Co to jest aberracja sferyczna?

Okoliczności powstawania aberracji sferycznej

Każda fala świetlna, nim dotrze na matrycę Twojego aparatu lub kamery, odbywa trudną i często „wyboistą drogę", której skutki w postaci zniekształceń optycznych możesz zaobserwować na światłoczułych obrazach.

Dla jednych będą one wizualnymi artefaktami, dla drugich walorem artystycznym, a dla pozostałych po prostu cechą przynależną danego układu optycznego – nawet tego najbardziej dopracowanego – stworzonego m.in. z elementów o różnym nasileniu zniekształceń sferycznych. 

Czym dokładnie jest aberracja sferyczna?

W momencie transferu światła przez obiektyw, jego poszczególne wiązki w rozmaity sposób załamują się lub rozpraszają na powierzchniach soczewek tworzących konstrukcję optyczną danego szkła.

Jeśli światło pada równolegle na klasyczną sferę – czyli element o kulistej powierzchni – to wiązki oddalone od osi optycznej obiektywu ulegają większemu załamaniu, natomiast promienie figurujące bliżej osi mają dużo mniejszy kąt zmiany kierunku rozchodzenia się; tę sytuację dobrze ilustruje poniższa grafika:

Niejednolity transfer światła doprowadza do powstania wielu ognisk optycznych, a więc do wzajemnego przecięcia się promieni w różnych punktach osi obiektywu, czego efektem jest nieostry oraz pozbawiony kontrastu obraz z wyraźnie halującymi elementami swoich najjaśniejszych partii.

Warto nadmienić, że zróżnicowane długości ogniskowania promieni to powszechny problem, z którym konstruktorzy obiektywów mierzą się praktycznie od początku wynalezienia medium fotografii, a „krystalicznie czysty obraz" nawet współcześnie jest Świętym Graalem poszukiwanym przez inżynierów.

Co wpływa na powstanie aberracji sferycznej?

Pomijając fizyczne predyspozycje oraz zachowanie światła padającego na powierzchnię sferyczną, to zarówno sama grubość soczewki, jak i rodzaj materiału z jakiego została ona wykonana, mają bezpośredni wpływ na intensywność zniekształceń aberracyjnych:

• fizyczna grubość elementu – co do zasady, im grubsza jest soczewka sferyczna, tym mocniej na jej peryferiach załamują się wiązki światła, a różnica w transferze światła pomiędzy jej centralną częścią oraz brzegami się pogłębia; innymi słowy grubość soczewki zmienia drogę, jaką światło pokonuje w jej wnętrzu, co bezpośrednio wpływa na kąt załamania (lub rozproszenia) się wiązki „na wyjściu",
  
  
• rodzaj tworzywa – w tym kontekście najważniejszy jest współczynnik załamania światła (indeks), który im jest wyższy, tym bardziej przyczynia się do ograniczenia wystąpienia aberracji; soczewki z wysokim indeksem są też zdecydowanie cieńsze oraz mają mniejszą krzywiznę powierzchni.

Jak ograniczyć aberrację sferyczną?

Prawda jest taka, że nawet najdroższy obiektyw może wykazywać tendencję do ogniskowania w różnych punktach swojej osi, jednak finalnie znaczenie ma to, na ile jest on w stanie kontrolować ten niepożądany efekt.

Aberrację sferyczną najskuteczniej ograniczają konstrukcje optyczne bazujące na soczewkach asferycznych, których krzywizna powierzchni nie jest stricte wycinkiem sfery, a zamiast tego ulega stopniowemu ścienieniu od środka aż po krawędź soczewki.

Do stworzenia wysokogatunkowych soczewek asferycznych używa się szkła najlepszej jakości poddanego precyzyjnej obróbce mechanicznej, a całość produkcji nadzoruje nieodzowna praca komputera, który zarządza procesem szlifowania.

Brak jednolitej krzywizny w przypadku elementów asferycznych oznacza dużo mniejsze zniekształcenia odzwierciedlonych przez nie obrazów, choć ich produkcja jest bardzo skomplikowana, a przez to zdecydowanie bardziej kosztowna – co w prosty sposób tłumaczy wysokie ceny obiektywów radzących sobie z efektywną redukcją tej konkretnej wady.

Zachęcam Cię do obejrzenia krótkiego filmu zrealizowanego przez markę Canon, w którym wyjaśniono, a także atrakcyjnie zwizualizowano zasadę działania soczewek asferycznych:

Niektórzy producenci optyki (np. Sony) w celu redukcji aberracji sferycznej bazują też na systemie pływających soczewek (Floating F), który w trakcie ostrzenia bardzo szybko zarządza dystansem pomiędzy niezależnymi grupami soczewek i na bieżąco koryguje potencjalne zniekształcenia – od nieskończoności aż po bliskie kadry. 

Praktyczne metody redukcji aberracji sferycznej

Aby zapewnić swoim obrazom zadowalającą ostrość i kontrast, warto również pamiętać o kilku ważnych aspektach w trakcie ich rejestrowania:

• odległość względem zapisywanego obiektu – określony dystans determinuje kąt padania światła: gdy fotografujesz znacznie oddalone motywy (np. krajobraz), to promienie wpadają do obiektywu równolegle względem jego osi optycznej i mają szansę spotkać się w pojedynczym ognisku; sytuacja zmienia się w momencie, gdy fotografujesz z bliska – wówczas kąt padania światła się zwiększa, a Twoje obrazy są bardziej narażone na nieostrości i utratę kontrastu; najważniejsze, to znaleźć balans,
  
  
• wartość parametru przysłony – jej wartość jest bardzo istotna, ponieważ może skutecznie odciąć dostęp promieniom światła padającym na peryferyjne części soczewek, a przez to zapobiec niepożądanej aberracji; w trakcie pracy ustaw tzw. hot spot obiektywu, czyli wartość f/ obniżoną o 2-3 stopnie EV względem jego jasności natywnej,
  
  
• aberracji sferycznej nie da się usunąć w postprodukcji – można co prawda spróbować podciągnąć wyrazistość i kontrast w różnych programach, jednak uzyskane efekty mogą nie być wystarczająco satysfakcjonujące. 

Jak wybrać obiektyw bez aberracji?

Nie stworzono jeszcze takiej konstrukcji, która w pełni redukowałaby wszystkie z możliwych zniekształceń, choć oczywiście inżynierzy nieustannie zaskakują rynek różnymi innowacjami z zakresu technologii optycznej.

Nie mniej jednak, tak jak pisałam już na samym początku, aberracja nie zawsze musi stanowić problem, jeśli potraktujemy ją docelowo jako właściwość obiektywu, a których i tak współczesne wersje – i nie mówię tu wcale o produktach z górnej półki  – naprawdę skutecznie ją ograniczają. 

Przed każdym zakupem nowego szkła na pewno warto zapoznać się z jego specyfikacją optyczną, przeczytać szczegółowe opisy budujących go komponentów, zaznajomić się z recenzjami oraz testami – a jeśli zależy Ci na możliwie „najczystszym" obrazie, bogatym w wyraziste detale oraz wzorowy kontrast, to musisz liczyć się także z tym, że na takiej jakości nie da się (niestety) zaoszczędzić. 

Zachęcam Cię także do skorzystania z pomocy specjalistów FotoPlus – stacjonarnie oraz za pośrednictwem Infolinii – którzy na pewno pomogą Ci dobrać odpowiedni obiektyw spełniający wszystkie Twoje wymagania.   

Sprawdź inne teksty na blogu:

Co to jest dyfrakcja?

Co to jest aberracja chromatyczna?

Flickering obrazu – czym jest i jak mu zapobiegać?


Grafika w banerze: cottonbro studio