Retrofokus · odstęp z tyłuTele · krótszy niż fKatadioptryk · lustroStąd · pączkowe bokeh
Rozdział 18 / Konstrukcje

Skrajne ogniskowe: retrofokus, tele i lustro

Szeroki kąt musi zmieścić lustro albo migawkę za sobą, a teleobiektyw musi być krótszy niż własna ogniskowa. Obie te potrzeby wyginają konstrukcję — i widać to w kadrze.

TL;DR
Przymus · geometria mocowania

Ile miejsca musi zostać z tyłu

Cztery układy z Rozdziału 17 milcząco zakładają, że ostatnia soczewka może być dowolnie blisko matrycy. W lustrzance nie może: między nią a matrycą siedzi lustro, które musi się podnieść. Odcinek bagnetowy z Dodatku C mówi, ile to konkretnie jest — dla mocowania PL pięćdziesiąt dwa milimetry, dla Canona EF czterdzieści cztery.

Dla pięćdziesiątki to żaden problem: jej ogniskowa i tak jest większa. Kłopot zaczyna się poniżej, i to gwałtownie. Obiektyw 24 mm w układzie symetrycznym miałby odcinek tylny około 24 mm — a potrzebuje trzydziestu ośmiu. Fizycznie nie da się go zbudować w klasycznym układzie, bo ostatnia soczewka musiałaby stać w miejscu zajętym przez lustro.

Czy potrzebny retrofokusogniskowa kontra odcinek mocowania
24 mm
Canon EF · 44,0 mm
matryca odcinek mocowania f Gdzie stanęłaby ostatnia soczewka w układzie symetrycznym: Mieści się — układ symetryczny wykonalny. f = 24 mm, wymagane 38,0 mm
Przy 24 mm na mocowaniu EF ostatnia soczewka musiałaby stanąć wewnątrz komory lustra.
Gdzie leży granica dla trzech mocowań

PL · 52,0 mm wymaga odcinka tylnego ok. 46 mm → retrofokus poniżej 46 mm

Canon EF · 44,0 mm wymaga ok. 38 mm → retrofokus poniżej 38 mm

Sony E · 18,0 mm wymaga ok. 16 mm → retrofokus poniżej 16 mm

Liczby są przybliżone, bo ostatnia soczewka może wejść nieco w tubus mocowania — ale rząd wielkości jest twardy. Na mocowaniu kinowym PL nawet czterdziestka jest już retrofokusem, co tłumaczy, dlaczego szkło kinowe w tym zakresie jest tak duże. Na bezlusterkowcu retrofokus zaczyna być potrzebny dopiero przy skrajnie szerokich ogniskowych — i dlatego dwudziestka na taki korpus bywa mniejsza od pięćdziesiątki.

Ten sam suwak pokazuje, dlaczego bezlusterkowce zmieniły tak wiele. Przy odcinku osiemnastu milimetrów granica przesuwa się w dół tak bardzo, że dwudziestka czwórka mieści się bez żadnych sztuczek. Konstruktor odzyskuje symetrię, a z nią trzy wady mniej za darmo — i stąd bierze się skok jakości szerokich kątów ostatniej dekady, o którym była mowa w Rozdziale 16.

Retrofokus · rozepchnąć obraz do tyłu

Szeroki kąt, który udaje dłuższy

Rozwiązanie jest odwrotnością lunety. Z przodu stawia się grupę rozpraszającą, za nią skupiającą. Grupa przednia rozbiega wiązkę, więc tylna musi ją zbierać z większej odległości — a to przesuwa tylną płaszczyznę główną do tyłu, poza obiektyw. Odcinek tylny robi się dłuższy od ogniskowej i lustro się mieści.

Retrofokus i telegdzie leży płaszczyzna główna
RETROFOKUS · odcinek tylny dłuższy niż f płaszczyzna główna matryca odcinek tylny — dłuższy niż ogniskowa TELEOBIEKTYW · tubus krótszy niż f płaszczyzna główna tubus ogniskowa — dłuższa niż tubus
Ta sama sztuczka w dwie strony: grupa rozpraszająca z przodu odsuwa płaszczyznę główną do tyłu, z tyłu — przesuwa ją do przodu.

Cena jest trojaka i całą widać w obrazie. Po pierwsze, układ jest skrajnie niesymetryczny, więc traci darmową korekcję dystorsji, komy i chromatycznej poprzecznej — stąd beczka rzędu kilku procent, typowa dla szerokich kątów do lustrzanek. Po drugie, przednia grupa musi objąć bardzo szeroką wiązkę, więc jest duża, ciężka i wystaje. Po trzecie, korekcja wymaga wielu elementów, a każdy z nich to dwie granice więcej.

Stąd bierze się obserwacja, którą łatwo pomylić z prawem natury: szerokie kąty do lustrzanek są duże, ciężkie i mają wyraźną beczkę. Nie dlatego, że szeroki kąt taki musi być — dlatego, że lustro wymusiło retrofokus. Te same ogniskowe na dalmierzach i na bezlusterkowcach bywają wielkości kciuka i mają dystorsję poniżej procenta.

Retrofokus ma jeszcze jedną konsekwencję, która wraca w Rozdziale 7: przesuwa źrenicę wyjściową daleko od matrycy. Grupa skupiająca stoi z tyłu i to ona tworzy obraz przysłony widziany od strony matrycy — a ponieważ leży blisko niej, obraz wypada daleko. Efekt jest korzystny: promienie padają na rogi matrycy niemal prostopadle, więc znika przebarwienie rogów, na które cierpią konstrukcje symetryczne.

To jest jedyna rzecz, którą retrofokus dostaje w prezencie, i warto ją znać, bo wyjaśnia pozorną sprzeczność. Szerokie kąty do dalmierzy mają znakomitą dystorsję i fatalne rogi na matrycy cyfrowej; szerokie kąty do lustrzanek odwrotnie. Ten sam wybór konstrukcyjny poprawia jedno i psuje drugie — a który z tych problemów bardziej boli, zależy od tego, czy kręcisz na taśmę, czy na sensor.

Teleobiektyw · ta sama sztuczka odwrócona

Dłuższy niż tubus, w którym siedzi

Drugi przymus jest odwrotny. Obiektyw o ogniskowej 400 mm w układzie prostym musiałby mieć czterdzieści centymetrów długości plus oprawę — coś, czego nie da się utrzymać w rękach ani wyważyć na statywie. Rozwiązanie jest lustrzanym odbiciem retrofokusa: grupa skupiająca z przodu, rozpraszająca z tyłu, a płaszczyzna główna wysunięta przed obiektyw.

Stosunek długości tubusa do ogniskowej nazywa się współczynnikiem teleobiektywowym. Konstrukcja zasługuje na miano teleobiektywu dopiero wtedy, gdy jest on mniejszy od jedności; typowe wartości to 0,7–0,8. Czterystumilimetrówka o współczynniku 0,75 ma trzydzieści centymetrów, co już da się unieść.

Cena jest tym razem inna. Dystorsja wychodzi poduszkowa, bo asymetria jest odwrotna niż w retrofokusie — i dlatego długie ogniskowe poduszkują, a szerokie beczkują, o czym w Rozdziale 13. Poza tym rosną wymagania na tolerancje: przy wysuniętej płaszczyźnie głównej każdy błąd wyosiowania jest powiększany dźwignią całej długości układu, więc teleobiektyw wybacza mniej niż jakakolwiek inna konstrukcja.

Czterysta milimetrów, dwie długościwspółczynnik teleobiektywowy
UKŁAD PROSTY · współczynnik 1,0 tubus 400 mm — tyle, ile ogniskowa TELEOBIEKTYW · współczynnik 0,75 H′ tubus 300 mm
Płaszczyzna główna wysunięta o sto milimetrów przed przednią soczewkę. Ogniskową mierzy się od niej, więc obiektyw jest krótszy od własnej ogniskowej.

Warto zauważyć, że to ta sama sztuczka, co w retrofokusie, tylko odwrócona — i że obie są możliwe wyłącznie dlatego, że ogniskową mierzy się od płaszczyzny głównej, a nie od kawałka szkła. Bez pojęcia płaszczyzn głównych z Dodatku C obie konstrukcje wyglądałyby na łamanie równania soczewki. Nie łamią go — przesuwają punkt, od którego się liczy.

Jest jeszcze skutek, którego nie widać w danych, a widać w pracy: teleobiektyw ma bardzo mały wysuw ostrzenia w stosunku do ogniskowej. Wynika to wprost ze wzoru z Rozdziału 16, w którym wysuw idzie z kwadratem ogniskowej podzielonym przez odległość — dla dużych ogniskowych i dużych dystansów wychodzi ułamek milimetra. Dlatego ostrzenie teleobiektywu jest tak czułe i dlatego pierścień ma na nim tak duży kąt obrotu.

Lustro · trzecia droga i jej podpis

Katadioptryk, czyli szkło zastąpione lustrem

Istnieje sposób na skrócenie obiektywu radykalniejszy niż teleobiektyw: zawrócić światło. Lustro wklęsłe skupia tak samo jak soczewka, a jeśli światło przebiega tubus trzykrotnie — do przodu, do tyłu i znowu do przodu — to ogniskowa 500 mm mieści się w dziesięciu centymetrach.

Lustro ma przy tym zaletę, której żadne szkło mieć nie może: odbicie nie zależy od długości fali. Katadioptryk nie ma więc aberracji chromatycznej ani podłużnej, ani poprzecznej — obu z Rozdziału 14. To jest powód, dla którego wszystkie duże teleskopy są lustrzane.

Źrenica pierścieniowaskąd pączek w bokeh
BIEG ŚWIATŁA ŹRENICA NIEOSTRY PUNKT lustro wtórne lustro główne pierścień, nie koło pączki
Nieostry punkt jest obrazem źrenicy — a źrenica ma dziurę. Nie da się tego naprawić niczym poza zmianą konstrukcji.

Cena jest jednak wysoka i nieusuwalna. Lustro wtórne siedzi na osi, więc zasłania środek źrenicy. Źrenica jest pierścieniem, a skoro nieostry punkt jest jej obrazem — jak ustalono w Rozdziale 9 — to każde nieostre światło wychodzi pączkowate. Do tego dochodzi brak przysłony: zasłanianie pierścienia od wewnątrz nie ma sensu, więc katadioptryk ma jedną, stałą jasność.

Zasłonięcie środka odbiera zwykle dziesięć do piętnastu procent powierzchni źrenicy, co samo w sobie jest znośne. Gorszy jest wpływ na kontrast: obcięta środkowa część wiązki to dokładnie ta, która niesie najniższe częstotliwości przestrzenne, więc obraz traci mikrokontrast, zachowując rozdzielczość. Stąd charakterystyczna „płaskość” zdjęć z lustrzanek, którą trudno nazwać, a łatwo rozpoznać.

Warto przy tym rozdzielić dwie rzeczy, które w potocznym języku się zlewają. Lustro nie jest źródłem pączka — źródłem jest zasłonięcie osi, konieczne dlatego, że światło wraca tą samą drogą, którą przyszło. Teleskopy o konstrukcji odchylonej od osi, w których lustro wtórne stoi z boku, nie mają pączkowego bokeh mimo luster. Jest to więc cena za składanie drogi światła, a nie za samo użycie lustra — i to samo rozróżnienie decyduje, czy da się efekt odtworzyć teksturą źrenicy, czy trzeba zmienić model kamery.

Z praktyki

Znak dystorsji zdradza rodzaj konstrukcji. Beczka na szerokim kącie oznacza retrofokus, czyli konstrukcję pod lustrzankę albo pod krótką stronę zoomu. Poduszka na długim końcu oznacza układ teleobiektywowy. Jeśli szeroki kąt ma dystorsję poniżej procenta, najprawdopodobniej pochodzi z bezlusterkowca albo z dalmierza — i to jest użyteczna wskazówka przy nieopisanym materiale.

Pączkowe bokeh to cztery informacje naraz. Obiektyw był katadioptrykiem, więc: był długi, miał stałą przysłonę, nie ma aberracji chromatycznej i ma obniżony mikrokontrast. Odtwarzając takie ujęcie w rendererze, pamiętaj o wszystkich czterech — sama tekstura źrenicy z dziurą da kształt, ale nie da charakteru.

Przy szerokich kątach sprawdzaj rogi, zanim ustawisz kamerę wirtualną. Retrofokus ma zwykle wyraźne winietowanie optyczne i miękkie rogi przy pełnym otworze. Jeśli render ma rogi czyste, a plate nie, niezgodność obejmie cały obwód kadru — czyli największą powierzchnię, jaką da się rozminąć.

Słowniczek
retrofokus
Układ z grupą rozpraszającą z przodu, dający odcinek tylny dłuższy od ogniskowej. Niezbędny dla szerokich kątów do korpusów z lustrem.
współczynnik teleobiektywowy
Stosunek długości tubusa do ogniskowej. Poniżej jedności oznacza prawdziwy teleobiektyw; typowo 0,7–0,8.
katadioptryk
Układ łączący lustra ze szkłem. Skrajnie krótki i bez aberracji chromatycznej, ale o źrenicy pierścieniowej i stałej przysłonie.
obcięcie centralne
Zasłonięcie środka źrenicy przez lustro wtórne. Odbiera 10–15% światła i wyraźnie więcej mikrokontrastu.
odcinek tylny
Odległość od ostatniej powierzchni szkła do matrycy. To on, a nie ogniskowa, decyduje o wykonalności konstrukcji przy danym mocowaniu.
Idź głębiej
Dodatek I — Katalog układów optycznych