Почему большинство zoom-объективов выдают хроматические аберрации и виньетирование при съемке на широкой и узкой диафрагме и как от этого избавиться?
Для начала, постараюсь пояснить фотографические термины, понятные не всем. Виньетирование - это затемнение изображения от центра к краям, особенно к углам. Зум-объективы - это объективы, обладающие возможностью менять своё фокусное расстояние, «приближая» или «отдаляя» объект съемки. Широкое распространение они получили в последние десятилетия; а до этого в фотографии чаще применялись технически более простые объективы с постоянным фокусным расстоянием, на фотожаргоне – «фиксы».
Хроматические аберрации (ХА) - это вид искажений на фотографии. Они проявляются как цветное окаймление на контурах контрастных объектов: с одной стороны такая кайма, как правило, красного или пурпурного цвета, а с другой - сине-фиолетового или, реже, зелёного. В центре изображения ХА обычно отсутствуют, но проявляются всё сильнее по мере удаления от него к краям.
Диафрагма – устройство в объективе, регулирующее количество проходящего через него света. Обычно размещается между линзами, и выглядит как отверстие изменяемого размера.
И виньетирование, и ХА совершенно не являются исключительным свойством зум-объективов.
Причина виньетирования – различия в пропускании света оптической системой объектива при «прямом» и «косом» падении на него лучей. Такое различие максимально при полностью открытой диафрагме, и быстро уменьшается по мере её закрытия. При закрытии диафрагмы на 2-3 больших деления её шкалы («стопа») виньетирование становится почти незаметным.
Степень виньетирования на полностью открытой диафрагме – одна из важных характеристик качества объектива. Для его уменьшения разработчикам приходится увеличивать габариты и вес конструкции.
В настоящее время виньетирование стало возможным сравнительно легко и безболезненно корректировать путем компьютерной обработки. Во многих современных камерах это является встроенной функцией, и пользователь даже не догадывается, что объектив его камеры обладает заметным виньетированием. С другой стороны, искусственное виньетирование широко используется в качестве изобразительного эффекта, так что соответствующие фильтры входят в состав Фотошопа и даже Инстаграм.
Теперь про ХА. Причина их появления – естественный физический эффект: разница в показателях преломления линзами объектива световых лучей разного цвета. Разработчики оптики борются с ХА с помощью изощренных технических приемов: применения специальных сортов стекла и «асферических» оптических элементов. Естественно, что чем лучше результаты такой борьбы, тем сложнее и дороже объектив. ХА обычно также имеют тенденцию к уменьшению по мере закрытия диафрагмы. Компьютерное подавление контурных ХА применяется, и дает неплохие результаты; но имеются и так называемые «продольные ХА», которые такому подавлению не поддаются.
Теперь по поводу «фиксов» и «зумов». Оптическая система «зумов», в силу необходимости изменения фокусного расстояния, заметно сложнее. При их проектировании разработчикам приходится решать противоречивые технические задачи, и идти при этом на определенные компромиссы. Поэтому, при сравнимой технической сложности и цене, высокое качество изображения и минимизацию искажений в «фиксах» обеспечить заметно проще. Общее правило такое – чем выше кратность «зума», тем, при той же цене, слабее его оптические характеристики. Но конструкция объективов и алгоритмы обработки постоянно совершенствуются, и лучшие современные зумы с кратностью 7, 10 и даже 18 способны давать вполне приемлемую итоговую «картинку».
К ответу Максима Петренко добавлю, что качество изображения зум-объектива зависит от его фокусного расстояния. Например, стандартный объектив Nikkor AF-S DX 18-105/3.5-5.6 G VR:
— наиболее резкий при фокусном расстоянии от 18 до 24 мм и диафрагме до 5,6;
— меньше всего искажает прямые линии на фокусном расстоянии 24 мм;
— меньше всего виньетирует на любом фокусном расстоянии больше 24 мм и диафрагме 5,6 и более закрытой;
— меньше всего показывает хроматические аберрации в положении 70 мм при диафрагме 8, но по факту это не так важно;
— в целом наиболее хорош при фокусных расстояниях от 18 до 24 мм и диафрагме от 3,5 до 5,6.
Подробнее тут: dxomark.com
На практике знать эти нюансы полезно, но воспользоваться таким знанием можно только если ситуация позволяет. Например, в репортаже всем плевать, какое у объектива виньетирование или ХА: если снимок не удался, его просто не будут смотреть.
Аберрации свойственны абсолютно всем объективам, так как это - следствие действия оптических законов преломления света, проходящего через линзу. Воспринимаемый глазом цвет зависит от длины волны - она больше у красных оттенков и меньше у синих. Синие лучи преломляются сильнее красных, соответственно контуры любого изображения, прошедшего через линзу, состоят из своего рода тонкой радуги. Вся история объективостроения - это история борьбы с аберрациями. Простейший объектив вообще не имеет линзы, а лишь отверстие крошечного диаметра, пинхол (англ. pinhole — булавочное отверстие). За ним идет обычная выпуклая линза. Для коррекции хроматических искажений к ней стали приклеивать отрицательные (вогнутые или выпукло-вогнутые) линзы - так появился объектив - ахромат. Затем два ахромата разной оптической силы стали монтировать в одной оправе - эта конструкция называлась апланат. Потом научились рассчитывать объективы из трех линз - двух положительной и одной отрицательной (триплеты), у которых большинство искажений было исправлено до приемлемого уровня. Этот класс объективов с исправленными искажениями стали назвать анастигматами. В объективе тщательно рассчитывается и соблюдается расстояние между линзами, чтобы искажения свести к минимуму. Внутри зум-объектива расстояние между линзами и блоками линз меняется, поэтому стандартными средствами его искажения исправить не удается. Расчет зум-объектива сложен и без компьютера практически невозможен, а чтобы он работал на всех режимах более или менее приемлемо, в его конструкции часто используют асферические (некруглые) линзы и линзы из особых сортов оптического стекла. Резюме: если ставится задача получить при съемке изображения наивысшего качества, нужно стремиться использовать объектив с фиксированным фокусным расстоянием. Но во многих ситуациях достаточно современного качественного зума.
Сама постановка вопроса более чем странная: хроматикой и виньетированием страдают как раз в большей степени фиксы, и чем светосильнее, тем это сильнее выражено. Посмотрите карточки с 85L и убедитесь сами.
Другое дело, что это все корректируется одним щелчком в лайтруме. И то это для "пиксельхантеров", вся цель фотодеятельности которых — снимать веточки и кирпичные стены и рассматривать 300-процентные кропы. К реальной фотографии эти особенности объективов отношения не имеют.
Максим, спасибо большое за ответ!
А можно дополнение к вопросу? Почему при прикрытии диафрагмы в большинстве случаев уходят и виньетирование и ХА? Как это можно объяснить?
При закрытой диафрагме линзы объектива «работают» только своей центральной частью, при этом их характеристики становятся ближе к оптически идеальным. Однако при сильном закрытии диафрагмы (для современных потребительских камер - свыше 1/5,6-1/11, в зависимости от размера сенсора) несколько ухудшается резкость изображения из-за оптического эффекта дифракции.
Обычно объектив устроен так, что его нельзя задиафрагмировать до такой степени, что качество изображения станет совсем уж неприемлемым. Ухудшение резкости заметно, но на деле приходится выбирать компромисс между резкостью и глубиной резкости.