Digitální fotoaparát III: Optika

Digitální fotoaparáty prodělaly od doby svých počátků (kdy byly víceméně jen hračkami pro pár skalních fanoušků elektroniky) značný technologický vývoj. Na jeho prozatímním konci (rozumějte v současnosti) se konečně přerodily v přístroje, které začínají konkurovat klasickým fotoaparátům. Co se týká jejich vnitřní konstrukce, tak kromě spousty elektronických prvků obsahují také základní elementy, používané ve fotografické technice již desítky let. V dnešním díle se proto podíváme na optickou část fotoaparátu.

Optika

Jednou z nejdůležitějších částí digitálního aparátu je samozřejmě jeho optický systém. Ten je reprezentován objektivem kamery (průřez možným objektivem je na obrázku), který podle kvality obsahuje různé množství čoček, z nichž některé mají speciální funkci. Na druhou stranu je ale pravda, že tyto speciální čočky se většinou nepoužívají v jednoduchých objektivech kompaktních přístrojů, ale spíše v objektivech zrcadlovek.

Základní otázkou, na niž bysme měli odpovědět hned na začátku, by mělo být, co je vlastně objektiv a k čemu slouží? Podíváme-li se do moudrých knih, dozvíme se, že objektiv je spojná soustava čoček (a zrcadel) konstruovaná tak, aby byly optické vady sníženy na nejmenší možnou míru. Tyto čočky mohou být navíc sdružovány do členů, které mohou být lepené. Velice důležitý je také fakt, že každý objektiv je charakterizován ohniskovou vzdáleností, světelností (jinými slovy nejmenším clonovým číslem) a zorným úhlem. Tak, tolik definice. Abychom lépe pochopili o co se přesně jedná, probereme si celou definici po malých částech a všechno si pečlivě vysvětlíme.

Čočka

Předpokládám, že pojem čočky není neznámý. Pro osvěžení si ale můžeme říci, že se nejedná o luštěninu, ale speciálně připravený kousek skla (nebo plastu), který změní směr chodu světelných paprsků podle platných fyzikálních zákonů. (Lom světla při přechodu z prostředí opticky řidšího (vzduch) do prostředí opticky hustšího (sklo)). Plocha tohoto přechodu je známa jako lámavá plocha a její tvar odpovídá povrchu čočky.) Nebudeme se tady zabývat fyzikou, která je za tím vším schovaná, ale rovnou přejdeme k aplikacím. Slovní obrat spojná soustava čoček znamená zjednodušeně řečeno to, že nám světlo po průchodu touto soustavou vytvoří optický obraz snímaného předmětu. (Až budeme vědět trošku víc, povíme si ještě něco málo o tom, ve kterém místě je tento obraz tvořen.)

Optické vady

Co se skrývá za pojmem optické vady? Představte si jednoduchou spojnou čočku, kterou je například obyčejná lupa. Pokud se přes ni podíváte, určitě si všimnete, že obraz má spoustu nedostatků. Střed obrazu je dokonale ostrý, ovšem jeho okraje jsou neostré a zkreslené, a proto se nám celý obraz jeví mlhavě. A právě tyto "neostrosti" či "mlhavost" jsou způsobeny optickými vadami. Abychom je odstranili, tak musíme místo jediné čočky použít systém několika čoček. Pro zájemce bych mohl uvést, že základními optickými vadami jsou sférická vada, astigmatismus, koma, zkreslení a také tzv. difrakční a chromatická (neboli barevná) vada. Vysvětlení toho, co tyto pojmy znamenají si probereme v dalším, připravovaném a speciálněji zaměřeném, článku.

Ohnisková vzdálenost

Tím jsme si tedy charakterizovali objektiv co do jeho "anatomie" a hlavní funkce. Zbývá nám ještě říci něco více o veličinách, které ho charakterizují blíže a s nimiž se případný zájemce o fotoaparát (či samostatný objektiv) zcela jistě setká již při koupi.

Určitě jste již slyšeli o rozdělení objektivů do několika tříd. S pojmy jako je základní objektiv, širokoúhlý objektiv, teleobjektiv či zoom se snad setkal každý uživatel. Na čem je toto dělení vlastně založeno? Hlavně na pohledu každého z nás, ovšem abysme tuto vágní definici mohli nějak číselně popsat, vezmeme si na pomoc veličinu, kterou fyzikové nazvali ohnisková vzdálenost.

Představte si, že fotografujete objekt, který je od vás velmi daleko. V takovém případě jsou světelné paprsky (odražené od fotografovaného objektu), které vstupují do objektivu, téměř rovnoběžné (jinými slovy, předmět se jeví, jako by byl v nekonečnu). Po průchodu objektivem (chovajícím se jako spojná čočka) je tento svazek světla soustředěn (v ideálním případě) do jednoho bodu - světelné paprsky se protnou v tzv. ohniskové rovině. A právě vzdálenost této ohniskové roviny od poslední čočky v objektivu se nazývá ohnisková délka a označujeme ji písmenem f (viz. obrázek). Je pravda, že jsem tuhle definici uvedl značně nepřesně, ale pro naše potřeby to myslím nevadí. (Ve skutečnosti se jedná o vzdálenost ohniskové roviny od tzv. hlavní roviny optického systému, jejíž poloha nemusí být (a taky většinou není) shodná s polohou poslední čočky.)

Obrazový úhel objektivu je potom určen poměrem velikosti úhlopříčky obrazového formátu a ohniskové délky objektivu. U standardního objektivu je tento úhel 40 až 60 stupňů, přičemž velikost ohniskové délky je totožná s velikostí úhlopříčky obrazu (v našem případě digitální fotografie se jedná o úhlopříčku snímacího světelného prvku). Je tady ihned vidět, že narozdíl od klasické fotografie, kde základnímu objektivu odpovídá ohnisková délka zhruba 50 mm (přesněji je to 43 mm), u současné digitální fotografie je to díky menším rozměrům snímacího čipu hodnota menší (neplatí zatím pouze pro zrcadlovky Canon EOS 1Ds a Kodak DCS PRO 14n, které mají velikost snímacího čipu stejnou jako kinofilmové políčko). Vysvětlení dalších pojmů je již velmi snadné:

• Širokoúhlé objektivy mají obrazový úhel větší než základní objektivy, zatímco jejich ohnisková délka je menší.
• Pro teleobjektivy platí opačné tvrzení (menší úhel a větší ohnisková délka).
• Zoomy (někdy se můžete setkat i s pojmem transfokátor) jsou pak objektivy s proměnnou ohniskovou vzdáleností (u zoomů klasických fotoaparátů je základním zoomem 28-80mm).

Světelnost objektivu a clona

Jedná se o poslední údaj na objektivu, který nám zůstává k vysvětlení. Světelnost objektivu je základní veličina a definuje se z poměru osvětlení obrazu (E) k jasu fotografovaného předmětu (L):


jako


kde D je průměr vstupní pupily objektivu, f jeho ohnisková délka,   je úhel, pod nímž vstupuje světelný svazek do objektivu a je "propustnost" objektivu.

Světelnost objektivu je tedy určena charakteristickou veličinou D/f. Její převrácená hodnota se jmenuje clonové číslo (označuje se c), a s ním se fotograf setkává na každém kroku.

Z předchozího vztahu je vidět, že pokud známe jas fotografovaného předmětu, můžeme vypočítat osvětlení. Mimoto, pokud měníme irisovou clonou průměr vstupní pupily D, dochází tím zároveň ke změně světelnosti objektivu. O světelnosti objektivu nás pak informuje clonové číslo c, přičemž maximální hodnota světelnosti se nazývá základní clonové číslo ( c_min) a je důležitou konstantou objektivu.

Světelnost tedy závisí na převrácené hodnotě clonového čísla c, kterému se říká relativní otvor objektivu a udává, kolikrát je ohnisková vzdálenost obsažená v průměru vstupní pupily. Většinou je menší než jednička a jen výjimečně dosahuje hodnoty 1. Číselně se udává tak, že čitatelem je jednička a jmenovatelem clonové číslo c. A právě tento údaj se uvádí na obrubě objektivu a je tím posledním, který jsme si chtěli objasnit.

Digitální zoom

Ještě bych se měl zmínit o vlastnosti nazývané digitální (či elektronický) zoom, protože doteď, pokud jsme si povídali o zoomech, jsme měli na mysli optické transfokátory. Zvětšení snímku je u elektronického zoomu dosaženo tak, že je obraz načten jen z menší oblasti světlocitlivého čipu kolem jeho středu, což ovšem znamená výraznou ztrátu rozlišení. Z toho je vidět, že o jakékoliv účelnosti této možnosti lze úspěšně pochybovat a rozhodně bych jí nepřikládal při koupi digitálního fotoaparátu žádnou prioritu.

Závěr

Povídání o optické části digitálního fotoaparátu je u konce. Snažil jsem se výklad provést co nejuceleněji a tak jednoduše, jak nejvíc to bylo možné. Často za cenu menších nesrovnalostí, ale případní zájemci o hlubší vysvětlení jistě sáhnou po nějaké učebnici optiky.