Cztery układy z lat 1840–1930 wystarczą, żeby wyjaśnić charakter większości obiektywów, jakie kiedykolwiek trzymałeś. Każdy z nich odpuścił coś innego — i z tego odpuszczenia zrobił podpis.
Po Rozdziale 15 można by sądzić, że konstrukcji optycznych jest tyle, ile projektów. Nie jest — i powód jest ten sam, dla którego wad Seidela jest dokładnie pięć. Liczba niezależnych ruchów, jakie może wykonać konstruktor, jest skończona, więc sensownych układów jest kilkanaście, nie tysiące.
Cztery poniższe wystarczają, bo każdy z nich zajmuje inny róg tej przestrzeni. Nie są to najlepsze konstrukcje w historii — są to cztery różne odpowiedzi na pytanie, z czego zrezygnować, i wszystko, co powstało później, jest ich wariantem albo hybrydą.
Zwróć uwagę na wiersz „granice”. To ta sama liczba, którą w Rozdziale 16 nazwaliśmy jedyną decydującą o kontraście — i to ona, a nie liczba elementów, rozstrzygnie spór z ostatniej sekcji tego rozdziału.
Warto też zauważyć, jak niewiele te układy mają elementów. Cztery, cztery, siedem i sześć — przy dzisiejszym zoomie liczącym dwadzieścia. Nie wynika to z ubóstwa epoki, tylko z tego, że każdy dodatkowy element bez powłok kosztował wtedy cztery procent światła i podniesioną czerń. Konstruktor sprzed wojny liczył elementy tak, jak dziś liczy się gramy w obiektywie do drona — jako zasób, którego ma bardzo mało.
Dlatego te cztery układy są w pewnym sensie uczciwsze od współczesnych: nie mają w sobie nadmiaru, w którym można ukryć błąd projektowy. Każdy element pracuje na konkretną wadę i widać, na którą. To jest zresztą powód, dla którego uczy się na nich optyki — nowoczesny zoom jest lepszy pod każdym względem i nie da się z niego niczego wyczytać.
Petzval, 1840. Joseph Petzval policzył go w Wiedniu jako pierwszy układ zaprojektowany rachunkiem, a nie dobierany po omacku. Cel był jeden: zrobić portret w rozsądnym czasie. Ówczesne obiektywy krajobrazowe miały około f/11; Petzval osiągnął f/3,6, czyli dziewięciokrotnie więcej światła. Czas naświetlania spadł z minut do kilkudziesięciu sekund i dopiero wtedy fotografowanie ludzi stało się wykonalne.
Zapłacił za to polem. Układ jest ostry w środku i gwałtownie miękknie ku brzegom, bo jego powierzchnia ostrości jest mocno zakrzywiona — dokładnie ta wada, którą opisuje Rozdział 12. W połączeniu z obcięciem mechanicznym daje to wir, czyli najbardziej rozpoznawalny podpis w całej optyce. Petzval uważał go za wadę; dziś sprzedaje się obiektywy, których jedyną zaletą jest jego posiadanie.
Tessar, 1902. Paul Rudolph w Zeissie poszedł w przeciwną stronę: cztery elementy, trzy grupy, umiarkowana jasność i ostrość, jakiej dotąd nie było. Tessar nie próbuje być jasny — pierwsze wersje miały f/6,3 — za to jest ostry na całym polu i tani w produkcji. Do dziś jest przodkiem wszystkiego, co ma być dobre i proste naraz.
Warto zauważyć, że różnica jasności między nimi to nie kaprys, tylko konsekwencja. Petzval ma szeroki stożek promieni, więc jego brzegowe promienie biegną daleko od osi — a tam korekcja pracuje najgorzej, o czym cała Część III. Tessar, rezygnując z jasności, w ogóle nie wpuszcza tych promieni do układu. Nie koryguje ich lepiej — koryguje ich mniej, bo ich nie ma.
To jest chwyt, który wraca w całej historii optyki i warto go nazwać wprost: najtańszym sposobem na usunięcie wady jest niewpuszczenie światła, które ją wywołuje. Dlatego każdy obiektyw jest lepszy po przymknięciu, dlatego tanie zoomy mają f/5,6 na długim końcu, i dlatego porównywanie ostrości obiektywów o różnej jasności przy pełnym otworze nie mówi nic o jakości ich projektu.
Te dwa układy wyznaczają oś, na której leży cała reszta rozdziału: jasność kosztuje pole, a płaskie pole kosztuje jasność. Dwie kolejne konstrukcje są próbami złamania tego wyboru.
Double Gauss jest starszy, choć wygrał później. Paul Rudolph opatentował go jako Planar w 1896 roku: sześć elementów ułożonych symetrycznie wokół przysłony. Symetria kasuje za darmo dystorsję, komę i chromatyczną poprzeczną, o czym w Rozdziale 15 — więc konstruktor dostaje trzy wady mniej, zanim jeszcze zacznie liczyć.
Miał jednak wadę, która w 1896 roku przesądzała: osiem granic ze szkła na powietrze. Każda z nich odbijała wtedy pełne cztery procent, bo powłok nie było. Kontrast wychodził niski, czernie podniesione, a przy świetle w kadrze obraz się rozmywał. Planar był doceniany i mało używany.
Sonnar, 1929. Ludwig Bertele rozwiązał to inaczej, i rozwiązanie jest zaskakujące: dołożył szkła, żeby zmniejszyć liczbę granic. Sonnar ma siedem elementów, ale tylko trzy grupy — bo są sklejone w grube bloki. Siedem elementów, sześć granic z powietrzem. Dla porównania Planar: sześć elementów, osiem granic.
Sonnar 6 granic: 0,957⁶ = 77% transmisji
Planar 8 granic: 0,957⁸ = 70% transmisji
światło zabłąkane Sonnar 23%, Planar 30%
Siedem punktów procentowych różnicy w transmisji brzmi skromnie. Ale to nie transmisja rozstrzygała — rozstrzygało zabłąkane światło, którego Planar miał o jedną trzecią więcej, rozsianego po całym kadrze jako podniesiona czerń. Przy jednakowej jasności nominalnej Sonnar dawał obraz wyraźnie „czystszy”, i to jest cała przyczyna jego ówczesnej przewagi.
Potem przyszły powłoki i odwróciły wynik. Przy odbiciu 0,2% zamiast 4,3% osiem granic przestało być obciążeniem — a symetria Double Gaussa, która przez czterdzieści lat była zaletą teoretyczną, stała się przewagą praktyczną. Dlatego prawie każda dzisiejsza pięćdziesiątka jest wariantem Planara, a Sonnar przetrwał głównie tam, gdzie liczy się rozmiar i gdzie odcinek tylny może być krótki.
Warto zatrzymać się na tym, co się tu właściwie stało, bo jest to jeden z niewielu przypadków w tej książce, gdzie o wyniku sporu konstrukcyjnego zdecydowała technologia leżąca poza optyką. Ani Bertele, ani Rudolph niczego nie zmienili. Zmieniła się jedna liczba w rachunku Fresnela — i układ przegrany przez czterdzieści lat stał się standardem na następne osiemdziesiąt.
Przekroje i liczby dla kilkunastu układów, nie tylko tych czterech — Dodatek I.
Rodowód obiektywu widać w obrazie, o ile wiadomo, czego szukać. Każdy z czterech układów zostawia inny zestaw śladów — i wszystkie są konsekwencjami tego, z czego zrezygnował.
| Układ | Podpis w obrazie | Skąd się bierze | Gdzie go dziś spotkasz |
|---|---|---|---|
| Petzval | wir w tle, miękkie brzegi | zakrzywione pole | obiektywy „artystyczne”, vintage |
| Tessar | ostry środek, płaskie bokeh | mało elementów, brak nadmiaru | obiektywy zestawowe, kompakty |
| Sonnar | wysoki kontrast, ciepły rysunek | mało granic, dużo szkła | dalmierze, portretowe tele |
| Double Gauss | równe pole, podatność na flarę | symetria, osiem granic | praktycznie każda pięćdziesiątka |
Kolumna trzecia jest tą, którą warto zapamiętać: podpis nie jest cechą marki, tylko konsekwencją układu.
Dla artysty CG wynika stąd jedna rzecz praktyczna i jedna pojęciowa. Praktyczna: rozpoznanie rodziny zawęża zestaw wad, które trzeba odtworzyć. Jeśli w plate'cie widać wir, wiesz, że masz do czynienia z zakrzywionym polem i obcięciem mechanicznym naraz, a nie z jednym rozmyciem promienistym — i wiesz, że oba znikną po przymknięciu.
Pojęciowa jest ważniejsza. Wszystkie cztery układy powstały jako kompromisy techniczne, a funkcjonują dziś jako charaktery. Nikt nie projektował wiru; wir jest tym, co zostało, gdy Petzval kupił jasność. To, co nazywamy charakterem obiektywu, jest listą jego nieusuniętych wad — i dlatego dokładanie charakteru do renderu polega na dokładaniu wad w spójnym zestawie, a nie pojedynczo.
Policz granice, zanim ocenisz kontrast. Dane „7 elementów w 3 grupach” i „6 elementów w 4 grupach” wyglądają podobnie, a dają sześć kontra osiem granic z powietrzem. Przy nowoczesnych powłokach różnica jest niewielka, przy starym szkle — decydująca. To jest najszybszy sposób na przewidzenie, jak obiektyw zachowa się przy świetle w kadrze.
Wir jest testem na dwie rzeczy naraz. Jeśli w tle widać skręcenie, obiektyw był otwarty blisko maksimum (bo wir znika po przymknięciu) i ma zakrzywione pole (bo bez tego byłoby samo kocie oko). Dwie informacje z jednego objawu, obie przydatne przy dopasowywaniu renderu.
Nie mieszaj podpisów z różnych rodzin. Element CG z wirem Petzvala i jednocześnie idealnie płaskim polem to zestaw, który nie istnieje w naturze. Oko nie nazwie problemu, ale zobaczy niespójność — a to jest ten rodzaj błędu, który sprawia, że ujęcie „jakoś nie siedzi”.
Cztery układy podstawowe zakładają, że obiektyw może mieć dowolny odcinek tylny i dowolną długość. W praktyce nie może: szeroki kąt musi zmieścić za sobą lustro, a teleobiektyw musi być krótszy od własnej ogniskowej. W następnym rozdziale zobaczymy, jak te dwa przymusy wyginają konstrukcję — i co z tego wychodzi w kadrze.
Nasuwa się pytanie, dlaczego układ zaprojektowany w 1896 roku miałby cokolwiek znaczyć dla obiektywu policzonego komputerem w 2020. Program optymalizacyjny nie zna przecież nazw i mógłby wyjść od dowolnego układu.
Odpowiedź jest praktyczna: optymalizator nie szuka rozwiązania od zera, tylko poprawia to, co dostał. Przestrzeń możliwych układów ma kilkadziesiąt wymiarów i mnóstwo minimów lokalnych; algorytm zjedzie do najbliższego z nich, a nie do najlepszego w ogóle. Punkt startowy decyduje więc o tym, w której rodzinie wyląduje wynik — i tym punktem jest zwykle jeden z klasycznych układów.
Drugi powód jest fizyczny. Cztery klasyczne układy nie są arbitralne: każdy z nich jest minimum lokalnym, i to głębokim. Symetria Double Gaussa kasuje trzy wady naraz nie dlatego, że ktoś tak postanowił, tylko dlatego, że tak wychodzi z rachunku. Optymalizator startujący z losowego układu i tak by w okolice tych czterech trafił.
Trzeci jest wytwórczy. Fabryka ma oprzyrządowanie, doświadczenie i tolerancje dopracowane dla pewnych kształtów. Konstrukcja odbiegająca od znanej rodziny bywa lepsza na papierze i gorsza po wyprodukowaniu — bo rozrzut wykonania zjada przewagę, której komputer nie umiał wycenić.
Dlatego mapa z tego rozdziału nie jest historyczną ciekawostką. Jest wciąż aktualną mapą przestrzeni rozwiązań, a nazwy klasyczne opisują na niej realne obszary, nie epoki.