

Ohyb (Difrakce) světla

Ohyb (Difrakce) světla vzniká vlivem jeho vlnových vlastností při průchodu otvorem dostatečně malé překážky nebo podél ní a vede ke vzniku ohybových jevů (difrakčních obrazců). Jev je tím výraznější, čím je otvor překážky menší a srovnatelnější s vlnovou délkou světla. U velké překážky či otvoru se vzhledem k vlnové délce světla k ohybu nedochází a za překážkou se pouze tvoří stín.

Ohybové jevy můžeme v principu rozdělit na dva typy:

1. Fresnelův ohyb (Fresnelova difrakce) - pro kulovou vlnu, blízký zdroj

2. Fraunhoferův ohyb (Fraunhoferova difrakce) - pro rovinnou vlnu, velmi vzdálený zdroj

U obou dochází za otvorem přepážky po průchodu světla z jednoho zdroje k skládání (interferenci) vln. Ty jsou však na různých místech přepážky obecně různé (fázově a drahově posunuté), což má za následek změnu intenzity vlny (jasu) v různých místech různě a vede to ke vzniku tzv. interferenčních maxim a minim na stínítku nebo v příslušné rovině za překážkou.

K tomuto jevu dochází i u objektivu vlivem průchodu světla clonou objektivu a přes čočky. Projevuje se to mírnou změnou obrazu, kdy se místo bodů objevuje proužkování vlivem střídání interferenčních maxim a minim. Obraz tedy není přesně bodový, ale složený např. ze střídajících se tmavých a světlých soustředných kruhových proužků. Tento jev závisí zejména na tvaru a rozměrech překážky a také vzdálenosti zdroje a obrazové roviny. Podle toho se také liší tvar ohybových (difrakčních) obrazců a jejich rozměry. S rostoucím clonovým číslem (zmenšujícím se clonovým otvorem) se jeho vliv zvyšuje a jevy jsou tak výraznější a vedou k celkovému zhoršení kvality obrazu, která se projevuje zejména horším rozlišením, ostrostí a kresbou. Více se tomuto problému věnuje odstavec o vadách objektivu vlivem difrakce.

Nyní se podíváme na možné vady a nedostatky čoček při tvorbě obrazu.

Vady (Aberace, ochylky) čoček a objektivů

Vady objektivu jsou vlastně odchylky (aberace) od ideálního obrazu. Jsou dány samotnými vadami použitých optických členů, většinou čoček. Nazýváme je také optickými vadami a do jisté míry určují kvalitu objektivu samotného zejména po obrazové stránce.

Hlavním úkolem objektivu je vytvořit obraz dle přání fotografa bez viditelných rušivých a negativních elementů, jež v obraze mít nechceme. Je vlastně první částí systému fotoaparátu, který vytváří obraz. Po něm následuje snímací čip, procesor pro zpracování obrazu a úložné zařízení. Jelikož snímací čip již pracuje s obrazem vytvořeným objektivem, je důležité a zásadní, aby obraz vytvořený objektivem byl kvalitní.

Objektiv je tvořen mnoha optickými členy a dalšími částmi, které mají na tvořený obraz hlavní vliv. My se zaměříme zejména na čočky a vady s nimi spojené, jejichž vliv je nejvyšší.

1. Kulová vada (otvorová vada, sférická aberace)

Mezi hlavní vady či nedostatky čoček a tedy i objektivů patří kulová (sférická, otvorová) vada. Většinou se vyskytuje u čoček se sférickými (kulovými) nebo rovinnými povrchy. Její příčinou je odlišná ohnisková vzdálenost pro různě vzdálené paprsky od optické osy. Svazek paprsků vycházejících z bodu na optické ose čočky (objektivu) se po průchodu čočkou (optickou soustavou) neprotíná přesně v jednom bodě. Paprsky jdoucí blíže k optické ose (paraxiální paprsky) se po průchodu čočkou protínají v bodě bližším čočce (mají menší ohniskovou vzdálenost a ohnisko blíže ke středu čočky), než paprsky procházející dále od osy blíže k okraji optické soustavy (mají delší ohniskovou vzdálenost a ohnisko dále od středu čočky). Obraz bodu předmětu tak nebude přesně bodový, ale zobrazí se jako neostře ohraničená ploška. Vada se více projevuje u předmětů umístěných dále od osy objektivu. Pokud tedy fotoaparát ostří na střed tak, aby obraz na čipu byl ostrý, tak díky odlišnému ohnisku je obraz z okrajů snímku rozmazaný. Nejvíce se neostrost projeví na v rozích snímku, které jsou nejdále od středu. Čím je svazek paprsků širší, tím je sférická vada větší.

Nejchoulostivější jsou tlusté spojné čočky u krátkých ohnisek a hodně světelné objektivy. Výrazněji je též vidět u větších a levnějších objektivů digitálních zrcadlovek, neboť tam je rozdíl optických drah paprsků a vzdálenost ohnisek největší. Vada je výraznější pro lepší světelnost (nižší clonové číslo) a tedy větší efektivní průměr objektivu, kudy může procházet světlo.

Do jisté míry se dá odstranit nebo zmírnit třemi různými způsoby: Nejjednodušší korekce je větším zacloněním (zvýšením clonového čísla), čímž se zamezí průchodu paprsků více vzdálených od optické osy zmenšením průřezu (otvoru) paprskům. Zvýší se tak ostrost směrem k okrajům. To však vede k velké ztrátě světla a celkovému ztmavení obrazu, což může být někdy nežádoucí. Druhou možností je vhodně postavit čočku nebo zvolit jiný tvar než sférický. Pokud by se například obrátila ploskovypuklá čočka k dopadajícím paprskům vypuklou stranou, dojde k výraznému omezení sférické vady. Uplatnění tedy nachází také použití asférických členů (čoček). Poslední možností je osazení rozptylky, která má průběh sférické vady zcela opačný. Díky tomu je možné sférickou vadu značně potlačit vhodnou kombinací spojky a rozptylky v objektivu, obvykle blízko sebe nebo u sebe nalepené, jež se nazývají tmelený dublet.

Sférická aberace

Sférická aberace, větší náhled zde.

sférická aberace 2

Zobrazení paprsků u sférické aberace, větší náhled zde.

2. Barevná vada (Chromatická aberace)

Barevná vada vzniká na základě různého indexu lomu pro různé barvy a tedy i různé vlnové délky světla (fialová má nejkratší vlnou délku a červená naopak nejdelší). Největší rozdíl v indexu lomu je mezi barvami z opačných konců spektra (červená-fialová), ty pak ohraničují obraz. Platí, že fialové světlo se díky většímu indexu lomu láme více než červené světlo, které se láme nejméně. Tím také dostáváme odlišné ohniskové vzdálenosti pro jednotlivé barvy a obraz v červené barvě je posunutý vůči modré. Projevuje se jako barevná kontura (obvykle červená, modrá nebo zelená či žlutá) a většinou na kontrastních přechodech a u tmavých hran oproti světlejšímu okolí. Nejvíce se projeví na ostrých kontrastních hranách, které se zobrazí mázle a v barevném spektru. Velké nebezpečí hrozí od paprsků vlnových délek, pro které není objektiv korigován. Stává se to u infračerveného nebo ultrafialového záření, při jehož velkém obsahu může dojít ke značnému rozostření.

chromatická aberace old

Chromatická aberace, větší náhled zde.

Odstranění barevné vady je obtížné a lze řešit pomocí speciálních optických prvků. V minulosti se zejména u teleobjektivů pro korekci používaly speciální optické prvky s odchylnou disperzní charakteristikou, konkrétně krystaly fluoridu vápenatého. Jejich nevýhodou však bylo snadné prasknutí a citlivost na teplo, což vedlo ke změně indexu lomu objektivu a nežádoucím způsobem ovlivnilo ostření. Do jisté míry ji lze snížit opět asférickými členy nebo ještě lépe speciálními čočkami. Barevná vada se koriguje (zvláště u teleobjektivů, kde se paprsky promítají pod malým úhlem) použitím optických členů vyrobených ze speciálních skel a kombinací různých druhů skel o různém indexu lomu (sklo korunové - má malý rozptyl, flintové - velký rozptyl atd.). Používají se skla s nízkou disperzí (tzv. ED členy nebo Super ED členy). Objektivy, které mají barevnou vadu téměř odstraněnou pak nazýváme apochromáty. Nejvíce se projevuje u ultrazoomů a ultrazoomových objektivů zrcadlovek s velkým rozsahem ohniskových vzdáleností, kde je také většinou nejvíce optických členů a lomných ploch. Nejméně jí trpí většinou objektivy s pevnou ohniskovou vzdáleností (tzv. pevná skla).

Aberace

Sférická a chromatická aberace, větší náhled zde.

3. Astigmatismus

Astigmatismus je optická vada, kterou způsobují šikmé paprsky vzhledem k optické ose čočky či objektivu. Tyto paprsky se totiž lámou jinak než kolmé k čočce nebo rovnoběžné s optickou osou. To se projevuje opět rozmazáním, kdy se body v navzájem kolmých osách, rovinách a směrech zobrazí v různé vzdálenosti. To má za následek, že body mimo střed se zobrazují jako elipsy nebo úsečky a ke krajům se prodlužují. Celkově dochází k rozmazání a zkreslení obrazu. Při přeostřování se zase začnou protahovat kolmo na předchozí. Ostrost vodorovných nebo svislých linií může klamat, protože při určitém zaostření se úsečky vzájemně překrývají. Jednou z hlavních příčin je nepřesnost vybroušení optických ploch nebo jejich špatné vzájemné vycentrování. Odstranit se dá použitím vhodné kombinace čoček a téměř zcela odstranit ji umí anastigmát. Zmírňuje se rovněž zacloněním. Nejvíce se projevuje při fotografování objektů pod velkým úhlem vůči optické ose objektivu. Do jisté míry ji trpí téměř každý objektiv, nicméně je obvykle většinou malá a není tak patrná.

Astigmatismus

Astigmatismus, větší náhled zde.

4. Koma (asymetrická aberace)

Pro rovnoběžný svazek paprsků šikmých vůči optické ose se může projevit vada zvaná koma. Je tvořena velmi šikmými paprsky procházejícími blízko u okraje čočky, které se lámou značně nepravidelně. Jimi vytvořený obraz předmětu je jinak velký než který vytváří paprsky ze středu objektivu. Její název vychází z tvaru bodových objektů, které pozorujeme u okraje snímku či objektivu. Projevují se jako protažené a zkreslené kapky podobné kometě s chvostem ubíhajícím ke kraji. Bod se vlastně nezobrazí do bodu, ale do jakési soustavy obrazců. Jde vlastně o speciální typ astigmatismu. Tuto vadu spatříte na snímcích pouze u okrajů, kde mohou být body protažené někdy až v krátké čárky a trochu rozmazané. Má to vliv na kresbu, rozlišení a ostrost u okrajů snímku. Oprava se zajišťuje správným centrováním optiky vůči středové rovině, tak aby byla symetrická. Soustava, která má korigovánu sférickou i asférickou vadu říkáme aplanatická. Koma se projevuje vzácně zejména u velkých průměrů objektivů a při otevřené cloně. Částečně se dá opět snížit zacloněním.

Koma

Symetrická aberace, větší náhled zde.

5. Zkreslení obrazu(Zhroucení kresby)

Tato vada je většinou dobře patrná a pozorovatelná. Vzniká odlišným zvětšením bodů různě vzdálených od optické osy (vnější částí obrazu mají jiné zvětšení oproti vnitřním). Pokud jsou vnější části obrazu zvětšeny více než vnitřní (příčné zvětšení roste se vzdáleností od optické osy) je zkreslení poduškovité (připomíná v rastru čar polštář či podušku) a v případě většího zvětšení vnitřních částí (příčné zvětšení klesá se vzdáleností od optické osy) je pak soudkovité (připomíná v rastru čar soudek). Někdy se objevuje dokonce vlnkovité zkreslení (kombinací soudkovitého a poduškovitého). Soudkovitost se obvykle projevuje na širokoúhlém konci a nejkratší ohniskové vzdálenosti objektivu a poduškovitost naopak na opačném konci s nejdelším ohniskem. O typu rozhoduje umístění clony (před spojkou, před rozptylkou). Zkreslením trpí nejvíce širokoúhlé objektivy a zoomy, zvláště s velkým rozsahem, které mívají u krátkých f soudkovité a u dlouhých f poduškovité zkreslení. Nezmění se zacloněním. Typická je zejména pro zoom objektivy a ultrazoomy. Běžně se s minimálním zkreslením setkáme u objektivů s pevnou ohniskovou vzdáleností. Její eliminace je možná opět vhodnou kombinací a tvarem čoček. Soudkovité zkreslení jedné čočky se vykompenzuje poduškovitým zkreslením druhé čočky. Soustavu bez zkreslení nazýváme ortoskopickou.

Zkreslení 2

Druhy zkreslení, větší náhled zde.

zkreslení

Poduškovité, soudkovité a bez zkreslení obrazu, větší náhled zde.

6. Zklenutí (Sklenutí) zorného pole

Vada souvisí s tím, že body ležící v rovině rovnoběžné s ohniskovou rovinou nevytvoří ostrý obraz na rovinu snímače, ale na zakřivenou plochu, a to vypuklou nebo vydutou. Obraz roviny kolmé k optické ose se zobrazí na zakřivené ploše, čímž dochází k rozmazání a neostrosti. Opět je obvykle odstraněna u anastigmátu, protože souvisí s astigmatismem. Znamená to, že můžeme zaostřit buď na kraj nebo na střed pole. Vada značně vynikne u snímků plochých předmětů nablízko (malá hloubka ostrosti), při snímcích vzdálených objektů se téměř neprojevuje. Často se s ní setkáme u světelných projekčních objektivů. Lze jí odstranit vhodnou vzájemnou polohou členů objektivu a roviny clony.

Zklenutí

Zklenutí zorného pole, větší náhled zde.

Shrnutí konstrukčních optických vad

Tyto vady se při konstrukci objektivů korigují s větší či menší úspěšností. Používá se soustavy mnoha čoček různého tvaru a různých materiálů. Objektivy jsou vždy korigovány pro určitou vzdálenost, kde pak vykazují lepší vlastnosti než ve zbylém zaostřitelném pásmu. V některých případech se záměrně určité vady ponechávají. Celkově se účinky vad nejvíce projevují u zoomů, dost širokoúhlých objektivů a u objektivů s malým základním c. Optimální korekce bývají u středních clonových čísel. U velmi světelných objektivů se může stát, že kreslí lépe při menších clonách, protože musí být korigována rozsáhlá okrajová pásma, a to často na úkor středů, které se využívají při větším zaclonění. Tento kompromis často způsobí, že s drahými supersvětelnými objektivy nemůžeme kresebně dosahovat tak dobrých výsledků jako s méně světelnými modely.

7. Difrakční (ohybové) vady, moiré

Kromě těchto čistě optických konstrukčních vad se projevují ještě vady vlivem difrakce (ohybu) světla. U paprsků procházejících bezprostředně podél okrajů kruhového otvoru (tj. clony, objímky čoček) dochází k ohybovým jevům, které se stupňují se zmenšováním průměru otvoru clony. Výsledkem je nemilá skutečnost, že bod se zobrazí jako ploška, která je orámovaná několika různě prosvětlenými kroužky. Jde vlastně o tzv. interferenční maxima a minima za hlavním obrazem a projevují se zejména při vysokých clonách a malém průměru apertury, přes kterou proniká světlo a na níž může docházet k ohybu. Z toho důvodu není možné pro maximální hloubku ostrosti clonit příliš. Bude to mít za následek negativní difrakční obrazce, jež způsobí rozmazání a někdy tzv. moaré (moiré, vlnkovité struktury). To vzniká, když pravidelný obrazec pole buněk snímače fotoaparátu interferuje s nějakým pravidelným vzorem na ploše zobrazení (např. struktura tkaniny). Překrývání dvou pravidelných obrazců, jež jsou si podobné, ale nejsou dokonale vyrovnány vede ke vzniku sady vzorů moaré efektu. Ten se projevuje jako barevné pruhy nebo kruhy.

Obranou proti ohybu je použití větších průměrů objektivu a malých clonových čísel, aby k ohybu docházelo co nejméně nebo vůbec. Ohyb má totiž za následek limitovanou ostrost (rovněž kontrast), který závisí na veličině zvané rozlišovací schopnost.

Rozlišovací schopnost se popisuje počtem rozlišitelných čar na 1 mm délky, přičemž čára je krátká černá úsečka, oddělená od další stejně dlouhou a širokou bílou úsečkou. Teoreticky by se měla zlepšovat s rostoucím otvorem clony (roste hloubka ostrosti), jenomže pak se zase začínají příliš projevovat ostatní vady, při kterých rozlišovací schopnost klesá (např. se zvětšují rušivé ohybové obrazce, které obraz ruší a rozmazávají). Pro každý objektiv a danou ohniskovou vzdálenost tedy existuje optimální clonové číslo, při kterém je nejkvalitnější kresba i kontrast. Směrem ke zcela otevřené nebo zavřené cloně se hodnoty zhoršují. Toto optimální clonové číslo leží nejčastěji posunutě o 3-4 expoziční stupně (kroky clony) nad minimálním clonovým číslem. Tedy např. pro objektiv o světelnosti f/2,8 (minimální clonové číslo 2,8) je obvykle od 5,6 výše. Není to však pravidlem.

S rozlišovací schopností souvisí také rozptylový kroužek. Předmětový bod se zobrazí objektivem díky popsaným vadám jako kroužek či něco jemu blízkého. Jeho velikostí můžeme definovat pojem ostrost. Rozptylový kroužek tedy závisí na velikosti filmu/čipu. Zdravé oko je schopné rozlišit 2 body, jejichž vzdálenost je cca 1/3500 pozorovací vzdálenosti, jinými slovy asi 1 úhlovou minutu. Záleží tedy na tom, jakou připustíme maximální velikost rozptylového kroužku, abychom při daném zvětšení a pozorování z určité vzdálenosti ještě považovali obraz za ostrý. Pro běžné využití se hodí počítat s obrazem pozorovaným ze vzdálenosti úhlopříčky tohoto obrazu, neboť to je oku nejpřirozenější (odpovídá zhruba základnímu objektivu). Dle dohody se velikostí rozptylového kroužku myslí maximální možné rozostření na filmu nebo digitálním snímači, které po zvětšení na A4 vede na povolených 0,25 mm. Bod je tedy ostrý, pokud na fotografii 20×30 cm (A4) se při dívání ze vzdálenosti 38 cm zobrazí rozptylový kroužek (obraz bodu) menší než 0,25 mm. Z velikosti rozptylového kroužku lze definovat hloubku ostrosti při jednotlivých clonách, která právě pro tyto velikosti rozptylového kroužku bývá zobrazena na objektivu. Pokud ovšem si stanovím náročnější kritéria, hloubka ostrosti se zmenší. Pomocí rozptylového kroužku mohu také definovat přípustnou neostrost vlivem rozhýbání obrazu (při fotografování z ruky) nebo nepřesného zaostření.

Difrakce (Ohyb) světla nám tedy vede k omezení zaostření a možnosti zobrazit bod jako přesný bod. Ostrost, rozlišení, kresba a hloubka ostrosti tak přímo závisí na objektivu a jeho nastavení (použité ohniskové vzdálenosti, cloně a zaostřené vzdálenosti).

8. Vinětace

Jde o pokles osvětlení ke krajům obrazu. Vlivem většího pohlcení a ztráty světla na okrajích, přírubách čoček a tubusu objektivu dochází v obraze k tmavnutí jednolitě osvícené plochy k okrajům snímku. Je to způsobené deformací průřezu svazků paprsků, který již není zcela kruhový, ale mírně eliptický. Osvětlení závisí totiž na úhlu pod nímž svazek dopadá na objektiv a silně klesá s rostoucím úhlem. Ztmavení je viditelné zejména v rozích, které jsou nejblíže k okraji celkového obrazu tvořeného objektivem. Rohy se tak jeví mírně tmavší než střed.

Touto vadou trpí prakticky skoro všechny objektivy a zabránit se ji dá úpravou čoček, objektivu a jejich uspořádáním. Ovlivňuje ji tedy stavba objektivu a především jeho konstrukční délka. Čím více čoček tím větší náchylnost k vinětaci. Podílí se na tom i objímky čoček, na které paprsky narážejí nebo se lámou jako na cloně. Vinětace se projevuje také více u objektivů s velkým zorným úhlem (krátkou ohniskovou vzdáleností), které obsahují čočky s velkým zakřivením, tedy u širokoúhlých objektivů. Značné je však i u ultrazoomů a levných objektivů kompaktů a také levných setových objektivů zrcadlovek. Většinou je patrnější na širokém a nejkratším ohnisku a při otevřené cloně. S vyšší clonou je méně patrná. Tato vada se někdy koriguje přídavnými optickými členy se ztmavováním ke středu.

vinětace

Vinětace, ztmavení rohů, větší náhled zde.

9. Odlesky, parazitní odrazy (reflexy)

Velkým problémem v optické soustavě jsou různé odrazy (reflexy) paprsků, které se přímo neúčastní tvorby obrazu. Část paprsků se totiž od čoček odráží zpět, to vede ke ztrátě světla, část se však odráží i od stěn tubusu a uvnitř objektivu. To má za následek vznik odlesků (světelných skvrn různých tvarů) a duchů (světelný závoj snižující kontrast a kvalitu podání barev pokrývající část snímku). Způsobuje je především protisvětlo nebo přímé světlo a zdroje zepředu v obraze, případně i boční světlo. Odrazy tak nabývají různých nepravidelných tvarů, často kopírují tvar lamelové clony. Počet odrazů se zvyšuje s počtem optických členů v objektivu, přesněji rozhraní mezi sklem a vzduchem a hodně také závisí na stavbě objektivu. Vlivem těchto odrazů se může ztrácet až několik desítek procent světla.

Nejlepší ochranou jsou antireflexivní (protiodrazné) vrstvy, kterou jsou vybaveny téměř všechny novější objektivy. Většinou je na čočkách objektivu více antireflexivních (vícevrstvých, multicoating, MC) povlaků z fluoridu kovů často v kombinaci s dielektrikem, které se nanáší ve vakuu, aby se mezi nedostal vzduch. Jejich použitím se zvětší světelná propustnost čočky (u složitějších objektivů až několikanásobně) a omezí se tak tvorba rušivých obrazů. Také zlepšují kontrast a přenos barev. Jsou poměrně odolné vůči mechanickému poškození a vlhkosti. Díky nim je možné konstruovat mnohem složitější objektivy.

Další možností je použití vnitřních clon v tubusu objektivu. Tubus je na vnitřních stěnách rýhovaný a černě matovaný, to má za následek větší pohltivost negativních paprsků a tím snížení jimi způsobených parazitních odrazů. Rýhování se často objevuje i před přední čočkou objektivu.

Velký význam pro ochranu před postranními paprsky má pak sluneční clona. Zabraňuje jejich přístupu k přední čočce. Hodně objektivů má tak přední čočku více zapuštěnou a tím jsou lépe chráněné (základní objektivy, makroobjektivy). Jiné objektivy zase mají vhodně tvarovanou obrubu (širokoúhlé objektivy, rybí oka) nebo mají zabudovanou vysouvací clonu (teleobjektivy). Pokud není sluneční clona integrována je někdy možné ji osadit. Tyto nasazovací sluneční clony se montují přímo nebo pomocí adaptéru (kroužku) na přední část objektivu. Jsou většinou pevné kovové, plastové nebo gumové. Obvykle mají tvar kuželu, ale častěji lepší tvar formátu uzpůsobeného pro pozorovaný zorný úhel. Také jsou patřičně tvarovány na okrajích. Kromě ochrany před světlem chrání částečně i před prachem, kamínky, deštěm a nepřízní počasí celkově.

10. Centrování

Středy křivosti všech optických členů by měly ležet na jedné optické ose procházející i středem roviny snímače nebo filmu, která je kolmá na optickou osu (nemusí platit u speciálních objektivů). Dobré centrování optického systému znamená rovnoměrnost kvality zobrazení po celém obrazovém poli. Optické vlastnosti musí mít ve všech rozích stejné hodnoty. Toho se dosáhne pečlivým usazením všech členů přesně v optické ose. Horší centrování se objevuje díky rychlé výrobě a menší kontrole zejména u levnějších objektivů, což má za následek nerovnoměrnou kvalitu obrazu v různých směrech snímku.

11. Paprskování (Cípatost)

Zdroje nacházející se přímo v zorném poli objektivu se nezobrazují přesně bodově, ale tvoří kolem sebe hvězdici paprsků. Příčinou je ohyb světla na lamelách clony objektivu. Čím menší rozměr otvoru clony (vyšší clonové číslo) je, tím výrazněji se tyto ohybové jevy projeví. Od světelného zdroje se tvoří hvězdice a počet jejich paprsků (cípů) závisí na počtu lamel clony. Při zaclonění (zvyšování clonového čísla) se s prodlužováním osvitu prodlužují i hvězdice, při odclonění (snižování clonového čísla) se zkracují až při zcela otevřené cloně cípy téměř zmizí a zobrazí se jen rozmazaný bod. Objevují se např. u pouličních lamp či u slunce na snímku.

12. Pohlcování (Absorpce) světla

Optickou soustavu tvoří čočky z materiálu (obvykle skla), který světlo nejen propouští, ale částečně i pohlcuje. Příčinou je zachycení fotonu (kvanta světla) a jeho energie elektrony atomů, které pak přecházejí na vyšší energetickou hladinu. Foton je tak zničen. To vede k jisté ztrátě světla. Ne všechny paprsky procházející čočkami objektivu se tedy dostanou až k rovině obrazu. Pohlcování závisí na optické tloušťce látky (zjednodušeně síle skla čoček apod.), jimiž světlo v objektivu prochází. Ztráta světla tedy roste se zvyšujícím se počtem optických členů, délkou objektivu (tubusu) a při nižším průměru čoček. Pro snížení absorpce světla se používají antireflexivní vrstvy, kvalitnější skla a vůbec konstrukce čoček a celková délka a stavba objektivu.

13. Spektrální propustnost

Kromě celkové propustnosti světla objektivem je třeba také vzít úvahu odlišnou propustnost pro různé vlnové délky (barvy). Navíc některé objektivy a skla ještě mohou být záměrně přibarveny. To vede k dalšímu filtrování vlnových délek a změně propustnosti. Má to však za následek, že každý objektiv vytvoří barevně odlišný obraz. Mluvíme potom o celkovém barevném podání teplém, chladném o neutrálním. Někdy se záměrně omezuje propouštění určitých spekter, zejména pak krátkovlnného (UV záření) pro odstranění studeného nádechu nebo zase dlouhovlnného infračerveného (IR vlny) pro odstranění teplejšího nádechu. Je třeba si však uvědomit, že paprsky s odlišnou vlnovou délkou se lámou různě (UV více, infračervené méně) a ohnisková vzdálenost je tedy citelně posunutá (stejně jako u chromatické vady). To má však za následek, že stupnice předmětových vzdáleností na objektivu pak nesouhlasí se skutečnou vzdáleností. Můžeme se setkat se značkou R (leží před značkou nekonečna) označující nekonečno pro infračervené záření. U infračervených snímků musíme proto ostřit před viditelnou zaostřenou vzdálenost. Naštěstí u běžných objektivů se s velkým rozdílem tolik nesetkáte a navíc lze spektrální propustnost upravit přídavnými barevnými filtry.

14. Bokeh (Způsob rozmazání, rozostření)

Bokeh udává způsob rozmazání či zobrazení nezaostřených předmětů (ležících mimo hloubku ostrosti). Výrazně se projevuje na světlých předmětech. Jeho příčinou je ohyb obrazu, který je u rozostřených předmětů ještě výraznější. Jedná se vlastně o rozptylové kroužky jednotlivých předmětových bodů zvětšujících se s rozostřováním. Jejich vzhled závisí na velkém množství faktorů, nejvíce na konstrukci objektivu, tvaru a počtu lamel.

Podle způsobu rozostření bodu rozeznáváme tyto tvary:

a) víceúhelník - závisí na počtu lamel clony, nastaveném clonovém čísle a zaclonění.

b) kruh - má téměř kruhový tvar a dostaneme ho při zcela otevřené cloně nebo s clonou s velkým počtem lamel, kdy je již clona téměř kruhová. Ještě výraznější kruhovost je v případě, když jsou lamely zakřivené nebo zakulacené.

c) prstenec (mezikruží) - vytváří zrcadlové objektivy, které mají uprostřed vratné zrcátko. Rozostřené části působí nedokonalým dojmem, zvláště proto, že tyto objektivy používají větší clonová čísla (menší rozostření, větší hloubka ostrosti).

Za tvarově nejpoužitelnější a příjemně působící se většinou považují rovnoměrně osvětlené rozptylové kroužky s neostrými okraji, rušivě naopak působí ostře ohraničené mnohoúhelníky. Směrem k okrajům objektivu se však kruhové tvary mění v jiné a celé se hroutí, což hodně záleží na korekci vad objektivu. Tyto tvary mohou tmavnout směrem ke středu nebo směrem od středu nebo od jedné strany k druhé a opět ke krajům obrazu se může situace měnit, to opět záleží na korekci vad objektivu. Vlastnosti bokehu můžeme trochu ovlivňovat změnou clony (clonového čísla). Čím je clona více otevřená, tím jsou rozptylové kroužky větší. Se změnou clony (clonového čísla) se však bohužel mění také míra rozostření obrazu a celkově hloubka ostrosti, což může být omezující pro změnu bokehu. Největší váhu má bokeh u fotografování portrétů a u makra, kde se většinou pracuje s malou hloubkou ostrosti a rozostření se tak více projevuje.

Shrnutí optických vad

Ideální objektiv po stránce korekcí optických vad prostě neexistuje. Kvalitnější objektivy mají více eliminovaných (snížených či zcela odstraněných vad) a bývají patřičně drahé. I ty však některými vadami trpí. Korekce vad je tedy nejčastěji prováděna kompromisem podle druhu určení objektivu a závažnosti vady na jeho použití. Obecně se dá však říci, že vadám se dá čelit také u levnějších objektivů, přesto se jim nikdy zcela nevyhneme. Některé z nich naštěstí tolik nevadí nebo se dají tolerovat. Popřípadě je tu možnost je částečně odstranit pomocí zpracování v grafickém editoru snímků na počítači.

Závěrem

Tento článek se snaží uvést hlavní principy tvorby obrazu objektivu pomocí světla a čoček. Upozorňuje na jeho možnosti a zároveň nedostatky. V následujícím druhém díle se podrobněji podíváme na stavbu objektivu, jeho složení, funkce, rozdělení dle parametrů a výhody a nevýhody jednotlivých typů. Poslední třetí díl se pak hodlá podrobněji věnovat praktickému shrnutí a přehledu objektivů a poradí vám, jak vybírat objektiv, čím se řídit a na co je třeba nezapomenout.

Autor:




Hlavní zprávy

Akční letáky
Akční letáky

Všechny akční letáky na jednom místě!

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2017 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je členem koncernu AGROFERT.