Jakie zjawiska i wady optyczne kształtują Twoje kadry?

Podstawowe zjawiska kształtujące obrazy

Zastanawiasz się czasem, dlaczego jedno zdjęcie zachwyca idealną ostrością, a inne wydaje się dziwnie zamglone lub ma nienaturalnie ciemne krawędzie?

Odpowiedź nie zawsze kryje się w talencie fotografa czy też w wartości sprzętu – za każdym udanym kadrem stoi tak naprawdę czysta fizyka, a także tor przeszkód złożony z metalu i szkła, które światło musi umiejętnie pokonać wpadając do wnętrza Twojego obiektywu.

Refrakcja

Od tego zjawiska zaczyna się w zasadzie cała „magia" zapisu światłoczułego, ponieważ umożliwia ono rzutowanie obrazu świata zewnętrznego na płaskie podłoże fotoczułej powierzchni. 

W ujęciu fizycznym refrakcja jest procesem, w którym na skutek zmiany przezroczystego ośrodka dochodzi do załamania się fali elektromagnetycznej, a w konsekwencji do zmian jej prędkości oraz kierunku rozchodzenia się.

Formacja soczewek znajdująca się wewnątrz każdego obiektywu zarządza zjawiskiem refrakcji w dwojaki sposób – skupiając lub rozpraszając światło – co bezpośrednio prowadzi do powstania obrazu rzeczywistego odwzorowanego na danym przetworniku.

Dyspersja

W przypadku tego zjawiska dochodzi do rozszczepienia spektrum światła widzialnego, które napotykając ośrodki o różnej gęstości – np. szkło lub wodę – dzieli się na poszczególne kolorowe fale widma osiągające różną prędkość oraz kąt załamania. 

W zależności od długości konkretnej fali, zmienia się również współczynnik jej załamania; światło niebieskie (fale krótkie) – z zakresu od 380 do 500 nm – załamuje się bardziej, natomiast światło czerwone (fale długie) – z przedziału od około 620 do 780 nm  – załamuje się mniej. 

Więcej o zjawisku dyspersji przeczytasz tutaj:

Co to jest dyspersja światła?

Zniekształcenia optyczne

W tej części znajdziesz krótki opis najważniejszych artefaktów układu optycznego, który ma ścisły związek z jego konfiguracją oraz specyfiką tworzących go elementów.

Aberracja chromatyczna (Chromatyzm)

Jest to wada optyczna będąca następstwem zjawiska dyspersji światła – najłatwiej zaobserwować ją na krawędziach fotografowanych przedmiotów, wokół których tworzą się charakterystyczne barwne obwódki.

Efekt ten jest konsekwencją ogniskowania kolorowych składowych widma w różnych punktach – tzw. ogniskach – co bezpośrednio prowadzi też do spadku ostrości filmu lub fotografii. 

Warto dodać, że kolorowe obwódki mogą „rozjeżdżać się" na obrazie w dwojaki sposób – wzdłuż osi optycznej obiektywu (podłużnie) oraz poprzecznie do niej, a przez to pojawiać się częściej w centrum lub w bocznej części kadru.

Jakie są najskuteczniejsze metody ograniczające aberrację chromatyczną?

• W tej kwestii inżynierowie skupiają się przede wszystkim na implementacji soczewek niskodyspersyjnych w układach optycznych obiektywów, a także na wykorzystaniu możliwości dubletów achromatycznych z różnym współczynnikiem załamania światła. 
  
  
• Tobie polecam przede wszystkim przymknięcie przysłony – pomaga to światłu przejść przez centralną część układu optycznego obiektywu, gdzie nie ma szansy załamać się pod bardzo ostrym kątem – a także unikać fotografowania pod mocne światło.

Więcej o chromatyzmie przeczytasz tutaj:

Co to jest aberracja chromatyczna?

Aberracja sferyczna

Ten rodzaj optycznego artefaktu ma związek z geometrią soczewki, której kształt w najbardziej klasycznym wydaniu przypomina wycinek kuli (sfery) z grubszym środkiem oraz cieńszym brzegiem. 

W momencie, w którym światło przechodzi przez układ optyczny obiektywu, część z jego promieni załamuje się mocniej niż pozostałe, a zróżnicowane ukształtowanie soczewek powoduje, że promienie przenikające przez ich środek załamują się delikatniej, natomiast te trafiające na peryferia – zdecydowanie bardziej.

Całość spektrum przechodzącego przez układ optyczny nie skupia się zatem w pojedynczym ognisku, co w konsekwencji pozbawia obraz wyraźnego kontrastu i ostrości, a wokół jego jasnych partii może tworzyć się charakterystyczna „mgiełka"  (tzw. efekt halo). 

Jakie są najskuteczniejsze metody ograniczające aberrację sferyczną?

• Producenci wykorzystują do produkcji obiektywów zaawansowane soczewki asferyczne, które charakteryzują się skorygowanym kształtem powierzchni – innymi słowy mają zmienny promień krzywizny, który wymaga kosmicznej precyzji.
  
  
• Warto zaznaczyć, że aberracji sferycznej nie da się efektywnie usunąć w postprodukcji – można oczywiście próbować sztucznie podbić kontrast i wyrazistość kadru, jednak nie da się po prostu „nadpisać danych"; coś, co fizycznie zostało pozbawione detali w procesie zapisu, już takie niestety zostanie. 
  
  
• Dobrym rozwiązaniem jest przymknięcie przysłony w taki sposób, aby obiektyw osiągnął swój tzw. sweet spot – czyli wartość f/ obniżoną o 2-3 stopnie EV względem jego maksymalnej jasności – który gwarantuje osiągnięcie satysfakcjonującej ostrości obrazu. 

Dystorsja

Jest to wada optyczna obiektywu, która prowadzi do zróżnicowanego powiększenia obrazu, a w konsekwencji do odkształcenia się jego linii prostych.

Dystorsja wpływa na ogólną geometrię kadru oraz dosłownie zakrzywia fotografowaną rzeczywistość: im dalej od środka kadru – czyli od osi optycznej obiektywu – tym efekt zakrzywienia obrazu się potęguje. 

Wyróżniamy trzy rodzaje dystorsji:

• beczkowata – linie proste są wygięte na zewnątrz, a środek kadru wydaje się być „wypchnięty" do przodu; jest charakterystyczna dla obiektywów szerokokątnych,
  
  
• poduszkowata – w tym przypadku linie proste są wklęśnięte, zapadnięte do środka; jest charakterystyczna dla teleobiektywów,
  
  
• hybrydowa, często nazywaną też falistą lub wąsowatą – stanowi połączenie obu poprzednich; linie proste w obrazie zniekształcają się na kształt fali: w centrum kadru wyginają się jak w beczce, ale bliżej krawędzi zaczynają krzywić się w stronę przeciwną; jest charakterystyczna dla obiektywów typu zoom, zwłaszcza tych starszej daty.

W jaki sposób ograniczyć dystorsję obrazu?

• Wskazane jest unikać fotografowania lub filmowania skrajnymi wartościami ogniskowych.
  
  
• Większość aparatów już w momencie zapisywania obrazów nakłada na nie cyfrową korektę dystorsji.
  
  
• Na etapie postprodukcji można użyć wgranych profili obiektywów, które dokonują automatycznej korekty perspektywy.

Warto nadmienić, że nie należy mylić efektu dystorsji z przerysowaniem perspektywicznym, które zarządza proporcją oraz wielkością danego obiektu na zdjęciu w zależności od tego, z jakiej odległości go fotografujemy (filmujemy); nie jest to zatem wada szkła, a czyste prawo fizyki. 

Światło kontra elementy wewnętrzne obiektywu

W tej kategorii umieściłam opisy zjawisk, które są następstwem interakcji z wewnętrznymi komponentami obiektywu np. na skutek odbicia lub ugięcia się fali w układzie optycznym.

Dyfrakcja

Dyfrakcja to moment, w którym światło przestaje poruszać się po linii prostej, gdy wskutek napotkania na swojej drodze przeszkody dochodzi do jego ugięcia – fale mają wówczas tendencje do nakładania się na siebie (interferencji), co doprowadza do powstania obrazu dyfrakcyjnego o zróżnicowanej jakości wizualnej.

To zjawisko w kontekście filmu i fotografii najczęściej ma związek z ugięciem się fali na krawędzi przysłony obiektywu – gdy jej otwór jest bardzo mały, światło zaczyna „rozlewać się” wokół jej listków, a później nakładać na siebie na matrycy, co w efekcie doprowadza do zmiękczenia obrazu oraz utraty jego detali. 

W jaki sposób ograniczyć dyfrakcję obrazu?

• Przede wszystkim unikaj ekstremalnie małych wartości przysłony – takich jak f/16 czy f/22 – szczególnie wtedy, gdy pracujesz z przetwornikiem o małych wymiarach.
  
  
• Przetestuj swój obiektyw i znajdź wspomniany już wcześniej sweet spot – czyli taki zakres wartości przysłon, w którym zachowana jest najwyższa jakość zdolności rozdzielczej obiektywu.

Więcej o zjawisku dyfrakcji światła przeczytasz tu:

Co to jest dyfrakcja?

Winietowanie

Jest to wada układu optycznego, w wyniku której peryferyjne części kadru są połowicznie niedoświetlone względem jego części centralnej. 

Winietowanie może być np. spowodowane fizycznym ograniczeniem dopływu światła przez osłonę obiektywu lub źle założony filtr – mówimy wówczas o winietowaniu mechanicznym.

Jednak najczęstszą przyczyną winietowania jest okoliczność naturalnego spadku ilości światła docierającego do brzegów kadru, wywołanego kątem padania promieni oraz budową soczewek przy pracy na małych wartościach przysłony.

Jak ograniczyć występowanie winiety?

• Koniecznie dopasuj obiektyw do wielkości danej matrycy; upewnij się, że nie używasz obiektywu przeznaczonego do mniejszych matryc na korpusie z pełną klatką (Full Frame) – pole obrazowania obiektywu APS-C nie jest kompatybilne z pełnoklatkowym formatem, co w konsekwencji spowoduje powstanie czarnego obramowania.
  
  
• Domknij przysłonę – to najprostsza metoda na winietowanie optyczne; zamiast pracować na maksymalnie otwartej przysłonie, zmniejsz jej wartość o 2-3 stopnie EV; w ten sposób odetniesz promienie światła wpadające pod najbardziej skrajnymi kątami.

Duszki, flary i bliki

Współczesny obiektyw potrafi składać się z kilkunastu soczewek; kiedy silne źródło
światła – np. słońce lub lampa uliczna – wpada do jego wnętrza pod danym kątem, część promieni zamiast paść prosto na matrycę, odbija się od powierzchni poszczególnych soczewek.

To właśnie wtedy powstają flary, duszki oraz bliki – czyli charakterystyczne wielokątne lub okrągłe plamy odzwierciedlające kształt przysłony.

Jak walczyć z tego rodzaju artefaktami?

• W procesie inżynieryjnym soczewki pokrywa się specjalnymi powłokami antyrefleksyjnymi, które skutecznie redukują odbicia światła.
  
  
• Warto założyć na obiektyw odpowiednią osłonę przeciwsłoneczną (tzw. tulipan), aby zapobiegać generowaniu się flar.
  
  
• Nie polecam korzystać z tanich filtrów, które nakręcone na obiektyw niepotrzebnie zwiększają potencjalną ilość powierzchni odbijających światło.

Sprawdź inne teksty na blogu FotoPlus:

Halacja w filmie i fotografii – czym dokładnie jest?

Co to jest bokeh?

Jak standard C2PA chroni Twoje cyfrowe treści?

Grafika w banerze: Nadezhda Moryak