Co to jest dyspersja światła?

Dyspersja światła – co warto o niej wiedzieć?

Od czasu odkrycia jej przez Isaaca Newtona w XVII wieku, aż po moment analizy specyfikacji współczesnych obiektywów, dyspersja światła rzutuje na twórczą codzienność filmowców i fotografów na wielu różnych płaszczyznach. 

Niniejszy wpis poświęcę jej szczególnemu powiązaniu z optyką, aczkolwiek chcę podkreślić, że zjawisko dyspersji jest ogólnofalowe: to znaczy, że w szerszym ujęciu występuje ono dla wszystkich rodzajów fal – zarówno tych dźwiękowych, mechanicznych (np. na wodzie), jak i fal radiowych.

Dyspersja jest przeto zjawiskiem fizycznym determinującym rozszczepienie się fali o zróżnicowanej proweniencji, która w zależności od konkretnego ośrodka ulega wielorakiemu załamaniu.

W kontekście medium filmu i fotografii dyspersja światła jest oczywiście szczególnie istotna z powodu swojego wpływu na jakość optyczną soczewek.

Wspomniany już Isaac Newton udowodnił, że widmo światła białego rozpada się na kolorowe składowe, które przechodząc przez dany ośrodek z różną prędkością, załamują się w nim także pod innym kątem.

Najbardziej klasycznym przykładem tego fenomenu jest eksperyment, który zapewne pamiętasz z lekcji fizyki: rozszczepienie widma przez szklany pryzmat doprowadzający do powstania wielobarwnej tęczy – zjawiska optycznego, które choć przepiękne w swej istocie, niekoniecznie jest czymś pożądanym w światłoczułym obrazie.

Należy podkreślić, że wszystkie soczewki będące częścią układu optycznego współczesnych obiektywów wykazują właściwości dyspersyjne i jest to ich niekwestionowana cecha – choć oczywiście obiektywy z półki profesjonalnej starają się efektywnie walczyć z tą tendencją. 

W „świecie idealnym" każda z soczewek powinna skupiać ogół promieni białego światła w jednym punkcie – czyli posiadać dokładnie taki sam współczynnik załamania dla każdej z barw widma – jednak na ten moment rynek optyczny nie dysponuje jeszcze taką inżynierią.

W kontekście dyfrakcji światła warto też pamiętać o tym, w jakim stopniu załamują się poszczególne składowe widma, które bezpośrednio doprowadzają do pojawienia się w obrazie barwnych artefaktów:

• fale krótkie – fioletowe i niebieskie – z zakresu od 380 do 500 nm załamują się bardziej,
• fale długie – czerwone – z zakresu od około 620 do 780 nm załamują się mniej.

Krótko o aberracji chromatycznej

Skutkiem niejednorodnego rozszczepienia się widma światła widzialnego jest aberracja chromatyczna, która w filmowo-fotograficznym obrazie manifestuje się pod postacią kolorowych obwódek najczęściej widocznych w sytuacji wysokiego kontrastu w kadrze, a także jako subtelna utrata wyrazistości w miejscu wystąpienia chromatycznego artefaktu.

Powstały w wyniku zjawiska dyspersji efekt aberracji chromatycznej dzieli się na dwa rodzaje:

• aberracja poprzeczna (boczna) – występuje poprzecznie do osi optycznej obiektywu; pojawia się w momencie, gdy fale nie ogniskują w tym samym punkcie w płaszczyźnie ogniskowania soczewki, co prowadzi do „pokolorowania" krawędzi przedmiotów znajdujących się w bocznej części kadru. 
  
  
• aberracja podłużna (osiowa) – występuje wzdłuż osi optycznej obiektywu; jest to sytuacja, w której soczewka ogniskuje barwy w różnej odległości od matrycy; fale krótkie (niebieskie) załamują się bliżej soczewki, natomiast fale długie (czerwone) skupiają się dalej; w kadrze widać charakterystyczną kolorową poświatę dookoła elementów poza ostrością (bokeh).

Aberracja chromatyczna – tabela porównawcza

Warto jednak nadmienić, że obiektywy zwierciadlane – których wewnętrzna konstrukcja optyczna uwzględnia kluczową obecność lustra – są w przeważającej mierze wolne od aberracji chromatycznej, ponieważ w trakcie fotografowania tego rodzaju obiektywem światło odbija się od powierzchni lustra, a nie załamuje w danym ośrodku, tak jak w przypadku tradycyjnego układu soczewek w obiektywie.

Uzależniające niedoskonałości obrazu. Recenzja obiektywu TTArtisan 250 mm f/5.6 Reflex

Jak radzić sobie z dyspersją światła w praktyce?

Choć samo zjawisko dyspersji oraz towarzyszące mu efekty uboczne można wykorzystać w sposób kreatywny na poczet medium filmu i fotografii – do czego serdecznie Cię zachęcam – to są oczywiście sytuacje, w których aberracja chromatyczna może nastręczać problemów; poniżej znajdziesz kilka najważniejszych aspektów, które skutecznie pozwolą Ci zredukować wpływ tęczowego widma na swoje filmy i fotografie:

• wybór obiektywu z soczewkami niskodyspersyjnymi – dla współczesnych konstrukcji optycznych obecność elementu niskodyspersyjnego jest już standardem wyznaczającym ich wysoką jakość; decydując się na zakup obiektywu koniecznie zapoznaj się z indywidualnymi oznaczeniami producentów: poszukuj symboli takich jak ED (Extra Low Dispersion), LD (Low Dispersion), XLD (Extra Low Dispersion), UD (Ultra-low Dispersion), SLD (Special Low Dispersion) oraz APO (Apochromatic),
  
  
  Redukcja aberracji chromatycznej dzięki soczewce niskodyspersyjnej
• rezygnacja z tanich filtrów ochronnych/ UV – musisz pamiętać, że każda dodatkowa warstwa szkła, to potencjalne ryzyko załamania się widma w nowych ośrodkach; obiektyw zawsze warto chronić, dlatego w tej sytuacji należy rozważyć zakup wysokiej jakości filtrów (nie w myśl zasady „żeby było cokolwiek"),
  
  
• dobra znajomość własnego obiektywu – przetestuj swój obiektyw pod kątem jego dyspersyjnych właściwości w odniesieniu do wartości przysłony; przymykając ją odcinasz skrajne promienie światła przechodzące przez najbardziej zakrzywione części soczewek, gdzie dyspersja jest największa,
  
  
• unikanie ekstremalnego kontrastu oświetleniowego – w sytuacji, gdy ciemne elementy kadru sąsiadują z tymi bardzo jasnymi – klasycznym przykładem jest tutaj drzewo na tle nieba – aberracja pojawi się niemal zawsze; spróbuj wówczas zmienić kąt widzenia lub użyj filtrów szarych (by tło było ciemniejsze), tak aby móc pracować na nieco domkniętej przysłonie przy zachowaniu tego samego czasu naświetlania,
  
  
• ustawienie właściwej kompozycji – jeśli przykładowo wiesz, że nasz obiektyw ma tendencję do aberracji poprzecznej, czyli do tworzenia kolorowych obwódek na brzegach kadru, to warto umieszczać główny motyw zdjęcia w centrum kadru i ewentualnie wykadrować ujęcie już w samej postprodukcji,
  
  
• wsparcie cyfrowe – tutaj oczywiście chodzi o fazę postprodukcji i możliwości współczesnych programów do obróbki; warto przetestować różne narzędzia oferowane przez dane oprogramowanie, aby mieć świadomość tego, jak mocno można pozwolić sobie na eksperymentowanie z aberracją chromatyczną. 

Na sam koniec warto dodać, że zjawisko dyspersji nie jest tylko „problemem” filmowca i fotografa, ponieważ ma ono kluczowe znaczenie dla wielu innych dziedzin:

• Telekomunikacja – dyspersja w światłowodach ogranicza prędkość przesyłania danych na duże odległości, wymuszając stosowanie zaawansowanych wzmacniaczy i technologii korygujących.
  
  
• Astronomia – dzięki dyspersji w spektroskopach astronomowie potrafią zbadać skład chemiczny gwiazd oddalonych o miliony lat świetlnych, analizując ich widmo.
  
  
• Medycyna – zaawansowana diagnostyka obrazowa, w tym niektóre techniki laserowe i mikroskopowe, opiera się na precyzyjnym rozszczepieniu fali świetlnej.
  
  
• Przemysł jubilerski – to właśnie wysoka dyspersja diamentu (tzw. „ogień”) decyduje o jego blasku i wartości rynkowej.

Jak widać – albo i nie – światło kryje w sobie o wiele więcej, niż mogłoby się wydawać, a każda kolorowa obwódka na krawędzi kadru to tylko przypomnienie o złożoności widma fal elektromagnetycznych, które inżynierowie próbują okiełznać.

I choć bywa ona technologicznym wyzwaniem, to właśnie dyspersja światła sprawia, że nasz wizualny świat nie jest po prostu... bezbarwny.

Ciekawią Cię zjawiska optyczne dotyczące medium filmu i fotografii? Zatem koniecznie przeczytaj inne wpisy na blogu FotoPlus:

Co to jest bokeh?

Halacja w filmie i fotografii – czym dokładnie jest?

Co to jest dyfrakcja?

Grafika w banerze: Eugene Golovesov