Optikai lencsék leképzési hibái A fényképező objektívekben alkalmazott lencsék és lencserendszerek még a legjobb esetben sem lehetnek tökéletesen mentesek a lencsehibáktól. Itt nem a gyártás során fellépő pontatlanságokat és megmunkálási hibákat értjük, hanem a valós lencsék természetszerű képalkotási hibáit. Első sorban az egyes lencsék által okozott hibákat vizsgáljuk. A lencsehibák következtében a tárgypontról kiinduló fénysugarak nem az elméletileg meghatározott pontokban egyesülnek, hanem a hibák fajtájától és erősségétől függően az elméleti egyesülési pontok környezetében, tehát egy pont képe nem pontként, hanem szóródási körként jelenik meg a felfogósíkban. Az összetett lencserendszereket úgy tervezik és építik, hogy a lencsehibák minél kevésbé érvényesüljenek, ill. az objektív lencsetagjai egymás hibáit kiegyenlítsék. A lencserendszerek korrigálása csak bizonyos határok közt lehetséges. A szférikus aberráció (nyíláshiba, gömbi eltérés) A szférikus aberráció oka, hogy a lencse optikai tengelyében és a lencse szélső részein nem azonos a lencse gyújtótávolsága. Domború lencséknél az optikai tengelytől távolodva egyre csökken a gyújtótávolság, így az egy pontból kiinduló, és a lencse közepén és szélein is áthaladó fénysugarak nem egy pontban egyesülnek, hanem ún. szóródási kört rajzolnak az elméleti egyesülési pont körül. (felső ábra) Homorú lencséknél ez a hiba ellentétes irányban lép fel, így két megfelelő üveganyagból készült (domború és homorú) lencse összeillesztésével a hiba minimálisra csökkenthető. (középső ábra) Ez a módszer egyébként más lencsehibák hatásait is csökkenti. A szférikus aberráció kiküszöbölése manapság már lehetséges nem gömbfelületekkel határolt, ún. aszférikus lencsetagokkal is, ugyanis az előre megtervezett speciális (változó) görböletü lencséknél elérhető a sugárirányban növekedő gyújtótávolság-változás minimálisra csökkentése. (alsó ábra) A szférikus aberráció a rekesznyílás szűkitésével csökkenthető, mivel a lencse szélső részein áthaladó fénysugarak kirekesztésével csökken a szóródási körök átmérője. A kóma (üstököshiba) A kóma, a lencse optikai tengelyével viszonylag nagy szöget bezáró, beeső fénysugarak szférikus aberrációjából adódik. Nagy beesési szög esetén a lencse külső részei által rajzolt szóródási körök középponjai nem esnek egybe a lencse beljebb lévő részei által rajzolt szóródási körök középpontjaival, így végeredményként nem szabályos szóródási kört, hanem az elméleti találkozási pontból kiinduló üstökösszerű csóvát kapunk. A kóma leginkább a képmező széle felé mutatkozik, és elsősorban a nagyfényerejű nagylátószögű objektíveknél figyelhető meg. A szférikus aberrációnál ismertetett
megoldásoknak köszönhetően a mai objektíveknél -kivéve a nagyfényerejű nagylátószögű objektíveket- jelentősége elhanyagolható. A teljesen szimmetrikus felépítésű objektívek gyakorlatilag kómamentesnek tekinhetők. A kóma mértéke rekeszeléssel csökkenthető. Asztigmatizmus (pontnélküliség) Az asztigmatizmus oka, hogy az optikai tengelytől viszonylag távol eső tárgypontból kinduló fénysugarak közül, a lencsén való áthaladás után a vízszints síkban haladók nem azonos pontban egyesülnek mint függőleges síkban haladók. A nem egy pontban egyesülő vízszintes és függőleges sugarak az elméleti egyesülési pont környezetében, a fénnyaláb tengelye mentén eltolva pont helyett függőleges ill. vízszintes vonalat rajzolnak A függőleges és vízszintes sugarak egyesülési pontjai között a tárgypont képe ellipszis, ill. két keresztezteződő ellipszis formájában jelenik meg. Az asztigmatizmus az optikai tengelyhez képesti beesési szög növekedésével növekszik. Az asztigmatizmus kiküszöbölése szintén két különféle üveganyagból készült lencse egymáshoz illesztésével, valamint a rekeszszerkezet helyzetének helyes megválasztásával lehetséges. Az ilyen technológiával készült lencséket anasztigmátoknak, a két ilyen anasztigmatikus lencsetagot (rendszerint elöl és hátul) tartalmazó objektíveket kettős anasztigmátoknak nevezék. Az asztigmatizmus rekeszeléssel csökkenthető. Képmező-elhajlás (képdomborúság) A képmező-elhajlás oka, hogy a nagy kiterjedésű tárgysík pontjairól a lencse által alkotott kép nem síkban, hanem a lencse görbületéhez hasonló gömbfelületen keletkezik, így a képet felfogó síkban nem keletkezhet a tárgysík minden pontjáról éles kép. A képmező-elhajlás mértéke nagyban függ a lencse alakjától, kétszer domború lencsénél a legnagyobb és meniszkuszlencsénél a legkisebb. Mértéke rekeszeléssel kissé csökkenthető, de kiküszöbölése csak a fent említett összetett lencsetagokkal lehetséges. Torzítás (disztorzió) A torzítás a tárgysíkban lévő egyenes vonalaknak a képsíkban való görbe leképzésében jelentkezik. Ez akkor jön létre, ha az optikai tengelytől távolodva változik a lencse nagyítása. Ha a lencse külső zónáiban kisebb a nagyítás akkor hordószerű torzítás, ill. ha nagyobb a nagyítás akkor párnaszerű torzítás jelentkezik. A torzítás nagyban függ a rekeszszerkezet elhelyezésétől. Lencse előtt elhelyezkedő rekesz esetében hordó, a lecse mögött elhelyezkedő rekesz esetében párnatorzítás jelentkezik. A lencsék szimmetrikus elhelyezésével a torzítás minimálisra csökkenthető, ezért reprográfiai célokra ilyen felépítésű objektíveket alkalmaznak. A mai objektívek -a nagylátószögűektől eltekintve- torzításmentesnek tekinhetők.
Kromatikus aberráció (színhiba) A kromatikus aberráció oka, hogy a lencséknek a különböző hullámhosszúságú (különböző színű) fénysugarakra más és más a törésmutatója. A legjobban az ibolyaszínű sugarak törnek meg, a legkevésbé a vörösek, ezért a lencsére érkező fehér fény összetevőire bomlik, így a különböző színű fénysugarak az optikai tengelyen, az elméleti egyesülési pont helyett egy szakaszon egyesülnek, ahol az ibolyától a vörösig a fény színképének minden színe megtalálható. (fölső ábra) A színhiba csökkentése a már többször említett lencseösszetétellel küszöbölhető ki. A koronaüvegből készült gyűjtőlencséhez nagyobb törésmutatjú flintüvegből készült szórólencsét ragasztva elérhető, hogy a két lencse egymás hibáit -bizonyos határok közt- kiegyenlítse. (alsó ábra) Az ilyen lencsék (akromátok) azonban csak két meghatározott hullámhosszon egyenlítik ki a színhibát, (ez általában a kékeszöld és sárga) így a többi hullámhosszon megmarad a színhiba, és ún. másodlagos színkép keletkezik. A másodlagos színkép kiküszöbölése ill. csökkentése az ún. három színre javított (apokromát) lencsetagokkal lehetséges. Ebben az esetben három különféle lencse van összeragasztva, így a színhiba kiegyenlítés is három hullámhosszon történik. Ez a megoldás már nagyon jó eredménnel csökkenti a színhibát, ami rekeszeléssel tovább csökkenthető. Az apokromátokban harmadikként alkalmazott lencsetag (kalcuim fluorid) azonban számos hátrányos tuajdonsággal rendelkezik, pl. könnyen reped. Az apokromatikus lencsetagokat tartalmazó objektívek érzékenyek a hőmérséklet változására is, mivel a kalcium fluoridnak az üvegtől eltérő hőtágulási együtthatója miatt nagy hőingás hatására a lencsetagok elmozdulhatnak, így életlenséget és más leképzési hibákat okozhatnak. Ezek a hátrányok elsősorban a nagy átmérőjü lencsetagoknál jelentkeznének, ezért a professzionális nagyfényerejű teleobjektíveket speciális üvegkeverékből előállított alacsony diszperzióju (LD, ED) üvegből készített lencsetagokkal gyártják, amelyek az apokromátoknál jobb eredménnyel javítják a színhibát. Apokromátokat csak hőhatásoktól mentes környezetben működő optikai műszerekben (pl. mikroszkópokban) használnak. A lencsetagoknak a hőtágulás következtében történő elmozdulását, esetleg repedését megelőzendő, az objektívgyártók néhány teleobjektívet fehér burkolattal hoznak forgalomba, mivel a fehér felület sokkal kevesebb hőt nyel el környezetéből mint a hagyományos fekete. Tükröződés A síma fényes lencsefelületekre érkező fénysugarak egy része a lencsefelületekről visszaverődik, a lencsén iránytváltoztat és nem a meghatározott pontban éri el a elméleti egyesülési síkot. Minél több szabad lencsefelület van egy lencserendszerben, annál több a tükröződés. A soktagú lencserendszerekben már jelentős az így fellépő fényveszteség is. A tükröződés csökkentésére a szabad lencsefelületeket tükröződésmentesítő bevonat(ok)-al látják el. A legegyszerűbb egyrétegű bevonat a máig alkalmazott Zeiss féle T réteg. Manapság az objektívek többségét öbbrétegű (MC, SMC) bevonatokkal látják el.
A színhőmérséklet A fehér fény mint tudjuk, különböző színű fények keveréke. A különféle fényforrások fényei nem azonos arányban tartalmazzák a fehér fény összetevőit, tehát színük is különbözik egymástól. Az emberi szem bizonyos határok között alkalmazkodik az adott fény színéhez, így a kisebb mértékű eltéréseket mi nem érzékeljük. A fényforrások valós színe az adott fényforrás által kisugárzott energia hullámhossz szerinti eloszlásával írható le. Ez a jelleggörbe megmutatja, hogy az adott fényforrás mennyi energiát sugároz ki a különböző színű komponensekből. Az ábrán néhány fényforrás jelleggörbéje látható. A kisugárzott energia nagyságát a görbe alatti terület adja meg. A látható tartományban kisugárzott energia hullámhossz szerinti eloszlására jellemző szám a színhőmérséklet. Egysége: Kelvin, K (A színhőmérséklet jele 1972 előtt kelvin fok ( K) volt. A színhőmérsékletet régebben miredben adták meg, mired = 1000000 / K. Egy ideális termikus fényforrás által kisugárzott fény színhőmérséklete megegyezik annak kelvinfokban kifejezett hőmérsékletével. A nem ideális termikus sugárzók (pl. izzószál) és a nem termikus sugárzók (pl. fénycső) színhőmérséklete megegyezik annak az ideális termikus sugárzónak hőmérsékletével, amellyel azonos színű fényt sugároz ki. Az izzólámpák színhőmérséklete csak kevéssé tér el az izzószál hőmérsékletétől. A termikus sugárzók közös tulajdonsága, hogy az általuk kisugárzott energia hullámhossz szerinti eloszlását leíró jelleggörbéjük folytonos. Ilyen folytonos jelleggörbék az ábra a., b. és c. görbéi. A színhőmérséklet emelkedésével a fény vörös összetevői csökkennek, míg kék összetevői növekedek, tehát minél magasabb a fény színhőmérséklete, annál "kékebb", és minél alacsonyabb a fény színhőmérséklete annál "vörösebb" lesz a színe. Az ábra c. görbéjén egy magas színhőmérsékletű fényforrás (10000K), míg b. görbéjén egy alacsony színhőmérsékletű fényforrás (2800K) hullámhossz szerinti energiaeloszlása látható. Az a. görbe közepes színhőmérsékletet jelöl. (5600K) A színes fotonyersanyagok -szemünkkel ellentétben- nem alkalmazkodnak a különféle fényforrások eltérő színhőmérsékleteihez, ezért a filmek gyártása során definiálni kell egy színhőmérséklet értéket, amelynél a film színhelyes képet ad. Nem megfelelő színhőmérsékletű világítás alkalmazásánál, a nyersanyagok feltűnő elszineződéssel reagálnak a különbségre. A ma használatos filmek többsége napfény színérzékenyítésű napfényfilm tehát 5600K-re van hangolva, mivel az általános (ún. fotográfiai) napfény 5600K színhőmérsékletű. Az ábra a. jelű görbéje mutatja a fotográfiai napfény hullámhossz szerinti energiaeloszlását. Gyártanak még ún. műfényfilmeket, melyeket 3200K-re érzékenyítenek, mivel a speciális fotóizzók 3200K színhőmérsékletű fényt sugároznak. A lumineszcens sugárzók (pl. fénycső, kompakt fénycső, Na lámpa, Hg-gőz lámpa, stb.) sávos színképpel sugároznak. Az egyes sávok élesen elkülönülnek egymástól, valamint az átlagos energiaszintből magasan kiemelkednek, tehát az ilyen fényforrások fénye jellegzetesen elszínezi a fotónyersanyagot, így nem (nagyon) alkakmasak fotográfiai használatra. Ilyen fényforrásra mutat példát az ábrán d.-vel jelölt színkép. A színhőmérséklet
fogalmát a lumineszcens fényforrásokra is kiterjesztették, de természetesen nem fotográfiai értelemben. A ma használatos vakuk fénye -a napfényhez hasonlóan- 5600K színhőmérsékletű, tehát fotográfiai szempontból napfénynek tekinthető. A napfény színhőmérséklete évszaktól, napszaktól függően folyamatosan változik. Derült időben, átlagos napsütés esetén ez kb. 5600K. Hajnalban vagy naplementekor a színhőmérséklet 2500K-re is csökkenhet, viszont borult, párás, ködös időben 6-10000K-re is növekedhet. Nyílt tengeren, ill. magas hegyekben a színhőmérséklet 10-20000K-t is elérheti. Néhány színhőmérsékleti adat: Gyertya kb. 1900K Háztartási izzólámpa kb. 2800K (b. görbe) Fotoizzó 3200K Reggeli, délutáni alacsony napállás kb. 4800K Átlagos napfény, vaku 5600K (a. görbe) Napos idő, árnyékban kb. 6000K Nappal, kissé felhős égbolt kb. 8000K Borult, ködös idő kb. 10000K (c. görbe) Felvételkészítésnél a fény színhőmérsékletének módosítására színhőmérséklet módosító szűrőket alkalmaznak. Ezek a szűrők, narancs (ámbra) vagy kék árnyalatukkal, fokozatuknak megfelelően csökkentik vagy növelik a rajtuk áthaladó fény színhőmérsékletét. A legáltalánosabban használt színhőmérséklet módosító szűrők a skylight szűrők, amelyek kis mértékben csökkentik a fény színhőmérsékletét, melegebb tónusúvá teszik a képet. A legtöbb ilyen szűrő egyben az UV tartomány egy részét is kiszűri. A konverziós szűrők lehetővé teszik, hogy műfény megvilágításban napfény film alkalmazásával ill. hogy napfény megvilágításban műfény film alkalmazásával is színhelyes képet kapjunk. A 85 (KR-12) jelű (narancs színű) konverziós szűrő 5600K-ről 3200K-re, míg a 80B (LB-12) jelű (kék színű) konverziós szűrő 3200K-ről 5600K-re módosítja a színhőmérsékletet. A digitális fényképezőgépek többségénél lehetőség van a kívánt "nyersanyag színérzékenyítés" beállítására. Ezt a videotechnikából átvett "fehérszint állítás" kifejezéssel jelölik. Az olcsóbb eszközöknél ez néhány előre programozott lépésben történik, drágább, ill. professzionális eszközöknél az előre programozott lépések mellett lehetőség van folyamatos hangolásra is.