EVROPSKÁ UNIE Evropské strukturální a investiční fondy Operační program Výzkum, vývoj a vzdělávání MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, MLADE2E A TĚLOVÝCHOVY Název projektu Rozvoj vzdělávání na Slezské univerzitě v Opavě Registrační číslo projektu CZ.02.2.69/0.0./0.0/16_015/0002400 Světlo a optika ve filmu a fotografii D i s t a n č n í s t u d i j n í t e x t M a r t i n P e t r á s e k Opava 2019 SLEZSKA UNIVERZITA FILOZOFICKOPŘÍRO DO VĚDECKÁ FAKULTA V OPAVĚ Obor: Multimediální techniky Klíčová slova: fotografie, audiovize, optika, objektivy, kinematografie, film Anotace: Tento materiál je doplňujícím kurzem optiky. Je zaměřený na praktické využití znalostí získaných v základním kurzu Optiky v oblasti fotografie a filmu. Autor: M g r . M a r t i n P e t r á s e k Toto dílo podléhá licenci: Creative Commons Uveďte původ-Zachovejte licenci 4.0 Znění licence dostupné na: http://creativecommons.Org/licenses/by-sa/4.0 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Obsah ÚVODEM 6 RYCHLÝ NÁHLED STUDIJNÍ OPORY 7 1 SVĚTLO 8 1.1 Elektromagnetické záření 8 1.2 Oko 12 1.3 Perspektiva, geometrická optika 15 1.4 Fotometrie 17 1.4.1 Fotometrické veličiny 17 1.5 Praktický úvod do exponometrie 20 1.5.1 Měření světla odraženého od scény 20 1.5.2 Měření dopadajícího světla na scénu 21 1.6 Zdroje světla 22 1.6.1 Tepelné zdroj e světla 22 1.6.2 Ostatní zdroj e světla (netepelné) 24 1.6.3 Blesk fotoaparátu 28 1.6.4 HMI 28 1.7 Vlnové a časticové vlastnosti světla 30 1.7.1 Huygensův princip a difrakce 30 1.7.2 Interference 31 1.7.3 Polarizace 34 2 ODRAZ A L O M SVĚTLA 37 2.1 Princip odrazu a odrazivost 37 2.2 Rovinná zrcadla 41 2.3 Dutá a vypouklá zrcadla 41 2.3.1 Zobrazení dutým zrcadlem 43 2.3.2 Zobrazení vypouklým zrcdlem 46 2.3.3 Skutečné kulové zrcadlo 47 2.3.4 Další tvary zrcadel, zrcadlové dalekohledy 47 2.4 Lom světla 51 2.4.1 Index lomu 51 2.4.2 Lom světla 53 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii 2.4.3 Tenká spojná čočka 57 2.4.4 Tenká rozptylná čočka 58 2.4.5 Tlusté čočky 59 2.4.6 Hlavní rovina 61 2.4.7 Hranol 62 2.4.8 Planparalelní deska 64 2.5 Druhy optických skel 65 2.5.1 Křemenné sklo 67 2.5.2 sodno-vápenaté sklo 68 2.5.3 Borosilikátové sklo 68 2.5.4 Korunové sklo 68 2.5.5 Flintové sklo 68 2.5.6 Fluoritové sklo 69 2.6 Světelnost 71 2.6.1 Clonové číslo 72 2.7 Hloubka ostrosti 73 3 OPTICKÉ V A D Y 77 3.1 Pojem ostrosti 77 3.1.1 Rozlišovací schopnost oka 78 3.1.2 Druhy optických vad 79 3.1.3 Barevná vada 79 3.1.4 Otvorová vada 81 3.1.5 Astigmatizmus 82 3.1.6 Koma 84 3.1.7 Zkreslení 85 3.1.8 Zklenutípole 86 4 HISTORICKÝ VÝVOJ OBJEKTIVŮ 88 4.1 Proč do historie? 88 4.2 Dírková komora 89 4.3 První fotografické objektivy 90 4.3.1 Chevalierův achromát 90 4.3.2 Petzvalův portrétní 91 4.3.3 Periskop 92 4 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii 4.3.4 Aplanáty 92 4.3.5 První teleobjektivy 93 4.3.6 Anastigmaty 93 4.3.7 Triplety 94 4.3.8 Tessar 95 4.3.9 Sonnar 95 4.3.10 (dvojitý) Gaussův objektiv 96 4.3.11 Širokoúhlé objektivy 97 4.3.12 Rybí oko 100 4.3.13 Objektivy typu ZOOM - transfokátory 100 4.3.14 Parfokální objektivy 103 4.3.15 Budoucnost objektivů 103 5 KVALITA OPTICKÉHO ZOBRAZENÍ 105 5.1 Hodnocení jakosti a praktické vady 105 5.2 Hodnotitelné vlastnosti objektivu 106 5.2.1 Ostrost a kontrast 106 5.2.2 Rozlišovací schopnost 107 5.2.3 Vinětace 108 5.2.4 Bokeh 109 5.2.5 Parazitní odrazy 109 5.2.6 Vycentrování objektivu 109 5.2.7 Hodnocení kvality filtrů 109 5.2.8 Zkreslení 109 5.3 MTF křivky a hodnocení j akosti obj ektivů 110 LITERATURA 112 CITOVANÁ LITERATURA 113 SEZNAM OBRÁZKŮ 114 SHRNUTÍ STUDIJNÍ OPORY 120 PŘEHLED DOSTUPNÝCH IKON 121 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii ÚVODEM Všichni pracujeme s fotografickými a filmovými přístroji. Obzvláště očekávám, že s nimi pracuje čtenář této knihy, ehm... tak nějak intenzivněji. Výsada mít fotoaparát nebo kameru se už netýká jen nadšenců a profesionálů. Prakticky všichni máme kamery a fotoaparáty zabudovány v mobilních telefonech, v tabletech, počítačích... Svět se přestal dělit na ty, kteří fotí a nefotí. A smazává se také hranice mezi těmi, kteří fotografickému a filmovému řemeslu rozumí. Rozuměj, vědí, s čím pracují, jak to funguje a svých cílů dosahují záměrně, nikoliv volbou několika nej lepších mezi tisíci náhodných snímků. Pochopení podstaty je jednou z klíčových výhod každého autora. Mít v moci všechny optické plochy objektivu vašeho fotoaparátu dodává nové možnosti v tvorbě ale především větší šanci na eliminaci nechtěných jevů. Volba správného filtru, objektivu, jejich nastavení a způsob použití v určitých situacích se opírá o znalosti optiky. Fyzikálních základů nauky o světle. Průchod, odraz a lom světla na různých optických plochách a různými prostředími dává radikálně jiné výsledky. Schopnost správné volby a nastavení optických prvků, především objektivů bude klíčovým cílem této knihy. 6 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii RYCHLÝ NÁHLED STUDIJNÍ OPORY Cílem kurzu je zaměřit znalosti získané v základním kurzu optiky do oblasti pochopení nauky o světle a fungování fotografické a filmové optiky. Od úvodní rekapitulace vybraných témat vlnové a geometrické optiky se přesouváme k poznání toho, co je světlo a jak náš fotoaparátem vytvářený obraz ovlivňuje. Dojdeme k praktickým ukázkám propojení principů a základů optiky s běžně používanými optickými systémy. Od těch nejjednodušších, j ako j e dírková komora, jako jsou planparalelní desky, až po pokročilé fotografické objektivy. Není ambicí se ovšem pouštět do podrobných popisů a důvodů skladby složitějších objektivů a už vůbec ne do výpočtové části. Cílem je získat jednak povědomí o fungování optických prvků u fotoaparátů a kamer a prostřednictvím pochopení podstaty s takovou technikou umět pracovat, rozumět patřičným nastavením a být schopen alespoň v základu řešit otázky defektů, vad, problémů, ke kterým dochází během používání těchto optických zařízení. SVĚTLO 1 SVĚTLO RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY Základní poznatky o světle jako elektromagnetickém záření. Zdroje světla ve filmu a fotografii a vlnové vlastnosti světla. CÍLE KAPITOLY Seznámení se se základy ovlivňující práci s optickými přístroji ve filmu a fotografii. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Odpovídá 6 vyučovacím hodinám. KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY světlo, vlnění, elektromagnetizmus, zdroje 1.1 Elektromagnetické záření Optika je nauka o světle. Světlo je to co vnímáme okem. Naše oči jsou přizpůsobeny vnímat jen malou část z jinak širokého elektromagnetického spektra. A naše fotografické přístroje jsou uzpůsobeny tomu, aby vytvářely obraz stejně věrný, jako jej dává lidské oko. Abychom se však mohli věnovat fotografické a filmové optice, musíme znát také světlo. Elektromagnetické záření (nebo taky vlnění) je projevem existence elektromagnetického pole. Vzniká například přechodem elektronů na nižší orbitální hladinu v atomu, při jaderných reakcích, vzájemnou anihilací hmoty a antihmoty, apod. Dva názvy - vlnění či záření - má z toho důvodu, že se projevuje jako záření (tedy proud kvant, kterým říkáme fotony a přenáší energii), ale stejně tak jako vlnění (tedy má svou frekvenci, amplitudu a vlnovou délku). Toto vlnění se šíří podobně jako vlnění na hladině rybníka, když do něj 8 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii hodíte kámen. Klasifikujeme jej jako vlnění příčné, tedy amplituda j e kolmá na směr šíření. Oproti vlnění na hladině rybníka bude rozdíl vtom, že vodní hladina je dvourozměrná, zatímco světlo se šíří trojrozměrným prostorem. Amplituda tohoto vlnění je kolmá na směr šíření a díky trojrozměrnému prostoru neexistuje za normálních okolností žádná preference směru výchylky (amplitudy) tohoto pole. Existují však materiály, které způsobují, že některý směr začne být preferován a pak se stane elektromagnetické záření polarizované - tak jak je znázorněno pro jednoduchost na následujícím obrázku (Obrázek 1-1), více v podkapitole Polarizace - 1.7.3. Obrázek 1-1: Elektromagnetické vlnění na obrázku zjednodušeně ztvárněné kmitající v jediné rovině. Směr šíření je v, směr výchylky elektrického pole E je znázorněn modře, směr výchylky magnetického pole B je znázorněn červeně, (autor: Emannuel Boutet, CC BY-SA 3.0) Světlo je malinkou částí elektromagnetického spektra. To dokážeme registrovat od „nejměkčího" vlnění v podobě rádiových vln až po vlnění „nejtvrdší" s největší energií, nejkratšími vlnami a nejvyššími frekvencemi v podobě gama záření. Bude dobré se na úvod alespoň zorientovat, v jaké rodině se světlo nachází. O.Olnm l n m lOOnm l|im lem l m lkm 400nm 700nm Obrázek 1-2: Elektromagnetické spektrum se znázorněním viditelné části spektra (autor: Tatoute and Phrood CC-BY-SA 3.0). SVĚTLO Nejméně energetické a tedy nej měkčí vlnění jsou vlny rádiové. Délka těchto vln je v rozmezí metrů až kilometrů. Znát vlnovou délku může být užitečné právě proto, že podle ní si můžete představit, jak velké musí být detektory, které takové vlnění zachytávají. Antény rádia tak bývají pro příjem rádiových vln opravdu veliké, klidně i několik desítek me­ trů. Kraší než rádiové vlny, řádově v centimetrech, jsou mikrovlny (například mikrovlnná trouba nebo wi-fi má délku vlny kolem 12 cm). Se zkracující se vlnovou délkou a zvyšující se frekvencí se dostáváme do infračervené oblasti. I když se ještě stále nacházíme mimo oblast viditelnou a fotografovanou, už nás z hlediska fotoaparátů bude zajímat. Dnes nejčastěji používané snímače CMOS jsou totiž nativně citlivé nejen na viditelné světlo, ale jejich citlivost zasahuje až do infračervené oblasti. Z toho důvodu výrobci fotoaparátů a kamer instalují před čipy ochranné sklíčko, které funguje zároveň jako filtr zabraňující průchodu infračerveného záření. Tento filtr není nikdy 100% dokonalý, takže pokud naopak na objektiv nasadíte infračervený filtr, který blokuje viditelné světlo a propouští pouze infračervené záření, pak můžete vyzkoušet infračervenou fotografii. Bohužel díky zmíněnému filtru před čipem bude nutno použít řádově delší expoziční časy. Citlivost svého fotoaparátu si můžete vyzkoušet poměrně snadno. Použijte nějaký dálkový ovladač, například od televize. Mačkáním tlačítka směrem k fotoaparátu v režimu živého náhledu vás překvapí tím, že světýlko ovladače bude skutečně na displeji blikat, zatímco okem tuto blikající diodu neuvidíte. (Pozor, nemusí to jít s každým ovladačem, někteří výrobci posunuli IR diody v novějších ovladačích do vzdálenější části spektra, kde už jej fotoaparát nezaznamená.) Obrázek 1-3: Krajina pořízená v infračerveném oboru spektra (autor Jannis, CCBY-SA 3.0) Postupně se v elektromagnetickém spektru za hranicí infračerveného pásma dostáváme k červené barvě a tím i do viditelné části, tedy do vlnových délek 400-750 nm. Nej delší vlnové délky má červená barva, nejkratší pak fialová. Barvy jsou naší interní interpretací mozku pro jednotlivé vlnové délky a budeme se jimi krátce zabývat v následující podkapitole. Pro tuto chvíli si vystačíme s informací, že probíháme viditelnou částí elektromagnetického spektra od nejméně energetické červené barvy, přes oranžovou, žlutou, zelenou, modrou, až po fialovou. A jak její název napovídá, za hranicí tohoto očima viditelného pásma se nachází ultrafialové spektrum. 10 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii o in o O oo •a- r\ *r Y in —„ in in \D 10 B g V g Obrázek 1-4: Spektrum viditelného světla v lineární škále podle frekvence. Ultrafialové záření se dělí do několika spektrálních podoblastí (UVA, UVB, UVC) podle příslušného biologického působení. Zatímco za slunného dne na zem dopadá 99 % záření UVA, jen malý zbytek na zemi dopadne v U V B a prakticky žádné z oblasti UVC. To z toho důvodu, že ho zastaví ozónová vrstva Země. U V A záření je neškodné pro člověka, avšak nepříjemné pro fotografy a kameramany. Z toho důvodu se mnohé objektivy, často na stálo, doplňují tzv. U V filtry. CMOS snímače kamer a fotoaparátů j sou totiž na tento zárožek fialového spektra - U V A oblast - citlivé. V nízkých nadmořských výškách je vliv U V A záření zanedbatelný, avšak neplechu v podobě závoje může natropit již ve výškách nad 1000 m. n. m. Ještě vlnově kratší a energetičtější následující podoblasti elektromagnetického spektra jsou významné pro člověka z toho důvodu, že energie kvant elektromagnetického záření již dosahuje takových hodnot, že je schopno ionizovat atomy. Říkáme, že má ionizační schopnost a záření od U V B ve směru ke kratším vlnovým délkám nazýváme ionizující záření. Schopnost ionizace má dalekosáhlé dopady na potenciální rizika rakovinných bujení, protože právě ionizace například kožních buněk může vést k mutaci DNA a vzniku nekontrolovatelného množení. V lepším případě vznikají znaménka, v horším maligní nádory rakovinného bujení. Za pásmem U V záření je již energie vysoká a vlny ještě kratší (víc než 10x oproti UV). Vstupujeme do rentgenovské oblasti, která se ve fotografii taky využívá, jde ale o fotografii lékařskou nebo technickou. Rentgenové paprsky mají schopnost vcelku dobře pronikat lidskou tkání. Podle hustoty tkáně dochází k absorpci. Na fotografických deskách citlivých na RTG záření pak vzniká obraz právě tím, že část záření je absorbována v tkáni, a takové místo se objeví jako méně exponované - na fotografické desce jako bílé. Dnes se však používají i digitální metody a tak digitální rentgenovská fotografie dorazila samozřejmě i do lékařství. SVĚTLO Obrázek 1-5: Rentgenový snímek levé ruky Alberta von Kôllikera left pořízená Wilhelmem Rôntgenem na jedné z jeho veřejných přednášek 23. ledna 1896. Když opustíme oblast rentgenového záření, vstoupíme do oblasti nejtajemnější a nejenergetičtější. Jde o oblast gama záření. Rentgenové a gama záření jsme my lidé od sebe oddělili uměle, nicméně fyzikální původ se na části spektra obou pásem překrývá. Gama záření vzniká především při radioaktivních rozpadech atomových jader a při dalších subjaderných procesech. Takové záření můžeme také „fotografovat", ale obrázky bychom již v klasické podobě viděli těžko. Používáme pro detekci nikoliv fotoaparáty, ale detektory. 1.2 Oko Pokud jsme proběhli celým elektromagnetickým spektrem, může nás napadnout otázka, proč vidí naše oko právě a pouze v rozsahu 400-750 nm. Odpověď je překvapivě jednoduchá. Lidé se vyvinuli na zemi, na souši a primárně v nížinách. Detektory, které se jim vyvinuly pro detekci elektromagnetického záření se tak musely vyvinout tak, aby měly co detekovat. Když se podíváme na obrázek níže ( Obrázek 1-6), můžeme si všimnout, že atmosféra je průhledná pro viditelné světlo. Infračervené záření (NIR) je ale blokováno díky tomu, že je brzděno vodními parami v atmosféře. Průhledné je pak až pro měkčí (FIR) infračervené záření, a pak část rádiových vln. Člověk, a mnozí živočichové vybavení očima (většina savců, ptáků, plazů a mnoho ryb), mají řádově stejnou velikost očí. Je to dáno evolučními procesy, které vedly k tomu, že detektory světla mají nějakou omezenou velikost. Abychom byli schopni vidět s rozumným rozlišením, potřebujeme určité množství světlocitlivých buněk. A abychom mohli opticky zpracovávat obraz, potřebujeme čočku, která bude na sítnici světlo fokusovat. Pro viditelné světlo jsou takové detektory - oči - veliké řádově centimetry. Kdybychom ale chtěli koukat na svět v infračerveném oboru kolem 20 um, musely by naše oči mít při stejném rozlišení velikost cca 40 větší, tedy více než metr. No a s takovýma očima by se nám asi žilo obtížně. 12 Martin Petrásek - Světlo a optika vefilmu a fotografii G a m m a rays, X-rays and ultraviolet light blocked by the up p er a t m o s p h e r e (best o b s e r v e d from sp ace). ifl (U o a£ o 50 % Visible light observable from Earth, with s o m e atmospheric distortion. U Most of the infrared s p e c t r u m absorbed by atmospheric g a s e s ( b e s t o b s e r v e d from sp ace). Radio w a v e s observable f r o m Earth. Long-wavelength radio w a v e s blocked. 0 % I I I 0.1 nm 1 nm 10 nm i i 10 nm 100 urn 1 r 1i — — i — r1 |4ir Wavelength Obrázek 1-6: Průhlednost atmosfé ry pro jednotlivé vlnové délky elektromagnetického záření. Atmosféra je dobře průhledná pro viditelné světlo, poměrně dobře pro měkké infračervené záření a pak pro rádiové vlny mezi 1 cm a 10 m. Oko si pro účely našich skript popíšeme velmi zjednodušeně. Jde o smyslový světlocitlivý orgán vybavený fotoreceptory na sítnici, na kterou je promítán obraz skrze čočku. Tu chrání rohovka a množství světla vstupujícího do oka včetně základní akomodace oka se stará zornice, obdoba clony fotoaparátu. Obrázek 1-7: Řez lidským okem. Světlocitlivé buňky sítnice jsou buňky vytvářející nervovou stimulaci na základě absorpce fotonu přicházejícího na sítnici. Tyto buňky jsou dvojího typu: tyčinky a čípky. SVĚTLO Tyčinky jsou světlocitlivé buňky reagující na nižší intenzitu osvětlení než čípky, ale nejsou schopny rozeznávat barvy. Zajišťují noční - skotopické vidění. Čípky jsou citlivé na světlo různé barvy, čili různé vlnové délky, různé intenzity a různé sytosti barev. Jsou prvními neurony sítnice. Zajišťují fotopické vidění, jsou zodpovědné za zrakovou ostrost. Nacházejí se v nej hojnějším počtu v centrální jamce (fovea centralis), což je malá jamka ve žluté skvrně. Směrem k periferii sítnice jejich hustota postupně klesá. Celkově nacházíme na sítnici 6 milionů čípků. Rozlišujeme 3 typy čípků, které je možné rozlišit pouze podle pigmentu v cytoplasmě, nikoliv podle tvaru buňky. [1] Tyto pigmenty (fotopsiny) jsou tedy citlivé na světlo různých vlnových délek. Část je citlivá na červenou, část na zelenou a část na modrou. Povšimněte si, jak podobný je systém citlivosti s dnešními CMOS snímači vybavenými barevným záznamem (RGB), tedy jde také o buňky citlivé na červenou (R), zelenou (G) a modrou barvu (B). O O O O C^fc O O O O O O O O O O O O O O O o o o o o o o o o o o o o o o o Ch • H IN c v in (r ľ o ,-H .N .-i. u"i :c< ľ-, .in. '"i o ,-H fN n in ÍO r-, oo CTI o ,-H m i/i m -3- -a- -=r ^ T T T T T in in iyi m m m m m 1/1 in 'D to u 1 6ta J --°i— M - 1.5 1.4 - i 1 1 1 Lanthanum dense flint LaSF9 ; Dense flint SF10 J Flint F2 j i Barium crown BaK4 Borosilicate crown BK7 Fluorite crown FK51A _j i i i 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 wavelength A [u.m] 1.4 1.6 Obrázek 2-17: Závislost indexu lomu na vlnové délce pro některá optická skla. Šedý pás vyjadřuje oblast vlnových délek viditelného světla. Tato optická skla jsou nejčastěji používanými ve fotografické optice. (Autor Geek3 @ Wikimedia, CC BY- SA3.0.) Index lomu je tedy pro vakuum roven jedné. Vzduch je však opticky velmi řídkým prostředím a proto v praxi používáme index lomu vzduchu n = 1. Tabulka 3: Absolutní index lomu některých látek [3] Látka index lomu vakuum 1 vzduch (normální tlak) 1,00026 led 1,31 voda 1,33 etanol 1,36 slunečnicový oleihttps://cs.wikipedia.org/wiki/Glycerol 1,4731,473 52 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii křemenné sklo 1,46 plexisklo 1,49 okenní sklo 1,52 korunové sklo 1,52 polykarbonátové sklo 1,58 flintové sklo 1,62 sůl 1,52 safír 1,77 diamant 2,42 moissanit5 2,65 2.4.2 LOM SVĚTLA Lom světla nastává na rozhraní dvou prostředí, ve kterých se mění fázová rychlost vlnění. Vychází z Huygensova principu a matematicky je možno ji popsat pomocí Snellova zákona n-L • sin at = n2 • sin a2 . Uhly ax a a2 se měří stejně jako v případě zákona odrazu vzhledem ke kolmici. 5 Svůj název získal tento karbid křemíku a vzácný minerál po svém objeviteli francouzském chemikovi Henrim Moissanovi, který na něj narazil náhodou už v roce 1893 při zkoumání vzorků hornin z meteorického kráteru v arizonském kaňonu Diablo a nejprve ho mylně identifikoval jako diamant. Odraz a lom světla n2 index lomu Vi v2 rychlost normála í O Q Obrázek 2-18: Grafické znázornění lomu světla z opticky řidšího do opticky hustšího prostředí. Obrázek 2-19: Lom světla z opticky řidšího do opticky hustšího prostředí zobrazený laserem. Povšimněte si, že část energie je odražena podle zákona odrazu. Paprsek, který vstupuje do opticky hustšího prostředí, se láme ke kolmici. Paprsek, který pak z opticky hustšího prostředí vystupuje, se neláme, protože vystupuje pod úhlem 0 °. (Zátonyi Sándor (ifj.) Fizped ©Wikimedia CC BY-SA 3.0) Rozptyl světlaje nejčastěji ukazován na hranolu, který následně světlo rozloží do celého spektra. To je způsobeno tím, že lom je proveden dvakrát na vhodně pootočených plochách. Tuto skutečnost poprvé vyzkoušel Isaac Newton, který čistotu a unitárnost bílého světla popisovanou Aristotelem vyvrátil. Nejenže rozložil hranolem světlo na duhové spektrum, 54 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii ale také opačným hranolem světlo složil ve světlo bílé. Čímž vlastně nechtěně také sestrojil první achromatický optický systém. Obrázek 2-20: Rozklad světla na spektrum pomocí hranolu. Demonstrace disperze světla na hranolu. (Autor D-Kuru @ Wikimedia CC BY-SA 3.0) Ukažme si lom světla na hranolu podrobněji. Aplikujeme Snellův zákon na vstupu, zde se tedy světlo láme ke kolmici, protože vstupuje ze vzduchu do skleněného hranolu. Při výstupu se světlo láme od kolmice, protože vystupuje ze skleněného hranolu do vzduchu. Odraz a lom světla Obrázek 2-21: Lom světla na hranolu. Povšimněte si zobecnění, jaké může nastat, pokud vytvoříme následující sestavu hra­ nolů. Obrázek 2-22: Lom světla na několika hranolech. Pokud bychom počet hranolů v tomto tvaru přidávali a jejich počet by rostl do nekonečna, získáme spojnou čočku. Odtud je možno si názorně představit lom světla spojnou čočkou. Přicházíme tak k prvnímu zobrazení čočkou, k první konstrukci obrazu refrakčním členem. A tím nej důležitějším. 56 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii F Obrázek 2-23: Zobrazení spojnou čočkou. Paprsky přicházející rovnoběžně s optickou osou jsou soustředěny do ohniska. 2.4.3 TENKÁ SPOJNÁ ČOČKA Jak se dá odtušit z výše uvedeného obrázku, při výpočtu čočky budou do hry vstupovat dvě optické plochy. Jedna, do které paprsky vstupují, a jedna, ze které vystupují. Pokud je však v optice více čoček uspořádaných za sebou, nemusí být nakonec ani počáteční index lomu stejný, protože za spojkou může následovat rozptylka ze zcela jiného optického materiálu. Při více čočkách jsou pak výpočty značně komplikované a není předmětem této knihy s nimi čtenáře podrobně seznamovat. Začneme tedy nejjednodušším příkladem. Máme spojnou čočku, u které zanedbáme nejen její tvar a tloušťku, ale představíme si výsledné zobrazení obou zakřivených ploch jako plochu jedinou. Obrázek 2-24: Zanedbání tvaru a tloušťky čočky. Uvažujeme tedy průchod ze vzduchu do skla a zpátky do vzduchu, tedy nx = n2 -> / = /'. Zobrazovací rovnice je pak stejná jako v případě zrcadla. Odraz a lom světla 1 1 1 - + - = 7 1.9 1.8 1.7 ž 1.6 1.5 FK fluorite crown PK phosphate crown PSK dense phosphate crown BK borosilicate crown BAK barium crown SK dense crown K crown LAK lanthanum crown SSK very dense crown BALF barium light flint KF crown/flint LASF lanthanum dense flint LAF lanthanum flint BAF barium flint BASF barium dense flint LLF very light flint LF light flint F flint SF dense flint ZK zinc crown KzSF special short flint C R O W N PSK PK FK FLINT 90 80 70 60 50 40 A b b e number V 30 20 Obrázek 2-34: Abbeův diagram s vyznačenými cca 120 typy optických skel firmy Schott. Diagram zobrazuje závislost indexu lomu na disperzním čísle. V základu dělí skla do jednotlivých segmentu podle složení, kterým přiřazují míru barevné disperze a index lomu. V roce 1802 si anglický chemik William Hyde Wollaston všiml, že na některých místech slunečního spektra je světlo rázem slabší než by mělo být. Joseph von Fraunhofer v roce 1814 tyto mezery v intenzitě slunečního světla znovuobjevil a začal pečlivě zkoumat a měřit jejich vlnové délky. Nakonec byly vlnové délky, na kterých se nacházely dané propady v intenzitě, nazvány Fraunhoferovy čáry. Během života objevil Fraunhofer na 570 spektrálních čar a díky moderním přístrojům můžeme zjišťovat rychle tisíce takových spektrálních čar. Hlavní Fraunhoferovy čáry jsou označeny písmeny A, B, C, D, E, F, G, H, K. Pro označení slabších čar se používají další písmena abecedy. Později bylo zjištěno, že pokles intenzity vlnové délky odpovídající Fraunhoferově čáře je způsoben absorpcí světla různými složkami atmosféry. Kupříkladu čáry A a B jsou způsobeny kyslíkem a H a K jsou způsobeny ionty vápníku. Vlnové délky Fraunhoferových čar jsou docela dobře určené a používají se jako normály pro určování indexu lomu. Většinou jsou indexy lomu látek určené pro lom paprsku světla o vlnové délce Fraunhoferovy čáry D (z toho se pak daný index lomu označuje nD). [8] 66 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Hlavní Fraunhoferovy spektrální čáry: A - 759,37 až 760,82 nm B -686,719 nm C -656,281 nm D - 587,56 až 589,3 nm E - 527 až 527,039 nm F--486,134 až 486,14 nm G - 430,774 až 430,79 nm H - 396,847 nm K - 393,368 nm Základní dělení optických skel je podle míry disperze a indexu lomu světla. Míra disperze se počítá nikoliv vůči jedné vlnové délce, ale vůči několika vybraným vlnovým délkám. Z historického důvodu jsou používány Fraunhoferovy6 spektrální čáry D, F a C, které formují tzv. Abbeovo číslo. n D - l V = — , nF-nc kde dolní indexy u jednotlivých indexů lomu odpovídají příslušným Fraunhoferovým spektrálním čarám. Naprostá většina skel je křemičitých. Výjimky existují v podobě znělcových skel (vznikající tavením znělcových hornin), chalkogenidová skla (používané pro konstrukci optických disků). Křemičitá skla pak dělíme podle vlastností a chemického složení. 2.5.1 KŘEMENNÉ SKLO Je nej čistší formou klasického skla, tedy křemičité sklo bez příměsí je křemenné sklo. Má teplotu tání 1600 °C, index lomu 1,54 a propouští velmi dobře široké spektrum viditelného světla včetně U V záření (příměsová skla prakticky U V nepropouští). Díky vysoké teplotě tání je ale náročné na výrobu a tak se v optice používá pouze tam, kde ho není možno příměsovými skly nahradit. Typický příklad použití jsou baňky halogenových žárovek. Ale například exkluzivní typy skleníků mohou být vybaveny křemennými tabulemi, 6 Fraunhoferovy čáry jsou spektrální čáry pojmenované po německém optikovi Josephu von Fraunhoferovi, který se významně zasloužil o jejich prozkoumání. Odraz a lom světla které zajistí přístup světla k rostlinám v širší, spektru, než přes klasické okenní tabule sodno-vápenatých skel. 2.5.2 SODNO-VÁPENATÉ SKLO Je nejběžnějším typem skla používané v okenních tabulích a ve stavebnictví obecně. Obsahuje 72% SÍ02, 14. 2% oxidu sodného (Na2 0), 10% oxidu vápenatého (CaO), 2,5% oxidu horečnatého (MgO) a 0,6% oxidu hlinitého (AI2O3). Je průhledné, snadno se tvaruje, má však vysokou teplotní roztažnost a odolává teplotě pouze do 500-600 °C). Propouští U V A záření (340-400 nm) ale nepropouští U V B a U V C (<315 nm), z toho důvodu pod sklem sluneční záření neopaluje [5]. S větším podílem hliníku a vápníku bývá vyráběno sklo obalové. 2.5.3 BOROSILIKÁTOVÉ SKLO Typicky známé pod pseudonymem Pyrex, tento název je ale proprietami značkou, podobně jako český Simax. V obou případech se jedná o sklo s velmi malou tepelnou roztažností (~3 x 10"6 K"1 při 20 °C), čehož je využíváno nejčastěji v podobě varného skla, ale také ke konstrukci optických zrcadel, u kterých je třeba, aby si tvarovou stálost zachovávaly při nejrůznějších rozsazích teplot. 2.5.4 KORUNOVÉ SKLO Je nej častější a nej základnější typ optického skla. Má relativně nízký index lomu (-1,52) a nízkou disperzi Abbeovo číslo od 50. Dnes se tedy dá tvrdit, že jde o rodinu několika typů skel, dříve se však vyrábělo pouze jediný typ právě pod názve „korunové sklo" pro které byla typická příměs 10 % oxidu křemičitého a toto sklo bylo také prvním nízkodisperzním sklem v optice. Dnes máme třeba typické borosilikátové korunové skla BK7 obsahující příměs 10 % oxidu boritého nebo bariové korunové skla BAK4. Jedná se o sytém vyráběný především německou věhlasnou firmou Schott, ale na trhuje možno nalézt také výrobky čínské s podobným označením, např. BaK4 (které však nemá nic společného s BAK4). Nemusí být nutně špatné, jsou zajisté levnější, ale právě výrobci jako Carl-Zeiss, Schott a Swarovski jsou garancí, že sklo projde pečlivou kontrolou a nevyhovující kusy jsou vyřazeny. To je ostatně nezbytné při výrobě optického skla, protože na menší optice probíhá měření výsledné optické kvality až po přebroušení a vyleštění. Speciálně BaK4 čínské CDGM, které je fosfátové korunové sklo a má větší náchylnost na tvorbu bublinek a tedy může způsobovat zřetelný rozptyl u nekvalitního výrobku. 2.5.5 FLINTOVÉ SKLO Sklo s Abbeovým číslem menším než 50 (index lomu má od 1,5 do 2) je zařazováno do kategorie flintových skel. Je typické příměsí olova a vysokou disperzí. Oxidu olovnatého 68 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii obsahuje typicky 24 %, ale množství se mění podle určení a potřeb. Rozlišujeme tak flint podle množství olova lehký, střední a těžký. Příměs olova dodává sklu větší hustotu, menší tepelnou vodivost, vyšší index lomu (vyšší lesk), větší odolnost. Olovnaté sklo je možná neznámým pojmem, ale pokud se vysloví „křišťál" budeme okamžitě doma. Křišťál je totiž také olovnaté, a vlastně flintové sklo. Důvod je prostý, čiré materiály s vysokým indexem lomu odjakživa přitahovaly pozornost. Jsou třpytivější než běžné sklo. Proto přitahuje pozornost diamant (index lomu 2,6!) anebo křišťál (index lomu 1,8). (Někteří výrobci křišťálu ale vyrábí i sklo s podobnými vlastnostmi, avšak bez olova, například karlovarský Moser.) Flint je anglický název pro pazourek, takže česky bychom mohli také používat název pazourkového skla. A skutečně, pazourek je předchůdcem flintového skla i křišťálu a první vysoce lesklé sklo z něj přetavil již kolem roku 1670 anglický sklář George Ravenscroft. Kombinací korunového a flintového skla dosáhneme jednoduchého způsobu jak zmenšit barevnou vadu. Obvykle se tak koná vytvořením tzv. achromatického dubletu, tedy těsným spojením dvojvypuklé spojky z korunového skla a dvoj duté rozptylky ze skla flintového. Obrázek 2-35: Achromatický dublet, vhodnou kombinací korunového a flintového skla můžeme dosáhnout snížení barevné vady a mírné snížení otvorové vady. Typicky se používá konvexní BK7 korunového skla v kombinaci s konkávním F2 flintovým sklem. Jejich spojení, obvykle tmelení k sobě a tvar zajišťuje aby se disperze vzájemně vyrušily alespoň ve dvou vlnových délkách (F a D Fraunhoferových čarách, tedy červené a zelené). Modrá stále ještě zůstává mimo ohnisko. 2.5.6 FLUORITOVÉ SKLO Pod tímto ne zcela přesným termínem se skrývá varianta s monokrystalem fluoritu vápenatého. Skutečně, takové sklo není taveno, ale vzniká tak, že se nechá uměle narůst krystal CaF2 a následně se zpracovává. Má extrémně nízký index lomu (~ 1,44) a Abbeovo číslo 95!, a tak se používá jako náhrada nebo častěji jako doplněk k achromatizaci objektivu. V kombinaci s dubletem z korunového a flintového skla vytváří tzv. APO triplet s velmi Odraz a lom světla dobře korigovanou barevnou vadou. Fluoritové sklo je sice velmi drahé, cena APOchormatu je řádově větší než achromatu, avšak také barevná vada a kulová vada je korigována o řád lépe. Nevýhodou fluoritového krystalu je, že na vzduchu degraduje, proto je zvykem jej buďto lepit mezi členy anebo v případě že výpočet požaduje mezeru, bývá vyplněna kapalinou nebo nějakým plynem. Jako krystal má také strukturu oktahedronu, a tak má tendenci se štípat a může být snadno poškrábán. Obrázek 2-36: Apochormatický objektiv kde třetí člen je z fluoritového krystalu. Obvykle se objektivy obsahující skla nebo členy s velmi nízkou disperzí označují jako extra-low dispersion (ED) ve zkratce za názvem. Takovéto objektivy mají velmi dobře vykorigovánu barevnou vadu hned ve třech spektrálních čarách (přidává k achromatu korekci modré), což v případě viditelného světla přináší pro naprostou většinu aplikací neznatelnou barevnou vadu. Fluoritové sklo je v moderních objektivech často nahrazováno jeho syntetickými variantami, a to naprosto oprávněně. Je levnější. Avšak do doby napsání této knihy autorovi není znám příklad, kdy by bylo nejen levnější, ale zároveň také srovnatelné kvality jako fluoritový krystal. Proto je stále obvyklé, že fluoritové krystalové skla jsou součástí moderních objektivů. Zatímco CaF2 krystal má Abb. č. 94,99, jeho náhražky j sou možné. Tzv. Nízkoindexový fluorofosfát FPL-53 vyvinutý japonskou Ohara corp. má Abb. č. 94,94 a n = 1,4387. Je levnější a chemicky stabilnější. Často se mu říká syntetický fluorit. Oproti opravdovému fluoritu ale má větší tepelnou roztažnost, což zhoršuje kvalitu zobrazení při extrémních teplotách. FPL-51 také od japonské Ohara má Abb. č. 81,61 a n = 1,4387. Zdánlivě horší parametry ale vyrovnává nižší cena a menší tepelná roztažnost. To jsou jen dvě z mnoha příkladů náhrad za fluoritový krystal. Přesto je stále fluorit součásti objektivů. Někdy samostatně, někdy právě v kombinaci se syntetickým FPL. Například Canon objektivy řady L obsahují často obojí typy. Typickým zástupcem a velmi populárním objektivem EF70- 200mm f/4L USM obsahuje jak člen z fluoritu tak ze náhražky (označovaný společností Canon jako UD - Ultra-low Dispersion již od roku 1978). 70 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Obrázek 2-37: Objektiv Canon EF 70-200mm f/4L USM obsahuje jeden fluoritový člen a dva členy z UD skla. Samostatný úkol: Projděte objektivy, které používáte pro fotografování nebo natáčení a zjistěte jejich průřez a složení jednotlivých elementů podle typu použitého optického skla. Vysvětlete v pár větách, proč jsou tyto elementy použity. 2.6 Světelnost Poměr osvětlení obrazu a jasu předmětu nazýváme světelnost optického systému. Pro osvětlení v rovině obrazu E platí následující vztah 7T (D\2 kde D je průměr vstupní pupily objektivu, /je ohnisková vzdálenost objektivu, T je koeficient útlumu a B je jas předmětu. Za našich běžných okolností je vstupní pupilou D průměr nezacloněné přední čočky objektivu, tedy zpravidla vnitřní průměr tubusu. Ohnisková vzdálenost je jasně dána výrobcem. Ztráty T jsou dány množstvím členů, jejich optickými vlastnostmi, především transmisivitou a je vždy menší než 1. Světelnost jakožto poměr osvětlení obrazu a jasu předmětu pak tedy definujeme jako Odraz a lom světla V těchto vztazích závisí na světelnosti objektivu tři hodnoty: propustnost objektivu, průměr vstupní pupily a ohnisková vzdálenost. Ve zjednodušených případech se první čelen (propustnost) zanedbává a uvažuje se jen závislost na čtverci poměru D/f. Tento poměr se nazývá poměrný otvor objektivu a vyjadřuje se vždy v zápise 1:... A číslo uváděné místo trojtečky se nazývá clonové číslo. Ovšem je třeba upozornit, že D je průměr vstupní pupily a nikoliv průměr clony. A stejně tak je třeba upozornit, že světelnost objektivu není D/f, protože jak už bylo uvedeno, tento podíl se nazývá poměrný otvor, protože nás zajímá osvětlení na snímači, které je úměrné čtverci poměrného otvoru. 2.6.1 CLONOVÉ ČÍSLO Možnosti nastavení clonových čísel jsou obvykle uvedeny (nacejchovány) mechanicky na anebo elektronicky v objektivu. Protože je osvětlení úměrné čtverci poměrného otvoru, potřebujeme mít možnost nastavit clonové číslo v řadách tak, aby změnou o jeden stupeň se osvětlení zvětšilo nebo zmenšilo o dvojnásobek. Proto se musí clonové číslo měnit s druhou odmocninou clonového čísla. Mějme poměr ohniskové vzdálenosti / a průměru vstupní pupily D, tedy převrácenou hodnotu poměrného otvoru rovnu jedné. é - například objektiv s ohniskovou vzdáleností 50 mm a průměrem vstupní pupily (průměrem objektivu) také 50 mm. Pokud konstrukce umožní mít clonu 1 (obvykle se z důvodu optických vad objektivy přirozeně cloní na nějakou základní a vždy vyšší hodnotu) můžeme použít následující příklad. Pokud chceme změnit clonu 1 tak, aby na snímač dopadala polovina světla, než na něj dopadá při cloně 1, bude clona nastavena na 1 • V2 = 1,4. Naopak, pokud budeme chtít aby na snímač zacloněný clonou 1 dopadala polovina světla, musíme změnit clonu na 1: V2 = 0,7. Takto vznikla také clonová řada. Každé další clonové číslo vyjde vynásobením v2, každé nižší clonové číslo vyjde vydělením v2. Takto získáme clonovou řadu, u níž každá clona v clonové řadě znamená expozici dvojnásobnou anebo na druhou stranu poloviční. Proto máme clonovou řadu právě: 0,7 1 1,4 2 2,8 4 5,6 8 11 16 22 Pokud narazíte na clonová čísla mezi těmito čísly v základní řadě, jedná se pravděpodobně o změnu expozice o krok menší než jeden expoziční stupeň (tzv. exposure value - EV). 72 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Na závěr je důležité zmínit, že světelnost není v ploše snímače konstantní. Uvedený matematický vztah platí pro jediný bod obrazu ležící na optické ose. Jenže jakmile se od optické osy odchýlíme, zmenší se osvětlení obrazu na snímači tím víc, čím více jsme od osy odchýleni. Osvětlení klesá se čtvrtou mocninou kosinu úhlu, který svírá paprsek spojující předmět a bod na snímači s optickou osou. To se dá názorně pochopit snadno tak, že se podíváme na objektiv z většího úhlu. Pod velmi malým úhlem nezpozorujeme žádnou změnu, ale s velkým úhlem bude zřejmé, že viditelná plocha předního členu objektivuje plošně menší, projde jím tedy méně světle než v případě kruhu, tak jak se jeví při pohledu kolmém. Druhým důvodem je vinětace, tedy skutečnost, že objektiv není nikdy nekonečně tenký, ale má nějakou tloušťku a v tom případě je obraz omezován ještě tubusem, popř. sluneční clonou. A vinětace je tím zřetelnější směrem do rohu obrazu, čím menší je clonové číslo (tedy čím více je odcloněno). Pokles světelnosti se tedy projevuje postupním tmavnutím obrazu od středu k rohům obrazu a jde o fyzikálně technickou vlastnost, kterou nelze vyrušit, pouze omezit. Ze znalosti optických objektivů je však z uvedených vztahů možno tuto kumulovanou vinětaci spočítat a následně softwarově upravit. Mnoho těchto algoritmů pro eliminaci vinětace nalezneme přímo ve fotoaparátech, které mají algoritmy pro softwarovou úpravu vinětace přímo zabudovány ve svém firmwaru. Obrázek 2-38: Znázornění skutečných otvorů clonové řady. 2.7 Hloubka ostrosti Obraz každého bodu na světlocitlivé vrstvě snímače je tvořen kuželem paprsků, které začínají jako kužel o velikosti vstupního otvoru (vstupní pupily) objektivu a protínají se v ohnisku. Toto protnutí ale není bodové, jak jsme již poznali. Výsledkem je vždy ploška, jejíž velikost závisí na dvou podstatných parametrech. Tím prvním je kvalita optického systému a tím druhým je difrakce. Ideální optický systém může vytvořit bodový průmět, ale takové systémy neexistují. V reálných optických systémech vždy pracujeme s nějakou Odraz a lom světla mírou optických vad, o kterých se budeme bavit v následující kapitole. U difrakce neexistuje nikdy perfektně ostrý bod, protože difrakce existuje vždy, ovšem u velkých poměrných otvoru je naprosto zanedbatelná. Tato ohybová (difrakční) ploška se však stává patrná u malých poměrných otvoru, u světelnosti 16-22 již téměř vždy překonává velikostí rozptylovou plošku vzniklou optickými vadami. Pokud tedy vyfotografujete předmět na f/6,3 a potom na f/22, snadno rozpoznáte, že je na f/22 je výrazně méně ostrý. Je to dáno právě ohybovými jevy. Obrázek 2-1: Vlevo vyfotografováno na f/5,6 vpravo na f/22. Obrázek 2-2: Vliv difrakce na obraz. Horní obrázek vyfotografovaný při f/5,6, dolní při f/22. Ohyb světla na cloně objektivu způsobuje výrazné zhoršení kresby. Samostatný úkol: Vyberte libovolný objektiv se světelností alespoň f/2,8 a proveďte testování scény tak, abyste ukázali kvalitu snímku na jednotlivých clonových číslech. Dodejte výřezy středové oblasti snímků. Jenže pro oko se bod jeví ostrý, pokud je jeho velikost menší, než rozlišovací schopnost oka. Většina optických vad se tak může stát korigovaná ve chvíli, kdy tyto vady budou pod rozlišovací schopností diváka. Pokud se vrátíme k části se světelným kuželem, bude 74 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii zřejmé, že pro určitý úsek se průměr tohoto světelného kužele bude jevit menší, než je rozlišovací schopnost. Pak se nám celý tento rozsah na světelném kuželu bude jevit ostrý. A tomuto rozsahu se říká hloubka ostrosti. Rozlišujeme tedy záběry s malou hloubkou ostrosti jako ty, které mají výraznou část předmětového pole neostrou a obrazy s velkou hloubkou ostrosti, které mají významnou část předmětového pole ostrou. Obrázek 2-3: Oblast zaostření. Tam kde je průměr rozptylového kroužku menší než rozlišovací schopnost, se jeví obrázek zaostřen. Rozsah na optické ose, ve které se obrázek jeví zaostřený, se nazývá hloubka ostrosti. Hloubku ostrosti ovlivňuje několik faktorů: • clona, • ohnisková vzdálenost objektivu, • vzdálenost předmětu od fotoaparátu. Čím větší je poměrný otvor (a tedy čím menší je clonové číslo), tím bude hloubka ostrosti menší. Dále, se zvětšující se ohniskovou vzdáleností objektivu se také zmenšuje hloubka ostrosti. Se zmenšující se vzdáleností předmětu od objektivu také klesá hloubka ostrosti. Obzvláště je to patrné v makrofotografii, kde může hloubka ostrosti dosahovat i desetin milimetru. Odraz a lom světla Obrázek 2-4: Obrázek vlevo má velkou hloubku ostrosti (f/16), obrázek vpravo má malou hloubku ostrosti (f/2,8). SHRNUTÍ KAPITOLY Byla probrána geometrická optika a její využití ve filmu a fotografii. Studenti získali povědomí o průchodu světla optickými prostředími. 76 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii 3 OPTICKÉ VADY RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY Optické vady ovlivňují kvalitu zobrazení. V kapitole je diskutováno, jaké vady existují a jak zobrazení ovlivňují. CÍLE KAPITOLY Cílem kapitoly je seznámit studenty s druhy optických vad ve vztahu filmu a fotografii. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU \Qj\ 4 vyučovací hodiny. KLICOVA SLOVA KAPITOLY vady, optika, zobrazení, objektivy 3.1 Pojem ostrosti Dosud jsme se pohybovali v prostředí geometrické optiky ideálních zobrazení. Ale už v průběhu čtení o základních vlastnostech světla a zobrazování jednoduchými systémy jsem zmiňoval, že ideální zobrazení vlastně neexistuje. Dalo se to rozpoznat jak v případě problémů, které způsobuje vlnově-částicový charakter světla, tak například komplikace, které vyvstanou, když uvažujeme místo tenké čočky čočku tlustou. Také zobrazení, byť sebepřesnější, fotografickým objektivem, nebude nikdy perfektní, Už díky tomu, že je objektiv upnutý v objímce a má tak „vstupní pupilu". Pokud se pokusíme zobrazit bodový zdroj světla (třeba vzdálenou hvězdu), neuvidíme přesnou tečku, ale uvidíme tzv. rozptylový kroužek. A to vždy, i při perfektním zobrazení a perfektním zaostření. Tento rozptylový kroužek bude tím menší, čím lépe budou korigovány optické vady takového systému a dále, jeho tvar bude odpovídat tvaru vstupní pupily. Proto se mu říká Optické vady rozptylový kroužek, protože tvarem objímky každého objektivuje kruh. Pokud by byl tvarem vstupní pupily čtverec, bude tvar rozptylového kroužku čtvereček (vlastně budeme mít rozptylový čtvereček). V případě správného zaostření a kvalitní optické soustavy, bude velikost rozptylového kroužku výrazně menší, než rozlišovací schopnost systému, a pak se nám rozptylový kroužek bude jevit skutečně jako bod (tedy nebudeme schopni rozlišit jeho velikost). Definujme tedy pojem „zaostření", jako klíčový vstupní parametr pro hodnocení jakosti optického systému. Co je to vlastně zaostřený obraz? 3.1.1 ROZLIŠOVACÍ SCHOPNOST OKA Rozlišovací schopnost oka je 1 úhlová minuta (ľ). To platí pro žlutou skvrnu a oko, které není zatíženo nějakými vlastními optickými vadami. Rozlišovací schopnost oka se směrem k periferii snižuje. Rozestup čípků v blízkosti žluté skvrny jsou jednotky mikrometrů (~5jUm). Při standardní čtecí vzdálenosti (40 cm) jsme schopni rozlišit dva body vzdálené od sebe cca 0,2 mm. Nakreslíme-li s kolem bodu ve čtecí vzdálenosti kružnici o poloměru 0,2 mm, bude se nám vše uvnitř této kružnice jevit spojené s pozorovaným bodem. Vše vně této kružnice budeme vnímat jako samostatné body. Zde je však vidět jedno úskalí, znamenáte, že když bude mít bor rozměr 0,2 mm, bude se nám jevitj ako bod a když těsně vedle něj bude další stejně veliký, který se jej bude dotýkat, bude se jevit jako další samostatný bod? Ano i ne. Musíme uvažovat, že body by v ideálním případě měli být pro tyto účely vzdáleny právě o rozlišovací schopnost oka. Ale naše zobrazení aktuálně komplikuje pojem, který zavedeme později, a tou je kontrast obrazu. Kružnice, která má úhlový rozměr 1' se nazývá kružnice splynutí (v angličtině obvyklé jako CoF - circle of confusion). Určuje nám, jaká je přípustná velikost rozptylového kroužku, aby se ještě jevil obraz ostrý. Obrázek 3-1: Velikost rozptylového kroužku. Bod vzdálenější než ľ splývá, body vzdálenější než ľ se jeví jako samostatné. Z toho důvodu konstruujeme tzv. kružnici splynutí. 78 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Pokud vyfotíme fotografii na políčko kinofilmu (24 X 36 mm) a zvětšíme z něj fotografii na rozměr 13 X 18 cm, tedy 5 X, bude CoF mít průměr -0,03 mm. Z uvedených informací se dá usoudit, že body jsou od sebe rozlišitelné, pokud se nacházejí od sebe dále než ~ 1/3500 pozorovací vzdálenosti, nebo taky ohniskové vzdálenosti! Kromě rozptylového kroužku se, a bude se nám to hodit v hodnocení kvality objektivů, používá také soubor černých a bílých čar. Rozlišení je pak možno uvádět v počtu čar na milimetr, přičemž platí, že tloušťka černé a bílé čáry je shodná. Šířka těchto čar pak odpovídá velikosti CoF kroužku. Máme-li například objektiv o ohniskové vzdálenosti 50 mm a požadujeme obraz v ohnisku reprodukovatelný tak, aby se jevil ostrý, musí objektiv poskytovat rozlišení 70 čar na milimetr. Obrázek 3-2: Rozložení světla ve skutečném paprskovém kuželu u systému s otvorovou vadou. [4] 3.1.2 DRUHY OPTICKÝCH VAD Optické vady rozlišujeme na chromatické (barevné) a monochromatické (nezávislé na vlnové délce). 3.1.3 BAREVNÁ VADA Barevná vada nebo-li chromatická aberace souvisí s barevnou disperzí. Jednotlivé vlnové délky se při přechodu mezi různými optickými prostředími lámou různě. Díky tomu je poloha ohniska pro jednotlivé barvy umístěna různě. Eliminovat barevnou vadu můžeme Optické vady vhodnou kombinací skel o různých indexech lomu a různém Abbeově čísle, použitím fluoritových krystalů anebo skel nízkodisperzních. Existují dva typy chromatických aberací: axiální (podélná, neboli barevná vada polohy) a příčná (laterální, neboli barevná vada zvětšení). Barevná vada polohy (axiální vada) nastává, když jsou různé vlnové délky světla zaostřeny v různých vzdálenostech od objektivu (posun zaostření). Je typická pro dlouhé ohniskové vzdálenosti. Barevná vada polohy se projevuje sice správným zvětšením, ale díky různým polohám ohniska se na okrajích jeví neostrý, popřípadě má na kontrastních přechodech barevné okraje. Tuto vadu dokážeme zmírnit zacloněním, protože souvisí s projekcí předmětu z optické osy. K barevné vadě zvětšení dochází, když různé vlnové délky dávají různé zvětšení a/nebo zkreslení obrazu. Laterální aberace je typická pro krátké ohniskové vzdálenosti. Jednotlivé obrazy se sice promítnou do stejné polohy ohniska, avšak jejich okrajové charakteristiky (zvětšení a zkreslení) je různě veliké a tedy vytváří kolem ostrých kontrastních přechodů patrné barevné okraje. Obrázek 3-3: Příklad barevné vady polohy. Větvičky se jeví do fialova, což naznačuje sice achromatickou korekci, avšak degeneraci na modré vlnové délce. (Autor: Wilder Kaiser @ English Wikipedia, CC BY-SA 3.0) 80 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii 3.1.4 OTVOROVÁVADA Také otvorovou (nebo-li sférickou, či kulovou) vadu jsme již rozebírali. Je způsobována tím, že paprsky procházející sféricky symetrickým systémem se zvětšující se vzdáleností od osy lámou blíže k vrcholu spojné čočky (mají kratší ohnisko). U rozptylky je tomu naopak, tam se ohnisko se vzdalováním se paprsků od osy prodlužuje. Paprsky nevytváří obraz bodový, ale osově symetrickou plochu, která však není osvětlena rovnoměrně (viz Obrázek 3-2: Rozložení světla ve skutečném paprskovém kuželu u systému s otvorovou vadou. Obrázek 3-2). Nemusí tak platit, že správného zaostření dosáhneme vmiste, kde je svazek nejužší. Obvykle otvorová vada vytváří slabší plochu rozptylového kroužku a velmi intenzivní jádro. Takový obraz se pak jeví zaostřený lépe, než obraz, kde je slabší plocha rozptylového kroužku potlačena a naopak jasné jádro zvětšeno. I když bude tato konfigurace mít menší celkový průměr kaustiky7 , nebude se jevit ostřejší. Průběh otvorové vady je značně závislý na tvaru a tloušťce čočky. Zatímco dvojvypuklé spojky mají barevnou vadu menší, dutovypuklé spojky ji mají zdaleka nej zřetelnější. Obrázek 3-4: Vliv otvorové vady na prohnutí spojné čočky [4]. Na obrázku je zaznamenán průběh otvorové vady i poloha ohniska pro jednotlivé paprsky s různou vzdáleností od osy. Podobný průběh bychom zaznamenali také u rozptylek, ale jak bylo uvedeno, byl by opačný. Odtud se dá tušit, že vhodnou kombinací spojky a rozptylky bychom mohli dosáhnout (alespoň částečné) kompenzace otvorové vady. Skutečný výpočet kompenzace otvorové vady je složitější, takže se omezíme jen na následující dva způsoby kompenzace: jednoduchá a dvojnásobná. 7 Kaustika je obálka světelných paprsků. Optické vady Ax ň.Obrázek 3-5: Průběh otvorové vady spojky. Nalevo bez korekce, uprostřed jednoduchá korekce a vpravo korekce dvojnásobná. 3.1.5 ASTIGMATIZMUS Astigmatizmus je obvykle spojován s oční vadou, kde tvar čočky a tedy její ohnisková vzdálenost je v různých osách různá U oka je tomu obvykle tak, že deformace je realizována jen v jedné ose, na kterou se pak musí nasadit příslušná korekce. Děje se tak použitím válcové čočky. Válcová čočka je taková čočka, která mění ohnisko jen v jediném směru a ano, lze si ji představit jako skleněný válec. Ten je v jedné ose opticky rovný, v ose na ni kolmé je pak sférický a má tedy spojné ohnisko. (Je možné mít i záporný astigmatizmus a tedy pak je také použita válcová čočka, ale nemá tvar válce, ale tvar inverzní - tedy v jedné ose dává záporné ohnisko a tvoří tedy rozptylku). Ve fotografické a filmové optice nás tento typ astigmatizmu příliš zajímat nebude, jelikož očekáváme alespoň základní kvalitu optických systémů, které nebudou cylindrickou čočku vyžadovat. Avšak jinak tomu bude v situaci, kdy astigmatickou vadu využijeme ku prospěchu a vytvoříme anamorfický obraz. Mezi astigmatické vady můžeme také zařadit situaci, kdy j sou optické členy špatně zarovnány. Pak se paprsky v různých směrech a osách zobrazují s posunutým ohniskem a vytvářejí také vadu podobnou astigmatismu. Skutečný fotografický astigmatismus souvisí s problémem zobrazování šikmých paprskových svazků. Při dopadu je účinný průměr kulové plochy různý pro paprsky v ose meridiální (poledníkové, nebo tangenciální) a jiný pro paprsky dopadající ve směru sagitálním (rovnoběžkovém). Z toho důvodu je ohnisková vzdálenost pro obě roviny takových řezů různá. Důsledkem toho je, že nelze přímky v jednom směru důsledně zaostřit zároveň s přímkami ve směru na ně kolmém. 82 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Obrázek 3-6: Vlevo meridiální (neboli poledníkové či tangenciální) roviny a vpravo sagitální (neboli rovnoběžkové) roviny. Obrázek 3-7: Astigmatismus. Paprsky v sagitálním řezu se protínají v bodě SI, paprsky v meridiální m řezu v botě TI. Astigmatismus je možno korigovat vhodnou kombinací optických členů různé krivosti a optické mohutnosti. Optická soustava, která je prosta astigmatizmu se nazývá anastigmat. Prvním takovým objektivem byl Protar vyrobený Carl Zeissem již v roce 1890. Optické vady Obrázek 3-8: Dvě varianty historických anastigmatických objektivů. Doppel Anastigmat Serieš III neboli Dagor z roku 1904 který je symetrickým objektivem. Vedle něj pak novější (1920) nesymetrický anastigmat Taylor, Taylor & Hobson Cooke Amotal Anastigmat. (autor: Panther @ Wikimedia CC BY-SA 3.0) 3.1.6 KOMA Také koma již byla zmíněna, a to v případě zobrazení parabolickým zrcadlem. I zde se jedná o vadu šikmých paprskových svazků. Zatímco u astigmatizmu se jednalo o vadu úzkých paprsků procházejících šikmo čočkou, tentokráte jde o svazek široký. Název koma vychází z historického pojmenování připodobněného ke kometě, jelikož rozptylový kroužek je ve skutečnosti složen z několika kroužků postupně se zmenšujícím směrem k okraji zorného pole. Vzniká tak, že paprsky přicházející sice rovnoběžně spolu, avšak pod úhlem vzhledem k optické ose, se nezobrazí na jediný bod, ale v ohnisku také šikmo. V ohniskové rovině se tak velikosti rozptylových kroužků pro jednotlivé zóny budou zvětšovat směrem k optické ose. Obrázek 3-9: Vznik komy jako vady šikmých paprskových svazků. 84 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii 3.1.7 ZKRESLENÍ Zatím jsme řešili problém zobrazení do ohniska. Ovšem nyní sejdná o vadu způsobenou korektním umístěním v ohniskové rovině. Jenže i v této rovině může dojít k posunu zobrazení, a to buď směrem od osy, nebo k ose. Pokud dojde posunu zobrazení obrazových bodů směrem od osy, vzniká soudkovité zkreslení. Pokud dojde k posunutí směrem k ose, pak vzniká zkreslení poduškovité. Nezřídka může dojít také ke kombinovanému zkreslení, kdy obraz v určitých zónách blízko osy tvoří obraz soudkovitý, který směrem od osy přechází na obraz poduškovitý, říká se mu knírovité zkreslení. I p n• u i \ Batrel distortion Pincushion Distortion Moustache Distortion Obrázek 3-10: Vlevo soudkovité, uprostřed poduškovité a vpravo knírovité (kombinované) zkreslení. Abychom pochopili princip této vady, je potřeba si uvědomit, že se jedná o vadu radiální. Nejlépe bychom tak mohli provést měření tím, že bychom fotografovali soustředné kružnice, u nichž bychom měřili jejich radiální vzdálenost od optické osy. Soudkovitost je typická pro zobrazení širokoúhlými objektivy a rybími oky, kde je prakticky nevyhnutelná. Obecně se zkreslení objevuje nejčastěji u objektivů s transfokátorem8 . U něj dochází ke zkreslení díky tomu, že jsou mezi sebou navzájem posouvány minimálně dva optické systémy, výpočet takového uspořádání je velmi složitý a prakticky nejde uskutečnit bez nějakého vlivu na zkreslení, které se projevuje tím zřetelněji, čím větší je rozsah transfokátoru a čím více je tento rozsah posunut k širokému ohnisku. Klasický setový objektiv Canon 18-55 mm,774.0-5,6 je toho dobrým příkladem. Samostatný úkol: Sežeňte si některý ze základních objektivů 18- 55 mm libovolné značky, a nafoťte na třech ohniskových délkách (18 mm, 35 mm a 55 mm) testovací obrazec, který bude složen ze sítě pravoúhlých čar. Testovací obrazec narýsujte na tabuli alespoň o velikosti 1 m2 nebo vytiskněte na papír velikosti AI (popř. nalezněte vhodnou pravoúhlou strukturu v exteriéru). Porovnejte jednotlivé objektivy napříč stářím, výrobci či kvalitou. Transfokátor = zoom objektiv Optické vady 3.1.8 ZKLENUTÍPOLE Je optickou vadou občas nazývanou po slovenském fyzikovi (maďarské národnosti) Josephu Petzvalovi. Způsobuje, že se jinak normálně plochý objekt (vzhledem k optické ose), aneb objekty v hypefokální vzdálenosti, promítnou jako objekty nikoliv na plochu rovnou a kómou k optické ose, ale na plochu zklenutou (zaoblenou). Tedy, že ohnisko bude pro různě vzdálené body od osy různé, bude se jeho poloha měnit v závislosti na radiální vzdálenosti od osy. Zklenutí je vada, kterou lze pouze minimalizovat. Zatímco teleobjektivy mají tuto vadu prakticky nepostřehnutelnou, hůře se koriguje u objektivů širokoúhlých. Možnou variantou by pro případ pevného objektivu se stálým zklenutím mohlo být použití zaobleného tvaru snímací plochy, což se však nedělá. Výjimku tvoří fotografické vědecké přístroje, například snímače některých astronomických dalekohledů. Obrázek 3-11: Zklenutí pole. 86 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii SHRNUTÍ KAPITOL Y Cílem kapitoly bylo seznámit studenty s druhy optických vad ve vztahu filmu a fotogra­ fii. Historický vývoj objektivů 4 HISTORICKÝ VÝVOJ OBJEKTIVŮ RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY Studenti pochopí podstatu a skladbu dnešních objektivů na principu postupné historické exkurze, skrze kterou byly vyvíjeny jednotlivé objektivy a do dnešních dnů. CÍLE KAPITOLY Cílem kapitoly je seznámit studenty s podstatou a skladbou dnešních objektivů na principu postupné historické exkurze, skrze kterou byly vyvíjeny jednotlivé objektivy a do dnešních dnů. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU 4 vyučovací hodiny KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY objektivy, zobrazení 4.1 Proč do historie? Jak jsme si mohli povšimnout v předchozích kapitolách, obyčejné zobrazení sponou čočkou nepřináší vůbec kvalitní obraz. Čočky i zrcadla j sou zatížena vadami, která musíme kompenzovat, což je možné jejich kombinací (ať už pořadím, typem, či vzájemnými vzdálenostmi), měněním křivosti jednotlivých ploch, volbou optického skla, tloušťkou elementů, apod. Provést zkratku k vysvětlení principu moderního objektivu, ideálně transfokátorového by čtenáři nepřineslo pražádnou pomoc. Něco by mezi moderním objektivem a poznáním základních elementů chybělo. A tím je vývoj. Vývoj optiky pro fotografii je totiž přenádherným exkurzem do principů a způsobů a důvodů konstrukce toho-kterého 88 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii dnešního objektivu. Začneme tedy od těch nej prostších a nultou podkapitolu (bohužel tato projektová šablona neumožňuje tvorbu nulté podkapitoly) budeme věnovat dírkové komoře, avšak jen krátce a stručně. 4.2 Dírková komora Je nejjednodušším optickým zobrazením fungujícím na principu funkce přímočarého šíření světla. Máme světíotěsnou krabici s dírkou na jedné straně a světlocitlivou vrstvou na protější straně dírky. Světlo z předmětu dopadající na malou dírku v uzavřené krabičce se zastaví všude, kromě dírky, kterou pokrčuje přímočaře dovnitř krabičky na protější stěnu. Na místě kam dopadne, se promítne ploška zobrazující předmět v podobě rozptylového kroužku, který je přímo úměrný velikosti dírky a vzdálenosti dírky od plochy. Každý bod z předmětové plochy, kterou snímáme, tak má svůj rozptylový kroužek. Obrázek 4-1: Camera obscura v manuskriptu Principia Optices, 17. století. Dírková komora (nebo latinsky camera obscura) tedy vytváří obraz, který je stranově i vrcholově převrácený, protože paprsky vždy v tomto tzv. lineárním perspektivním zobrazení překříží optickou osu, kterou je právě dírka. Jelikož je rozptylový kroužek závislý pouze na velikosti dírky a vzdálenosti obrazové roviny (tedy vzdálenosti dírky a plochy, na kterou zachytáváme obraz) má dírková komora nekonečnou hloubku ostrosti. Obraz je stejně zaostřený pro předměty ležící těsně u dírky jako v nekonečnu. Z principu lineárního zobrazení si také můžete snadno náčrtkem ověřit, že všechny vertikální linie se zobrazí rovnoběžné a vertikální a všechny rovnoběžky rovnoběžné i s obrazovou rovinou se zobrazí rovnoběžné. Pokud nejsou rovnoběžné s obrazovou rovinou, pak se zobrazí jako úběžníky, které se protnou v bodech vymizení (viz. body perspektivy). Historický vývoj objektivů První dírkovou komoru vytvořil Leonardo da Vinci a dodnes je oblíbenou fotografickou kratochvílí. Pokud si chcete vyzkoušet vyrobit dírkovou komoru, popřípadě se o ní dozvědět více, nahlédněte na stránky www.pinhole.cz Obrázek 4-2: Camera obscura vytvořená na Slezské univerzitě v Opavě na oboru Multimediální techniky pomocí dírky o velikosti 1 cm2 v zatemňovací roletě. 4.3 První fotografické objektivy První fotografické experimenty, které prováděli Thomas Wedgwood, NicéphoreNiépce, Henry Fox Talbot nebo Louis Daguerre se uskutečňovali na přístrojích vybavených obyčejnou spojnou čočkou. Vzhledem k tomu, že jako světlocitlivé desky byly používány opravdu velkoformátové desky (Pohled z okna v Le Gras měl 20 x 25 cm), trpěly samozřejmě obrazy zásadními vadami. Nejzřetelněji se projevovalo zklenutí pole, otvorová vada a axiální barevná vada. Barevná vada se u jinak černobílých desek projevovala, protože zatímco fotografové ostřili na maximum žlutozelené barvy vnímané okem, tedy na vlnové délky, kde mělo maximum denní světlo, fotografické emulze byla citlivá nejvíce na modrou barvu, která se u spojky láme nejvíce. Bylo tedy obtížné zaostřit. 4.3.1 CHEVALIERŮV ACHROMÁT Tak spojnou čočku rychle nahradil nový optický systém, který pro Niépceho i Daguerra vyrobil francouzský optik Charles Chevalier v roce 1839. V podstatě se jednalo o něco, co tady již bylo dlouho, tedy achromatický objektiv (složeny ze spojky z korunového skla a 90 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii rozptylky ze skla flintového) používaný v dalekohledech. Pro účely fotografie byl ale otočen a byla mu předřazena clona. Tím se získal obraz s menším zklenutím a úpravou taky přiblížil Chevalier modrou do ohniska žlutozelené barvy, avšak trpěl silnou sférickou vadou a tak musel být výrazně cloněn. Díky tomu, že měl malé zorné pole a vysoké clonové číslo dostal název Landscape, později u nás Frontar, podle německého výrobce. Obrázek 4-3: Achromatický dublet otočený rozptylkou směrem k předmětu, tzv. krajinářský objektiv. Vyznačoval se malou světelností a malým zorným polem (na obrázku názorně napravo). 4.3.2 PETZVALŮV PORTRÉTNÍ Protože krajinářský objektiv Chevaliera měl vysokou clonu, vyhlásila Francouzská společnost pro podporu národního průmyslu v roce 1840 soutěž o „rychlejší" sklo, jak se přezdívá objektivům s menšími clonovými čísly. Tu vyhrál slovenský matematik a fyzik Joseph Petzval. Nebyl sice optik, ale měl za sebou slušný tým výpočtářů, kteří mu dopomohli k tzv. Petzvalovu portrétnímu sklu. Objektiv měl čtyři čočky ve dvou skupinách. První byl tmelený achromát (správně orientovaný), pak byla umístěna clona a za ní vzdušnou mezerou oddělený dublet rozptylky a spojky. Objektiv měl světelnost f/3,6 a umožňoval s ehdy dostupnou daguerrotypií venkovní expozice kolem minuty. S tím, jak přišel mokrý koloidový proces tak byl možno dosáhnout interiérových snímků kolem minuty. (Petzval bohužel vzhledem k francouzskému nacionalizmu soutěž nevyhrál) Petzval Portrait, 1840 Obrázek 4-4: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) Historický vývoj objektivů 4.3.3 PERISKOP Pokus o překonání bariér optických vad, především zkreslení, které také provázelo první achromatický, a především získání širšího ohniska přivedlo první optické konstruktéry k myšlence symetrického objektivu. Symetrické osazení čoček kolem osy má za následek, že některé vady vznikající na čočce první jsou na druhé straně obráceně umístěnou čočkou kompenzovány. To se týká právě zkreslení, ale také zklenutí a částečně komy. Barevná vada polohy ale zůstává nekompenzována, pokud jsou použity pouze dvě dutovypuklé spojky v symetrickém osazení (tzv. periskop). Ovšem rychlého řešení se dostalo s osazením symetrického objektivu dvěma tmelenými achromatickými dublety. Konstrukce kolem kruhu přinesla americké firmě Harrison & Schnitzer Globe v roce 1862 prvenství v širokoúhlých objektivech a světlo světa spatřil Globe (80°), avšak jeho clonění muselo být minimánlě f/16, spíše f/30. 4.3.4 APLANÁTY Symetrie nicméně přinesla v kombinaci achromátů korekci zkreslení, komy a barevných vad a objektivy tohoto typu se rozšířili pod názvy aplanát. Dosahovaly světelnosti f/8. Jejich vývoj byl tak překotný, že například nezávisle na sobě přišel se stejným optickým řešením John Dallmayer a Adolph Steinheil (1866). Tyto objektivy korigovaly na únosnou úroveň všechny vady krom zklenutí a kulové vady a staly se tak nedílnou výbavou fotografů celého 19. století. i }Harrison & Schnitzer Globe, 1862 Obrázek 4-5: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 92 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Dallmeyer Rapid-Rectilinear, 1866 Obrázek 4-6: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 4.3.5 PRVNÍ TELEOBJEKTIVY Požadavek na dlouhá ohniska ke konci 19. století expandoval také na požadavek rozumné konstrukční délky. Ten přinesl výpočet s posunutou hlavní obrazovou rovinou, resp. její vysunutí před objektiv. Toho se podařilo docílit u objektivů typu Telexenar nebo Busch Bis-Telar. Přední člen je silně konvexní (spojný) a druhý je rozptylný achromát. Do té doby pokusy o teleobjektivy sice přinášely funkční skla, avšak pro nesoulad v korekcích prvních a druhých párů fungoval zadní rozptylný člen jako zvětšovací přístroj na všechny optické vady. 4.3.6 ANASTIGMATY Objektivy anastigmatické se staly klíčovým prvkem vývoje na počátku 20. století. První přišel již v roce 1890 a stvořil jej ve firmě Crl Zeiss Jena německý fyzik Paul Rudolph Busch Bis-Telar, 1905 Obrázek 4-7: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) Historický vývoj objektivů Protar. Dostal název Protar a dokázal korigovat mnoho optických vad včetně astigmatizmu, světelnost dosahoval až f/4,5 a měl již proměnnou lamelovou clonu až po f/18. Jeho skvělé výsledky by ale nebyly možné, bez použití čerstvě vyvinutého bariového korunového skla, které vynalezli Ernst Abbe a Otto Schott. Právě tyto nové Schottovy skla měly vysoký index lomu oproti dosud používaných sodno-vápenatých skel, ale zachovávali si stejnou disperzi. V podstatě všechny lepší objektivy po roce 1930 vykazovali vlastnosti anastig- matu. 4.3.7 TRIPLETY Anglický šéfkonstruktér Denis Taylor přišel v roce 1893 se velmi jednoduchým tripletem, který se nazval Cooke triplet, podle firmy T. Cooke & sons, ve které Taylor pracoval. Vnější čočky byl tvořeny silně spojnými členy z korunového skla, prostřední člen z flintového skla byl silnou rozptylkou. Genialita sestavy spočívala v tom, že optická mohutnost prostředního záporného členu byla stejná jako součet mohutností vnějších spojek, přesto byl objektiv schopen vytvořit sbíhavé paprsky do ohniska. To proto, že paprsky z prvního členu dopadaly na prostřední rozptylku, která byla umístěna blízko ohniska první čočky. Křivost se pak vykompenzovala díky tomu, že je dána součtem dioptrií. Ale to neplatí pro výslednou ohniskovou vzdálenost. Díky tomuto uspořádání bylo dosaženo rovného pole, světelnosti f/3,5 (později až 2,8) a stal se tak klíčovým objektivem 20. století. Cooke triplet se stal základem konstrukce prakticky všech moderních objektivů, dokonce je stále využíván (s použitím asférických a fluoritových členů) v mnoha objektivech levnějších mobilních telefonů. Taylor, Taylor & Hobson Cooke Triplet 1893 Obrázek 4-8: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 94 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii 4.3.8 TESSAR Legendárním objektivem se stal v cyklu vývoje Tessar vyvinutý Paulem Rudolphem, autorem Protaru. Nechal se očividně inspirovat u Cooke tripletu a jeho kus s původní světelností f/6,3 se postupně do roku 1930 zlepšoval až na hodnotu f/2,8. Nicméně se stal velmi běžným objektivem 20. století, který na tu dobu poskytoval vysoký standard v oblasti středních ohnisek (a tedy normální perspektivy). 4.3.9 SONNAR S tím jak bylo dosaženo u většiny objektivů anastigmtismu, přišel na řadu boj o dosažení rychlého anastigmatu. Jako první se objevil díky německému optikovi Ludwigu Bertelemu Ernemann Ernostar v roce 1924 vyladěná při 105 mm na f/1,8. A také Ernostar byl odvozeninou Cooke tripletu, typické pro něj ale bylo, že měl jednu spojnou čočku předsazenou celému systému. Tento objektiv je spojen například s významným novinářem Erichem Salomonem, který se i díky novému rychlému objektivu stal průkopníkem moderní fotožur- nalistiky. Ernemann Ernostar 10.5cm f/1.8 1924 Obrázek 4-9: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) Bertele obětoval dalších deset let zlepšování Ernostaru, aniž si téměř všiml, že firmu Ernemann, ve které pracoval, pohltil Zeiss-Jena. V roce 1926 pak již pod značkou Zeisse vydává další legendu světové fotografické optiky Zeiss Sonar 50 mm f /1,5 určenou pro 35 mm fotoaparát Contax I. Díky přednímu spojnému členu se Sonnar častěji vyskytuje jako teleobjektiv nebo mírný teleobjektiv. Legendární se tak stal například v roce 1936 Zeiss Olympia Sonnar 180mm f/2.8 postavený pro fotoaparát Contax II. Historický vývoj objektivů Obrázek 4-10: (autor: PauU513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 4.3.10 (DVOJITÝ) GAUSSŮV OBJEKTIV Pokud se nějaký objektiv stal naprostým fenoménem bez konkurence do dnešních dnů, jejím objektiv Gaussova typu. Na počátku byl achromatický objektiv dalekohledu složený ze dvou čoček, který sestavil Carl Friedrich Gauss jako vylepšení Fraunhoferova Achromatického objektivu. Alvan Clark a Bausch & Lomb dále zdokonalili design v roce 1888 tím, tento objektiv zdvojili a druhý element otočily symetricky zády, čímž vznikl „dvojitý Gaussův objektiv". Když Paul Rudolph zesílil vnitřní rozptylky a později je dokonce pozměnil na tmelené dublety se stejným indexem lomu ale různou (1896) eliminoval velmi dobře barevné vady. Vznikla opět původní, symetrický, dvojitý Gausův dublet Zeiss Planar s f/4,5. Angličan Horace William Lee z Taylor, Taylor & Hobson přidal mírnou asymetrii a vytvořil Lee Opic, f/2 objektiv (1920). Tento objektiv sice nebyl komerčně úspěšný, ale stal se předchůdcem všech moderních objektivů (dvojitých) Gaussova typu, včetně objektivu Zeiss Biotar. ííí Gauss objective 1817 f i í Clark Double Gauss (f/8) 1888 Taylor, Taylor & Hobson Series 0 (Opic) (f/2) 1920 Obrázek 4-11: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 96 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Zeiss (Kine Exakta) Biotar 58mm f/2 1939 Obrázek 4-12: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) Biotar byl dalším evolučním stupněm, který jako první vznikl pro potřeby filmu v roce 1927 jako Biotar 50 mm f/1,4 a později pro fotografii, konkrétně pro první (SLR) zrcadlovku Kine Exakta v roce 1936: 58 mm, f/2. Tento design následně kopírovali například Sověti s u nás jediným dostupným a legendárním objektivem Helios-44 (58 mm, f/2). Objektivy Gaussova typu měly následně klíčový vliv a bouřilvý vývoj napříč fotografickou i filmovou optikou. Tento design tedy nezestárl a je používán dodnes pro velmi levné, světelné a přitom na svou cenu extrémně kvalitní Canon EF 50mm f/1.8 neboNikorr 50 mm f/1.8D. Ano vyrábí se s různými nepatrnými úpravami a vylepšeními dodnes. I když jeho nízká cena mnoho začínajících fotografů a kameramanů odradí, není zřejmě v kategorii do 20 tis. Kč žádné konkurence a měl by být začínajícím autorům doslova nucen pod pohrůžkou násilí, namísto zažitých setových objektivů typu 18-55 . 4.3.11 ŠIROKOÚHLÉ OBJEKTIVY Širokoúhlé objektivy se vyznačují širokým zorným polem a tedy krátkou ohniskovou vzdáleností, obvykle je jejich ohnisková vzdálenost kratší než diagonální průměr záznamového média. S tím vyvstává potřeba změnit konstrukci objektivu tak, aby se hlavní obrazová rovina nacházela dostatečně hluboko v obrazovém prostoru a paprsky tak mohly dopadnout na snímač nebo světlocitlivou vrstvu. V podstatě máme dvě možnosti jak toho dosáhnout. Buďto použít konstrukcí odvozených od základních řad objektivů u nichž je pouze zajištěna krátká ohnisková vzdálenost a velkého zorného úhluje dosaženo na úkor světelnosti. Druhá možnost je dnes vývojově lepší, jde o objektivy konstruované jako převrácený teleobjektiv. Vstupní čočka má zápornou mohutnost a je obvykle vypuklodutá a druhý člen je v podstatě normální objektiv. Tím se dosahuje posunu hlavní roviny dovnitř systému. První takovým objektivem byl Taylor, Taylor & Hobson 35 mm f/2 (1931) určený pro první plnobarevnou Technicolor filmovou kameru (byl za objektivem potřeba prostor pro hranol dělící paprsky pro jednotlivé barvy na tři negativní filmové pásy). Historický vývoj objektivů Fotografové se dočkaly až s příchodem chráněného „retroohniskového" objektivu, kterým byl francouzský Angénieux Retrofocus Type R l 35 mm f/2.5. A vyjma přední rozptylky byl jinak pětičočkovým Tessarem. Mimochodem název retrohniskový objektiv byl pod ochranou právě dlouhé roky u Angénieuxe, a tak se právě vžil pojem převráceného teleobjektivu, jako obecného názvu ro tyto typy objektivů. Angénieux Retrofocus Type Rl 35mm f/2.5 1950 Obrázek 4-13: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) Retroohniskové objektivy zasáhly i konstrukce jinak nepříliš širokoúhlých objektivů jelikož obzvláště u jednookých zrcadlovek (SLR) bylo třeba se vypořádat s hloubkou šachty pro sklopné zrcátko, což přidávalo požadavek na min. 40 mm prostoru navíc. Mezi širokoúhlými objektivy, později vyvíjenými, vyniká jeden více než ostatní. Jejím Nikkor 13 mm f/5.6. Má totiž při takovémto ultra-širokoúhlém formátu pro 35 mm snímač v podstatě perfektní rektilineární zobrazení. Obsahuje 16 elementů ve 12 skupinách. Přední část je klasická širokoúhlá skupina, následuje clona a za ní je triplet typu Tessar pro klíčové korekce. Jedná se o extrémní verzi retroohniskového designu s posunem ohniska do obrazového prostoru na trojnásobek ohniskové vzdálenosti objektivu. N i k k o r 1 3 m m f/5.6 A I S Obrázek 4-14: Nikkor 13mm f/5.6 rektilineární objektiv. (Dan Lindsay @ Wikipedia CC BY 3.0) 98 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Obrázek 4-15: Rektilineární zobrazení u Nikkor 13mm f/5.6. (Dan Lindsay @ Wikipedia CC BY 3.0) Historický vývoj objektivů 4.3.12 RYBÍ OKO Extrémní část širokoúhlých objektivů zabírají objektivy typu rybí oko. Nikdo u nich nečeká například rektilinearitu, protože to z principu není možné. Většina objektivů typu rybí oko (fish eye) dokáže pokrýt zorné pole 180°, některé i více. Aby to bylo vůbec možné, je nutné konstruovat jako první člen objektivu silně vypuklodutou rozptylku, která poskytne pro paprsky přicházející z okraje zorného pole ještě dostatek možností vstoupit do optického systému beze ztrát a zároveň paprsky usměrnit tak, aby do klíčového optického elementu vstupovaly pod přijatelným úhlem. Prvním takovým objektivem, který to dokázal, byl anglický Beck Hill Sky již v roce 1923. Určený byl nicméně pro meteorologické stereoskopické pozorování oblohy. Jeho ohnisková vzdálenost byla 21 mm a f/8, přičemž vykroužil kruhové zorné pole 180° o průměru 63 mm. 4.3.13 OBJEKTIVY TYPU Z O O M - TRANSFOKÁTORY Objektivy s transfokátorem se vyvinuly z teleobjektivů. Posunem zadního členu se totiž mění zvětšení systému. Jenže tak jednoduchá cesta ke kvalitnímu zoomu nebyla. Na vzájemných vzdálenostech je závislá také korekce optických vad a především zkreslení. Opravdový transfokátorový objektiv je třeba doplnit o korekční člen, který bude kompenzovat změny při posunu systému. Tedy velmi zjednodušeně řečeno. Trvalo desítky let vývoje, než byl představen funkční a praktický zoom pro fotografické přístroje. Pro filmové kamery, které nevyžadovaly tak přesné zobrazení jako fotografické přístroje, byli první transfokátory uvedeny již v třicátých letech minulého století. Před nimi se ještě objevili sádkové objektivy, kde odstraněním nebo přidání poloviny objektivu přibylo nebo ubylo polovina ohniskové vzdálenosti. Beck Hill Sky, 1923 Obrázek 4-16: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 100 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii První fotografický ZOOM byl nejspíše Voigtländer-Zoomar 36-82mm f/2.8 v roce 1959. Jednalo se o americko-německou kooperaci. Design navrhla americká Zoomar a konstrukce byla svěřena západoněmeckému Voigtlánderu. Objektiv byl ale velmi těžký a obrovský, průměr filtrového závitu byl 95 mm. Klíčovým vývojářem byl Franck Back, který byl doslova průkopníkem transfokátoru. Proslavil se například objektivem pro 16 mm kamery Zoomar 17-53 mm, f/2,9. Jenže tyto první zoom objektivy byly díky komplikovaným výpočtům spíše mizerné, počítání transfokátoru bylo prostě úlohou pro počítače, které toho byly schopny až v sedmdesátých letech. Do té doby tedy byly transfokátory určeny pro televizní kamery anebo amatérské filmové kamery typu 8 mm a 16 mm. Pro fotografii nebyly zatím použitelné. (Kilfitt) Voigtländer-Zoomar 36-82mm 1/2.8, 1959 Obrázek 4-17: První transfokátor typický tím, že existuje jediný spárovaný posuvný člen. Bylo jasné, že další design se musí ubírat rozdělením členu na části, které budou zodpovědné za transfokaci a člen, který bude schopný korigovat lépe optické vady. (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) V roce 1974 přišel první, počítačem vypočítaný objektiv Vivitar Serieš 1 70-210 mm f/3.5 Macro Focusing Zoom. Jednalo se o americko-japonský projekt, který rozdělil vnitřní posuvný člen na dvě části. Konečně se rozhýbal transfokační člen a kompenzační člen sa­ mostatně. Historický vývoj objektivů Ponder & Best (Opcon/Kino) Vivitar Serieš 1 70-21 Omm f/3.5, 1974 Obrázek 4-18: Nový posun ve výpočtech na počítačích umožnil oddělení transfokačního a kompenzačního členu, které se pohybovali s ohledem na nastavené ohnisko závisle, ale rozdílně, (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) Vývoj pak postoupil rychle kupředu a prvním objektivem, který se začal prodávat základní objektiv byl japonský Fuji Fujinon-Z 43-75 mm f/3.5-4.5 na 35 mm fotoaparát Fujica AZ-1. Vznikly tak první náhrady za základní ohnisko 50 mm, kterým se říkalo supernormální rozsahy. V roce 1981 přišel první širokoúhlý zoom - japonská Sigma 21-35 mm f/3.5-4, který byl kombinací rektilineárního širokoúhlého objektivu, rektofokálního objektivu a transfokátorového objektivu. Takový výpočet prováděný jinak než počítačem si nikdo nedokázal ani představit a oříškem to bylo i pro tehdejší výpočetní techniku. Sigma 21-35mm f/3.5-4, 1981 Obrázek 4-19: Hned tři pohybující se elementy byly prubířským kamenem tvorby širokoúhlých objektivů, (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 102 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Stavba širokoúhlých zoom objektivuje dodnes nejnáročnější optickou výpočetní disciplínou. A se zmenšujícími se snímači v dnešní digitální době je obtížné a vlastně zatím i nemožné pro nej menší čipy vytvořit dostatečně širokoúhlý transfokátorový objektiv. S příchodem MFT rozměrů a také s rozvojem miniaturních snímačů v mobilních telefonech je zatím extrémně komplikované vytvořit objektiv s polem větším než 90° a schopný alespoň trojnásobné změny ohniska. Velkou vypočtení zkouškou pak jsou zoom objektivy s rozsahem ohnisek větším než trojnásobek nejkratší ohniskové délky. V podstatě precizní optické korekce najdeme jen u objektivů vhodných pro filmové použití s omezením na fullHD, výjimečně na 4K rozlišení. Nej pokročilejší systémy poskytuje Angénieux s legendárními 25-250 anebo 44-440 mm. Určeny j sou ovšem pro 3 5 mm formáty s bezpečným vykroužením 31 mm kruhu. Objektivy s větším rozsahem určené pro fotografii zatím vždy trpí většími optickými vadami, než jejich kolegové se zoom rozsahem maximálně trojnásobným. 4.3.14 PARFOKÁLNÍ OBJEKTIVY Pokud jsme zmínili zoom objektivy, bylo by vhodné upozornit, že ne každý transfokátorový objektiv je parfokální. Tedy, že při změně ohniska zůstane zaostřen. Takové výsostné postavení mají objektivy filmové, u který je tato funkce nutností (vyjma nej obyčejnějších čínských náhražek). Proto je dobré dávat při výběru vhodného objektivu, ať už při koupi nebo při rentalu, pozor na to, k čemu má být určen. U fotografování je to v podstatě jedno, nicméně u filmového použití je parfokální objektiv velmi usnadňující práci. Jednak v případě potřeby zaostřit, pak se hodí si objekt přiblížit a zaostřit a pak překomponovat na příslušné ohnisko, anebo při práci s transfokací během záběru. 4.3.15 BUDOUCNOST OBJEKTIVŮ Vývoj objektivů se ubírá jednak vývojem nových nízkodisperzních skel a technikou levné výroby asférických členů. Mezi specifické typy asférických členů patří difrakční optika, která je nyní komplikovaná a nákladná, ovšem v rozumné době může přinést řešení mnoha optických výpočtových problémů, stejně jako otázku rozměrů objektivů. V roce 2001 byl například představen Canon EF 400 mm ÍIA DO IS USM s difraktivní optikou, která se vyznačuje podobným schématem j ako má Fresnelova čočka. Díky precizní tvorbě je takto možno vytvořit člen se zápornou disperzí eliminující sférickou a barevnou vadu velmi kvalitně. Následoval ještě EF70-300 mm f/4.5-5.6 DO IS USM v roce 2004. Ovšem další se od té doby neobjevily. Historický vývoj objektivů Obrázek 4-20: Difraktivní optický člen v objektivech Canon. (Autor: Canon inc.) SHRNUTÍ KAPITOL Y V kapitole byli studenti seznámeni s podstatou a skladbou dnešních objektivů na principu postupné historické exkurze, skrze kterou byly vyvíjeny jednotlivé objektivy a do dnešních dnů. 104 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii 5 KVALITA OPTICKÉHO ZOBRAZENÍ RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY Hodnocení jakosti objektivů v dostupné podobě i pro posluchače. CÍLE KAPITOLY Cílem je seznámit studenty s možnostmi a způsoby hodnocení jakosti objektivů. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU 2 vyučovací hodiny KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY objektivy, kvalita, hodnocení, jakost 5.1 Hodnocení jakosti a praktické vady Lidský mozek nemá schopnost smyslově vnímat hodnoty a parametry (nejen) optických systémů lineárně. Je tedy neobjektivní. Neumíme objektivně odhadnout, o kolik víc světla je v místnosti, o kolik E V upravit expozici aby odpovídala scéně, nad kterou zajde Slunce a neumíme ani odhadnout rozlišení objektivu či kontrast a kresbu. Mnoho postupů pro kontrolu kvality objektivů (na které se zaměříme výhradně) nám vlastně nebudou k ničemu, protože oprava špatné optiky je dnes v podstatě bezpředmětná, nejedná-li se o velmi drahý kus. Můžeme je ale využít pro reklamaci zakoupeného skla anebo v případě možnosti, k výběru toho pravého. Hodí se znát zobrazovací křivky v recenzích objektivů, stejně jako je vhodné si některé parametry po zakoupení ověřit. A nakonec se budeme věnovat také otázce, jak poznat některé vady vzniklé používáním objektivů. Kvalita optického zobrazení 5.2 Hodnotitelné vlastnosti objektívu Mezi hodnocené a hodnotitelné vlastnosti patří světelnost, ohnisková vzdálenost, zorný úhel, rozlišovací schopnost, ostrost, sestavení, parazitní odrazy, ale najdu se jistě i další. Zatímco světelnost, ohnisková vzdálenost a zorné poleje dána výrobcem, nebudeme se jí zabývat. Rozlišovací schopnost je sice výrobcem také dána, stejně tak jako můžeme důvěřovat v kvalitní sestavení, kde nebudou čočky posunuty nebo sklopeny jinak než bychom potřebovali. Přesto rozlišovací schopnost je parametr, který má smysl testovat. A sestavení a vycentrování je vhodné také podrobit alespoň základnímu testu, byť nikdy nemůžeme přesně zjistit, který člen, jak moc a z jakého důvodu není správně adjustován. Nicméně se může stát, že některé objektivy, obzvláště pofiderních anebo méně renomovaných výrobců, mohou vykazovat v jediné řadě objektivů značné kvalitativní rozdíly. A minimálně úroveň kvality je možno některými následujícími postupy rozpoznat a takový objektiv buďto nekupovat vůbec, anebo včas reklamovat. Spatný kus ve výrobní sérii je velmi málo pravděpodobný u renomovaných výrobců, ovšem nedá se vyloučit zcela. Kupujete-li si tedy objektiv, popřípadě půjčujete-li si i velmi drahá skla pro účely důležitého natáčení, není od věci si sklo otestovat alespoň v základu. U nakupovaného objektivuje to zřejmé, chcete předejít výběru špatného kusu. U pronajímaného je důvod taky prostý, technika, která prošla zástupy filmových štábů může být opotřebovaná nejen povrchově, ale i opticky, z důvodů pádů, nárazů a dalšího neodborného zacházení, které po běžné očištění nemusí jít vůbec vidět. 5.2.1 OSTROST A KONTRAST Ostrost a kontrast je nejméně čitelný a nejvíce subjektivní bod testování. Ostrost chápeme jako rychlost změny jasu na zkoumaném rozhraní. Představme si ideální rozhraní černé a bílé. Maximální ostrost bude snímek pořízený příslušným objektivem tehdy, když po zvětšení na úroveň rozlišovací schopnosti nebude mezi černou a bílou patrný žádný přechod. Taková situace je hypotetická a takto ostře kreslící objektivy nemáme. Vždy se vyskytuje nějaký přechod a ten můžeme vyjádřit jako derivaci funkce takového přechodu v bodě, kde se má matematicky nacházet hrana. Do hry s ostrostí však vstupuje také kontrast, cože je poměr rozdílu mezi jasem objektu a jasem pozadí k jasu tohoto pozadí. Při vysoké ostrosti může být kontrast nízký. Tedy modelový přechod mezi černou a bílou nebude černý a bílý, ale například černá bude posunuta do tmavě šedé a bílá do světle šedé. Aby to nebylo málo komplikované, můžeme také subjektivně zvýšit ostrost lokálním zvýšením kontrastu. Takový příklad vidíte níže. Kolem šedé spirály je na vnitřní straně přidán černý proužek o tloušťce 1 px a na vnější straně bílý proužek o tloušťce 1 px. Výsledek je kontrastnější, ale také subjektivně ostřejší obraz. 106 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Obrázek 5-1: Lokální zvýšení kontrastu způsobí nejen kontrastnější snímek, ale při oddálení snímek také ostřejší. Protože ostrost kresby do značné míry ovlivňuje rozlišovací schopnost objektivu, je možno ostrost hodnotit z testovacích obrazců zkoumáním vzorů pro měření rozlišení v počtech čar na milimetr. Pro základní orientaci a případné porovnání takovéto měření stačí. 5.2.2 ROZLIŠOVACÍ SCHOPNOST Rozlišovací schopnost je dána minimální vzdáleností dvou bodů, které je ještě schopna optika rozlišit. Zde je nutné si uvědomit, že objektiv má své omezení rozlišovací schopnosti, ale snímač (ať už čip nebo film) také. Při hodnocení rozlišovací schopnosti to tedy musíme mít na paměti, abychom s testovacím obrazcem nepřekonali rozlišení čipu anebo naopak. Většina objektivuje pro dané zařízení konstruována tak, aby jejich optická kvalita byla s rezervou větší, než záznamové médium. A to nejen co do rozlišení, ale také optických vad a hlavně rozsahu, ve kterém jsou ještě korigovány (efektivní zorné pole). Obrázek 5-2: Vlevo - vysoký kontrast a vysoká ostrost. Druhý zleva - vysoký kontrast, nízká ostrost. Třetí zleva - nízký kontrast, vysoká ostrost. Vpravo - nízká kontrast a nízká ostrost. Kvalita optického zobrazení Rozlišení objektivů se udává v počtu čar na milimetr a posuzuje se na obrazcích, které obsahují rovnoběžné čáry střídavě bílé a černé o stejné šířce. Různě veliké obrazce s různými průměry čar pak dávají možnost rozpoznat, zda pro ně ještě objektiv poskytuje dostatečné rozlišení, či nikoliv. Tyto obrazce se na testovací plochu umisťují jednak ke středu a jednak k rohům a jsou vždy orientovány minimálně ve směru meridiálním (kolmo na úhlopříčky) a sagitální (úhlopříčné). Rozlišení, jak víte z části věnované astigmatismu, se může právě vzhledem k různým rovinám lišit. Místo čtvercových obrazců je také možno používat o něco efektivnější Nutting-Jewellovy kružnice, což jsou čáry uspořádané do hvězdy. Výhodou je, že jsou čáry plynule přecházející a orientovány do všech směrů. Průměr již nerozlišitelného vnitřního kruhu informuje o velikosti rozlišení a případná nesymetričnost o astigmatizmu. Obrázek 5-3: Testovací obrazce pro rozlišení a zkreslení TE 100. 5.2.3 VlNĚTACE Vinětace je ztmavení obrazu směrem k okrajům, kterou jsou postiženy všechny optické systémy, a nedá se jí zabránit. Můžeme ji vhodným způsobem pouze minimalizovat na únosnou mez. Vinětaci objektivu můžete zjistit snadným testem na mracích anebo na uniformě osvětleném pozadí. Druhá možnost je ale velmi komplikovaná, protože přesnost osvětlení plochy musí být velmi vysoká. Velmi dobré výsledky je ale možno dosáhnout pod zamračenou oblohou, kde nejsou vidět struktury mraků (tzv. mlíko), pokud vyfotíte snímek skrze testovaný objektiv zády ke směru, kde by se mělo nacházet Slunce, dostanete naprosto dostačující snímek pro zjištění vinětace. Nastavte expozici tak, aby byl histogram snímku uprostřed, foťte do RAW. Uniformní podmračená obloha poskytne šedý snímek, který můžete po vyvolání zesvětlit a následně pomocí nástroje na zvýšení kontrastu získáte dobrý přehled o tom, jak moc je obrázek směrem k okrajům tmavší. 108 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii 5.2.4 BOKEH Bokehje charakter bodových zdrojů v neostrosti. Obvykle má bokeh tvar vstupní pupily, v případě zacloněného objektivu tvar clony. Pokud máte clonu lamelovou, bude její tvar odpovídat mnohoúhelníku adekvátně počtu lamel. Co je však o bokehu málo známé je skutečnost, že jeho charakter není dán j en okrajem snímku. Subjektivní charakter bokehu je ovlivňován ostrostí objektivu rozložením této ostrosti a kontrastu směrem k okrajům. Dodnes neexistuje žádný nástroj, jak jej měřit, ale bývá často zmiňováno, že na tzv. MTF grafech sloužících pro tstování ojektivů se příjemnější bokeh vyskytuje u objektivů, která mají blízko sebe křivky meridiální a sagitální. 5.2.5 PARAZITNÍ ODRAZY Jsou nemilou součástí fotografování v protisvětle. Měly by je eliminovatjak antireflexní vrstvy, tak korektní vyčernění objektivu. Ovšem zabránit se jim nedá. Obzvláště se stárnutím objektivu a opotřebením antireflexní ch vrstev popřípadě se špínou na objektivu přibývají. Testy jsou snadné, protisvětlo snímané pod různými úhly může přinést dobrou a objektivní informaci o existenci parazitních paprsků přicházejících na snímač. Doporučeno je, používat sluneční clonu. 5.2.6 VYCENTROVÁNÍ OBJEKTIVU Spatně vycentrovaný objektiv samozřejmě neopravíte, nicméně usazení optických členů a průběh vady je možno získat také fotografií testovacího obrazce. Pokud se v zónách směrem od centra testovacího obrazce chovají jednotlivé testovací tvary odlišně, pak se dá očekávat, že objektiv není zcela přesně adjustován. 5.2.7 HODNOCENÍ KVALITY FILTRŮ Také fotografické filtry je možno podrobit testování. Nemůžeme sice zkoumat kvalitu aplikované filtrovací/korekční vrstvy (popřípadě jen omezeně a v závislosti na typu filtru), ale co je pro kvalitu filtrů v prvním kroku podstatné, je kvalita planparalelní destičky. To lze odzkoušet i pouhým okem přesněji pak skrze dalekohled. Nakloněním filtru by totiž nemělo dojít k deformacím obrazu. Jakmile se obraz procházející skrze filtr začne vlnit popřípadě měnit poměry velikostí v obraze, nebude deska na horní a dolní ploše dostatečně rovnoběžná. Také kolmost na optickou osu, tedy adjustáž je vhodné pohlídat. Nemá sice vliv na zobrazení, ale může přinést do systému barevnou vadu. 5.2.8 ZKRESLENÍ Zkreslení je typickou vlastností širokoúhlých objektivů a naprosto samozřejmou vlastností objektivů typu rybí oko. V obou případech očekáváme soudkovité zkreslení. Opačné, Kvalita optického zobrazení poduškovité se objevuje u středních a delších ohnisek a především u objektivů typu zoom. U nich právě zkreslení je nej komplikovanějším bodem optických korekcí a výpočtů. Kontrola zkreslení se provádí snadno. Postačí vyfotit pravoúhlou mřížku umístěnou kolmo k fotoaparátu. Může to být klidně i plot, zeď z cihel. Povšimněte si, jak se u transfokátorových objektivů mění zkreslení zpravidla od soudkovitého v nej širším ohnisku až po poduškovité při nejdelším ohnisku. Typické je to u levnějších objektivů setových (18— 55 mm) a stejně tak u transfokátorových objektivů s většími ohniskovými rozsahy. 5.3 MTF křivky a hodnocení jakosti objektivů Ve fotografii se pro hodnocení kresby objektivu používá graf tzv. MTF (modular transfer function). Jedná se o rozlišení objektivu v radiálním přenosu (tedy od středu k okrajům) pro sagitální a meridiální paprsky. A pro dvě hustoty čar. Přenos čar při hustotě 10 čar/mm definuje přenos kontrastu. Přenos čar o hustotě 30 čar/mm definuje přenos ostrosti nebo taky rozlišení. Graf má dvě osy, na svislé je kvalita přenosu od 0 do 100 %. Na vodorovné ose vynášíme vzdálenost od středu snímače. Všechny grafy mají nejlepší kresbu v centru a postupně k okrajům kvalita zobrazení klesá, nejen kvůli vinětaci, ale taky kvůli vlastně všem optickým vadám. Křivky přenosu se uvádí plná pro meridiální linie (rovnoběžně s úhlopříčkami) a přerušované pro sagitální linie (kolmo na úhlopříčku). Pokud je linií více, jsou obvykle rozlišeny tloušťkou nebo barvami a definují různé clonové čísla. 1 0.9 0.8 0.7 06 0.5 0.4 03 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 Obrázek 5-4: MTF křivka pro objektiv Canon EF 50 mm, f/1,8 STM. Modré čáry jsou pro clonu f/8, černé čáry pro plnou díru f/1,8. Povšimněte si vodorovné osy, zde stojí za připomenutí, že jde o vzdálenost od středu, tedy že APS-C formát končí kousek za 15 mm a FF formát sahá až na konec grafu. 110 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Samostatný úkol: Dohledejte na internetu MTF křivky objektivů, které používáte, a interpretujte výsledky MTF ve vztahu k ostatní testovaným sklům. Vlastním i od kolegů. SHRNUTÍ KAPITOL Y Studenti byli seznámeni s možnostmi a způsoby hodnocení jakosti objektivů. Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii LITERATURA Seznam použité literatury. Rozšiřující literaturu uvádějte do textu v příslušných pasážích. Odkazy na povinnou literaturu uvádějte např. pomocí průvodce textu nebo jiného vhodného prvku zachovávejte však kontinuitu. • M . Jiráček, Fotografická optika, Praha: Orbis, 1960. • A. Szomolányi, Základy kamerové tvorby, Opava: Slezská univerzita v Opavě, 2015. • A. Szomolányi, Kamera! Běží..., Praha: Citadella, 2016. 112 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii CITOVANÁ LITERATURA [I] „Wikiskripta, oko," Wikimedia foundation, [Online]. Available: https://www.wikiskripta.eu/w/Oko_(biofyzika). [Přístup získán 03 08 2019], [2] M . V. Jaroslav Reichl, „Enycklopedie fyziky," [Online]. Available: http://fyzikajreichlxom/main.article/view/210-weber-fechneruv-psychofyzikalnizakon. [Přístup získán 11 03 2019]. [3] A. Szomolányi, Základy kamerové tvorby, Opava: Slezská univerzita v Opavě, 2015. [4] A. Szomolányi, Kamera! Běží..., Praha: Citadella, 2016. [5] „Index Lomu," Wikimedia foundation, [Online]. Available: https://cs.wikipedia.org/wiki/Index_lomu. [Přistup získán 06 04 2019], [6] M . Jiráček, Fotografická optika, Praha: Orbis, 1960. [7] „Sklo," Wikipedia inc., [Online]. Available: https://cs.wikipedia.org/wiki/Sklo. [Přístup získán 07 04 2019]. [8] Wikiskripta, „Kompozice obrazu," [Online]. Available: https://cs.wikiversity.org/wiki/Kompozice_obrazu. [Přístup získán 01 01 2019], [9] „Wikipedie - Daguerrotypie," Wikimedia Foundation, Inc., [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Daguerreotype. [Přístup získán 14 01 2019], [10] A. Snajdrová, Lineární perspektiva ve výtvarném umění. Náměty pro mezioborovou výuku geometrie a výtvarné výchovy na základní škole., Brno: Masarykova univerzita v Brně, 2014. [II] „Fraunhoferovy čáry," Wikipedia inc., [Online]. Available: https://cs .wikipedia. org/wiki/Fraunhoferovy_%C4%8D%C3 %A1 ry. [Přistup získán 07 04 2019]. Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1-1: Elektromagnetické vlnění na obrázku zjednodušeně ztvárněné kmitající v jediné rovině. Směr šíření je v, směr výchylky elektrického pole E je znázorněn modře, směr výchylky magnetického pole B je znázorněn červeně, (autor: Emannuel Boutet CC BY-SA 3.0) 9 Obrázek 1-2: Elektromagnetické spektrum se znázorněním viditelné části spektra (autor: Tatoute and Phrood CC-BY-SA 3.0). 9 Obrázek 1-3: Krajina pořízená v infračerveném oboru spektra (autor Jannis, CC-BY-SA 3.0) 10 Obrázek 1-4: Spektrum viditelného světla v lineární škále podle frekvence. 11 Obrázek 1-5: Rentgenový snímek levé ruky Alberta von Kóllikera left pořízená Wilhelmem Róntgenem na jedné z jeho veřejných přednášek 23. ledna 1896. 12 Obrázek 1-6: Průhlednost atmosféry pro jednotlivé vlnové délky elektromagnetického záření. Atmosféra je dobře průhledná pro viditelné světlo, poměrně dobře pro měkké infračervené záření a pak pro rádiové vlny mezi 1 cm a 10 m. 13 Obrázek 1-7: Rez lidským okem. 13 Obrázek 1-8: Spektrální citlivost čípků vybavených různými opsiny absorbují světlo různých vlnových délek. 14 Obrázek 1-9: Euklidova přirozená perspektiva. Předměty vzdálenější se zobrazují pod menšími úhly než stejně velké předměty bližší. 16 Obrázek 1-10: Svítivost a světelný tok. 18 Obrázek 1-11: Intenzita osvětlení 18 Obrázek 1-12: Jas. 19 Obrázek 1-13: Expozimetr s funkcí měření dopadajícího světla (bílá polokoule), jasoměru v podobě spotmetru (hledáček napravo). 21 Obrázek 1-14: Kalota jako nástavec na mobilní telefon umožňuje spolu s vhodnou aplikací využít světlocitlivou buňku na mobilním telefonu jako expozimetru měřící dopadající světlo. 22 Obrázek 1-15: Díky tělesné teplotě kolem 36 ° člověk září v infračerveném spektru. Zároveň platí, že některé materiály j sou pro infračervené záření průhledné, zatímco pro viditelné mohou být zcela neprůhledné jako v případě PVC pytle. 23 Obrázek 1-16: Screen z filmu La La Land (Damien Chazelle, 2016) - vlevo a z filmu Django Unchained (Quentin Tarantino, 2012). V případě muzikálu La La Land byly lampy upraveny na barvu namodralých rtuťových výbojek a prostor byl vykryván až 15 kusy 6 kW H MI světly. V případě filmu Nespoutaný Django byla krajina nasvětlena z jeřábu celkem 24 kusy 6 kW H MI přes obří softboxy. Oba filmy byly natáčeny na film, nikoliv na digitální kameru. 24 Obrázek 1-17: Spektrum různých světelných zdrojů. Vlevo nahoře Slunce s typickým spojitým spektrem 5500 K. Vpravo nahoře žárovka s valnou většinou vyzařování v infračervené části spektra, 2500 K. Vlevo uprostřed zářivka s typickým pásovým spektrem 3500 K. Vpravo uprostřed vysokotlaká sodíková výbojka s dominujícím oranžovým pásovým spektrem a minimálním zastoupením dalších barev 1800 K. Vlevo 114 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii dole LED žárovka, které dominuje modré čárové spektrum luminoforem konvertováno částečně do oranžové, avšak modrá dominující barva dává CRI7300 K (konkrétně se jedná o světlo výkonné COB LED na turistické čelovce). Vpravo dole také LED žárovka, avšak klasická pokojová s CRI 2700 K, většina modré je tedy již luminoforem konvertována do oranžové. 26 Obrázek 1-18: Záblesk xenónové výbojky blesku. (Autor: Gregory Maxwell GFDL licence) 28 Obrázek 1-19: H MI světlo včetně předřadníku. 29 Obrázek 1-20: Vlnoplocha sférického vlnění. Šipky ukazují směr šíření, barevné čáry jsou vlnoplochami v dvojrozměrném prostoru. (Autor: Pajs (a), wikimedia CC BY-SA 3.0) 30 Obrázek 1-21: Graficky znázorněny způsob šíření světelných vln podle Huygensova principu v prvním případě při dopadu na malý otvor a ve druhém případě při dopadu na opticky hustší prostředí. 31 Obrázek 1-22: Moaré vzniká překrytím stejných nebo podobných vzorů navzájem pootočených o malý úhel, anebo navzájem posunutých. Může také vzniknout překrytím podobných vzorů anebo vhodně pravidelně uspořádaných vzorů. Na obrázku výše interferují (zesilují) se ta místa, kde se překrývá prázdná plocha s plnou a tvoří tak hustší síť které neumožňují oku rozlišit skutečný tvar obrazce v popředí a pozadí. 32 Obrázek 1-23: Interference vlnění. Vlevo zesilující amplituda vlnění u vln posunutých o celou délku vlny, vpravo díky posunutí o násobky poloviny délky vlny se vlnění vyruší. (Autor Haade.) 32 Obrázek 1-24: Interference na tenké vrstvě funguje jak u antireflexní ch vrstve, tak řeba na přirozených tenkých vrstvách, v uvedeném případě na oleji. (Autor, Magda Králová Techmania. CC BY-SA 3.0) 33 Obrázek 1-25: Ukázka změny kruhové polarizace na lineární polarizaci na příkladu gumového lanka roztočeného a rozvibrovaného zároveň. Sepnutím štěrbiny je z kruhově polarizovaného pohybu preferován pohyb lineárně polarizovaný, (autor: Zátonyi Sándor, (ifi.) Fizped - Own work. CC BY-SA 3.0) 34 Obrázek 1-26: Obrázek rozdělen na dvě poloviny. Horní část obrázku s polarizačním filtrem, dolní polovina bez polarizačního filtru. Povšimněte si, že fotograf je přes sklo vidět, polarizace funguje díky blízkosti brewsterova úhlu. Avšak zadní okýnka se již od Brewsterova úhlu vzdalují a na nich polarizační filtr nefunguje.(Autor Sbittante @ wiki, CC BY-SA 3.0) 35 Obrázek 2-1: Barevná odrazivost modrého pigmentu. Struktura a složení modrého pigmentu je právě taková, že pohltí všechny vlnové délky světla krom modré. Tu odrazí. 38 Obrázek 2-2: Tvary zakřivených zrcadlových ploch respektují v podstatě výhradně tvary kuželoseček. 42 Obrázek 2-3: Duté zrcadlo -zobrazení paprsků do ohniska 42 Obrázek 2-4: Vypuklé zrcadlo - zobrazení paprsků. 43 Obrázek 2-5: Zobrazení dutým zrcadlem. 43 Obrázek 2-6: Zobrazení pro případ, že se předmět nachází od vrcholu zrcadla ve vzdálenosti větší než 2f. Obraz je reálný, zmenšený a stranově a vrcholově převrácený..44 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Obrázek 2-7: Zobrazení pro případ, že se předmět nachází od vrcholu zrcadla ve vzdálenosti přesně 2f tedy ve vzdálenosti rovné poloměru zrcadla. Obraz je reálný, stejně velký jako předmět a je stranově a vrcholově převrácený. 45 Obrázek 2-8: Zobrazení pro případ, že se předmět mezi optickým středem a ohniskem. Obraz je reálný, zvětšený a je stranově a vrcholově převrácený. 45 Obrázek 2-9: Zobrazení pro případ, že se předmět nachází ve vzdálenosti menší než f, tedy mezi ohniskem a vrcholem zrcadla. Toto i e jediný případ, kdy i e obraz nereálný (zdánlivý). Jinak je zvětšený a vzpřímený. 46 Obrázek 2-10: Zobrazení vypuklým zrcadlem. Ve všech možných případech je obraz vytvořený vypuklým zrcadlem nereálný, vzpřímený a zmenšený. 46 Obrázek 2-11: Kulová, sférická, anebo také zvaná otvorová vada kulových zrcadel. 47 Obrázek 2-12: Duté zrcadlo použité v systému Newtonova astronomického dalekohledu. U malých průměrů bývalo obvyklé použití sférických zrcadel, větší průměry pak, právě z důvodu kulové vady, používají zrcadla parabolická. Tento typ dalekohledu vykazuje vysokou světelnost, avšak z důvodu komy je mírně omezen v zorném poli. Jak je vidět, světlo odražené od primárního zrcadla dopadá na zrcadlo sekundární, které je rovinné a odvádí paprsky z tubusu do místa, kde je okulárový výtah. Obraz je pak možno buďto zaznamenat na čip fotoaparátu (tedy dalekohled slouží jako klasický fotografický objektiv) anebo do okulárového výtahu umístit okulár, tedy spojnou soustavu, kterou je možno obraz v ohnisku prohlédnout. 48 Obrázek 2-13: Cassegarinův typ dalekohledu, kde je zrcadlo opatřeno otvorem a sekundární zrcátko posílá obraz tímto otvorem za tubus. Tvar sekundárního zrcátka bývá hyperbolický, ale existují i jiné sestavy. 48 Obrázek 2-14: Snímek otevřené hvězdokupy M i l pořízený Hubbleovým kosmickým dalekohledem. Typické paprsky kolem hvězd jsou difrakční paprsky způsobené křížem, který nese sekundární zrcátko. 49 Obrázek 2-15: Dva příklady katadioptrickych fotografických objektivů, jeden konkrétní značky Tamron 500mm f/8 a druhy obvyklého výpočtového tvaru pro 500 mm. (Zdroj: Tamron inc.) 50 Obrázek 2-16: Katadioptrický objektiv Tamron 500 mm, f/8. 50 Obrázek 2-17: Závislost indexu lomu na vlnové délce pro některá optická skla. Šedý pás vyjadřuje oblast vlnových délek viditelného světla. Tato optická skla j sou nejčastěji používanými ve fotografické optice. (Autor Geek3 @ Wikimedia, CC BY-SA 3.0.) 52 Obrázek 2-18: Grafické znázornění lomu světla z opticky řidšího do opticky hustšího prostředí. 54 Obrázek 2-19: Lom světla z opticky řidšího do opticky hustšího prostředí zobrazeny laserem. Povšimněte si, že část energie je odražena podle zákona odrazu. Paprsek, který vstupuje do opticky hustšího prostředí, se láme ke kolmici. Paprsek, který pak z opticky hustšího prostředí vystupuje, se neláme, protože vystupuje pod úhlem 0 °. (Zátonyi Sándor (ifj.) Fizped @Wikimedia CC BY-SA 3.0) 54 Obrázek 2-20: Rozklad světla na spektrum pomocí hranolu. Demonstrace disperze světla na hranolu. (Autor D-Kuru @ Wikimedia CC BY-SA 3.0) 55 Obrázek 2-21: Lom světla na hranolu. 56 Obrázek 2-22: Lom světla na několika hranolech. 56 116 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Obrázek 2-23: Zobrazení spojnou čočkou. Paprsky přicházející rovnoběžně s optickou osou jsou soustředěny do ohniska. 57 Obrázek 2-24: Zanedbání tvaru a tloušťky čočky. 57 Obrázek 2-25: Zobrazení tenkou čočkou. 58 Obrázek 2-26: Zobrazení tenkou rozptylkou. 59 Obrázek 2-27: rozdělení čoček podle tvaru. (Autor Fred the Oyster @ Wikimedia CC BY-SA) 60 Obrázek 2-28: Zobrazení tlustou čočkou. Pro náš případ uvažujeme nl = n3 = 1. tedy čočka se nachází ve vzduchu. 61 Obrázek 2-29: Použitím rozptylky můžeme vysunout hlavní rovinu před objektiv a tím zkrátit konstrukční délku objektivu. 62 Obrázek 2-30: Hlavní rovina v případě skutečného širokoúhlého objektivu. Rovina je posunuta až do obrazové části, čímž umožňuje prodloužit konstrukční délku objektivu v tom smyslu, že paprsky j sou schopny dopadnout i na snímač fotoaparátu přesto, že ohnisková vzdálenost objektivu je mnohem menší, než šachta fotoaparátu, (autor: P atrick Horgan @ Wikimedia) 6 2 Obrázek 2-31: Příklad použití hranolu a zároveň využití úplného odrazu. Dvojce hranolů nejenže zajišťuje, že se obraz ze dvou širokých objektivů dostane po rovnoběžných drahách do obou očí položených poměrně blízko sebe. Ale především, zprostředkuje stranové a vrcholové převrácení obrazu tak, aby pozorovatel viděl v okuláru obraz vzpřímený a stranově nepřevrácený. 63 Obrázek 2-32: Některé typy hranolů. (Převzato z [4]) 64 Obrázek 2-33: Lom světla na planparalelní desce. Dochází k posunu ohniskové vzdálenosti, jinak je obraz nedeformován. 65 Obrázek 2-34: Abbeův diagram s vyznačenými cca 120 typy optických skel firmy Schott. Diagram zobrazuje závislost indexu lomu na disperzním čísle. V základu dělí skla do jednotlivých segmentů podle složení, kterým přiřazují míru barevné disperze a index lomu. 66 Obrázek 2-35: Achromatický dublet, vhodnou kombinací korunového a flintového skla můžeme dosáhnout snížení barevné vady a mírné snížení otvorové vady. Typicky se používá konvexní BK7 korunového skla v kombinaci s konkávním F2 flintovým sklem. Jejich spojení, obvykle tmelení k sobě a tvar zajišťuje aby se disperze vzájemně vyrušily alespoň ve dvou vlnových délkách (F a D Fraunhoferových čarách, tedy červené a zelené). Modrá stále ještě zůstává mimo ohnisko. 69 Obrázek 2-36: Apochormatický objektiv kde třetí člen je z fluoritového krystalu. Obvykle se objektivy obsahující skla nebo členy s velmi nízkou disperzí označují jako extra-low dispersion (ED) ve zkratce za názvem. Takovéto objektivy mají velmi dobře vykorigovánu barevnou vadu hned ve třech spektrálních čarách (přidává k achromatu korekci modré), což v případě viditelného světla přináší pro naprostou většinu aplikací neznatelnou barevnou vadu. 70 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Obrázek 2-37: Objektiv Canon EF 70-200mm f/4L U S M obsahuje jeden fluoritový člen a dva členy z UD skla. 71 Obrázek 2-38: Znázornění skutečných otvorů clonové řady. 73 Obrázek 3-1: Velikost rozptylového kroužku. Bod vzdálenější než ľ splývá, body vzdálenější než ľ se jeví jako samostatné. Z toho důvodu konstruujeme tzv. kružnici splynutí. 78 Obrázek 3-2: Rozložení světla ve skutečném paprskovém kuželu u systému s otvorovou vadou. T41 79 Obrázek 3-3: Příklad barevné vady polohy. Větvičky se jeví do fialova, což naznačuje sice achromatickou korekci, avšak degeneraci na modré vlnové délce. (Autor: Wilder Kaiser @ English Wikipedia, CC BY-SA 3.0) 80 Obrázek 3-4: Vliv otvorové vady na prohnutí spojné čočky [4], 81 Obrázek 3-5: Průběh otvorové vady spojky. Nalevo bez korekce, uprostřed jednoduchá korekce a vpravo korekce dvojnásobná. 82 Obrázek 3-6: Vlevo meridiální (neboli poledníkové či tangenciální) roviny a vpravo sagitální (neboli rovnoběžkové) roviny. 83 Obrázek 3-7: Astigmatismus. Paprsky v sagitálním řezu se protínají v bodě SI, paprsky v meridiálním řezu v botě TI 83 Obrázek 3-8: Dvě varianty historických anastigmatických objektivů. Doppel Anastigmat Serieš III neboli Dagor z roku 1904 který je symetrickým objektivem. Vedle něj pak novější (1920) nesymetrický anastigmat Taylor, Taylor & Hobson Cooke Amotal Anastigmat. (autor: Panther @ Wikimedia CC BY-SA 3.0) 84 Obrázek 3-9: Vznik komy jako vady šikmých paprskových svazků. 84 Obrázek 3-10: Vlevo soudkovité, uprostřed poduškovité a vpravo knírovité (kombinované) zkreslení. 85 Obrázek 2-1: Vlevo vyfotografováno na f/5,6 vpravo na f/22 74 Obrázek 2-2: Vliv difrakce na obraz. Horní obrázek vyfotografovaný při f/5,6, dolní při f/22. Ohyb světla na cloně objektivu způsobuje výrazné zhoršení kresby 74 Obrázek 2-3: Oblast zaostření. Tam kde je průměr rozptylového kroužku menší než rozlišovací schopnost, se jeví obrázek zaostřen. Rozsah na optické ose, ve které se obrázek jeví zaostřený, se nazývá hloubka ostrosti 75 Obrázek 2-4: Obrázek vlevo má velkou hloubku ostrosti (f/16), obrázek vpravo má malou hloubku ostrosti (f/2,8) 76 Obrázek 3-11: Zklenutí pole 86 Obrázek 4-1: Camera obscura v manuskriptu Principia Optices, 17. století 89 Obrázek 4-2: Camera obscura vytvořená na Slezské univerzitě v Opavě na oboru Multimediální techniky pomocí dírky o velikosti 1 cm2 v zatemňovací roletě 90 Obrázek 4-3: Achromatický dublet otočený rozptylkou směrem k předmětu, tzv. krajinářský objektiv. Vyznačoval se malou světelností a malým zorným polem (na obrázku názorně napravo) 91 Obrázek 4-4: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 91 Obrázek 4-5: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 92 Obrázek 4-6: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 93 Obrázek 4-7: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 93 118 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii Obrázek 4-8: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 94 Obrázek 4-9: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 95 Obrázek 4-10: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 96 Obrázek 4-11: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 96 Obrázek 4-12: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 97 Obrázek 4-13: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 98 Obrázek 4-14: Nikkor 13mm f/5.6 rektilineární objektiv. (Dan Lindsay @ Wikipedia CC BY 3.0) 98 Obrázek 4-15: Rektilineární zobrazení u Nikkor 13mm f/5.6. (Dan Lindsay @ Wikipedia CC B Y 3.0) 99 Obrázek 4-16: (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 100 Obrázek 4-17: První transfokátor typický tím, že existuje jediný spárovaný posuvný člen. Bylo jasné, že další design se musí ubírat rozdělením členu na části, které budou zodpovědné za transfokaci a člen, který bude schopný korigovat lépe optické vady. (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 101 Obrázek 4-18: Nový posun ve výpočtech na počítačích umožnil oddělení transfokačního a kompenzačního členu, které se pohybovali s ohledem na nastavené ohnisko závisle, ale rozdílně, (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 102 Obrázek 4-19: Hned tři pohybující se elementy byly prubířským kamenem tvorby širokoúhlých objektivů, (autor: Paull513 @ Wikipedia CC BY-SA 3.0) 102 Obrázek 4-20: Difraktivní optický člen v objektivech Canon. (Autor: Canon inc.) 104 Obrázek 5-1: Lokální zvýšení kontrastu způsobí nejen kontrastnější snímek, ale při oddálení snímek také ostřejší 107 Obrázek 5-2: Vlevo - vysoký kontrast a vysoká ostrost. Druhý zleva - vysoký kontrast, nízká ostrost. Třetí zleva - nízký kontrast, vysoká ostrost. Vpravo - nízká kontrast a nízká ostrost 107 Obrázek 5-3: Testovací obrazce pro rozlišení a zkreslení TE 100 108 Obrázek 5-4: MTF křivka pro objektiv Canon EF 50 mm, f/1,8 STM. Modré čáry jsou pro clonu f/8, černé čáry pro plnou díru f/1,8. Povšimněte si vodorovné osy, zde stojí za připomenutí, že jde o vzdálenost od středu, tedy že APS-C formát končí kousek za 15 mm a FF formát sahá až na konec grafu 110 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii SHRNUTÍ STUDIJNÍ OPORY Filmová a fotografická optika se ve svém obsahu značně prolíná. Pokud získáte dostatečný základ v oblasti optiky fotografické, je nasnadě se věnovat optice filmové, rozumět jí z uživatelského hlediska a umět vybrat správné parametry a znát důvod, proč a jak jsou ty které objektivy značeny, jak jsou ceněny a hodnoceny a jak poznat jejich kvality a slabiny. V přímé výuce se pak věnujeme také praktickým rozdílům mezi skly, objektivy a porovnáváme objektivy fotografické a filmové. Pochopení podstaty fungování optiky ve fotografii získá autor nejen nezbytný přehled, ale napomůže mu to ve výběru a práci právě v oblasti objektivů a řešení potíží souvisejících s optickou kvalitou. Z tohoto důvodu byl hlavně text napsán. Jeho podoba ale není konečná, bude ještě čase rozšířen a doplněn o některé další vhodné oblasti poznání fotografické optiky a dojdeme i do větší hloubky fyzikálního chápání světla ve filmu a fotografii. 120 Martin Petrásek - Světlo a optika ve filmu a fotografii PŘEHLED DOSTUPNÝCH IKON Čas potřebný ke studiu E Klíčová slova Průvodce studiem I Rychlý náhled Tutoriály K zapamatování Řešená úloha Kontrolní otázka \{7\ Odpovědi Samostatný úkol Pro (ír [Ď?] m zájemce Cíle kapitoly Nezapomeňte na odpočinek 1 Průvodce textem 2 I Shrnutí Definice Případová studie Věta Korespondenční úkol Otázky Další zdroje Úkol k zamyšlení Pozn. Tuto část dokumentu nedoporučujeme upravovat, aby byla zachována správná funkčnost vložených maker. Tento poslední oddíl může být zamknut v MS Word 2010 prostřednictvím menu Revize/Omezit úpravy. Takto je rovněž omezena možnost měnit například styly v dokumentu. Pro jejich úpravu nebo přidávání či odebírání je opět nutné omezení úprav zrušit. Zámek není chráněn hes­ lem. Název: Světlo a optika ve filmu a fotografii Autor: Martin Petrásek Vydavatel: Slezská univerzita v Opavě Filozoficko-přírodovědecká fakulta v Opavě Určeno: studentům SU FPF Opava Počet stran: 122 Tato publikace neprošla jazykovou úpravou.