Čočky

 

Čočky

Čočka je průhledné optické zařízení, které za pomoci lomu světla soustřeďuje nebo rozptyluje světelný paprsek. Jednoduchá čočka se skládá z jednoho kusu průhledného materiálu, zatímco složená čočka se skládá z několika jednoduchých čoček (elementů), obvykle uspořádaných podél společné osy. Čočky se vyrábějí z materiálů, jako je sklo nebo plast, a jsou broušeny a leštěny nebo lisovány do požadovaného tvaru. Na rozdíl od hranolu, který láme světlo bez zaostření, může čočka soustředit světlo a vytvářet obraz.

 

 

Pozitivní nebo sbíhavá čočka ve vzduchu zaostřuje rovnoběžný svazek paprsků směřující podél osy čočky do bodu (známého jako ohnisko) ve vzdálenosti f od čočky. Naopak bodový zdroj světla umístěný v ohnisku je čočkou převeden na rovnoběžný svazek. Tyto dva případy jsou příklady tvorby obrazu čočkami. V prvním případě je objekt ve velké vzdálenosti (reprezentován rovnoběžným svazkem vln) zaostřen do obrazu v ohnisku čočky. V druhém případě je objekt umístěný ve vzdálenosti ohniskové vzdálenosti od čočky zobrazen do nekonečna. Rovina kolmice k ose čočky ve vzdálenosti f od čočky se nazývá ohnisková rovina.
Pokud jsou vzdálenosti od objektu k čočce a od čočky k obrazu S₁ a S₂, pro čočku s zanedbatelnou tloušťkou platí ve vzduchu tenkovrstvá čočková rovnice:

 

Pokud je tedy objekt umístěn ve vzdálenosti S₁ > f od pozitivní čočky s ohniskovou vzdáleností f, nalezneme obrazovou vzdálenost S₂ podle této rovnice. Pokud je umístěna obrazovka ve vzdálenosti S₂ na opačné straně čočky, vytvoří se na ní obraz. Tento typ obrazu, který lze promítnout na obrazovku nebo snímač, se nazývá skutečný obraz.

Toto je princip fotoaparátu i lidského oka. Nastavení zaostření fotoaparátu upravuje S₂, protože použití obrazové vzdálenosti odlišné od této rovnice způsobuje rozmazaný obraz objektu ve vzdálenosti S₁ od fotoaparátu. Jinými slovy, změna S₂ způsobí, že objekty v jiné vzdálenosti S₁ budou zaostřeny.

V některých případech je S₂ záporné, což znamená, že obraz se vytváří na opačné straně čočky, než kde jsou paprsky zvažovány. Protože rozbíhavé paprsky vycházející z čočky se nikdy nesetkají, tento typ obrazu se nazývá virtuální obraz. Na rozdíl od skutečných obrazů nelze virtuální obraz promítnout na obrazovku, ale při pohledu přes čočku se zdá, že existuje jako reálný objekt. Stejně tak jej může další čočka vnímat jako objekt a zaostřit světlo do skutečného obrazu. Přesně to dělá lidské oko při pohledu přes zvětšovací sklo.
Zvětšovací sklo vytváří (zvětšený) virtuální obraz za čočkou, ale tyto paprsky jsou poté přesměrovány čočkou oka tak, aby vytvořily skutečný obraz na sítnici.

Zvětšení

Lineární zvětšení zobrazovacího systému s jednou čočkou je dáno vzorcem:

kde M je faktor zvětšení definovaný jako poměr velikosti obrazu k velikosti objektu. Znaménková konvence říká, že pokud je M záporné, jak je tomu u skutečných obrazů, obraz je vzhůru nohama vůči objektu. U virtuálních obrazů je M kladné, takže obraz je vzpřímený.

Clona

V optice je clona otvor nebo průchod, kterým prochází světlo. Přesněji řečeno, clona optického systému je otvor, který určuje úhel kužele paprsků směřujících do roviny obrazu.
Clonová zarážka je důležitým prvkem většiny optických návrhů. Její nejzřejmější funkcí je omezení množství světla, které může dosáhnout obrazové roviny.

Velikost clonové zarážky je omezena i jinými faktory než jen množstvím přijatého světla:
Velikost clony ovlivňuje hloubku ostrosti. Menší clony (větší f-čísla) způsobují delší hloubku ostrosti, což umožňuje, aby byly objekty v širokém rozsahu vzdáleností zaostřené současně.
Clona omezuje optické vady. Pokud je clona příliš velká, obraz bude zkreslený. Sofistikovanější optické návrhy mohou zmírnit účinek aberací a umožnit větší clonu, čímž zvyšují světelnou schopnost.
Clona ovlivňuje vinětaci obrazu. Větší clony mohou způsobit pokles intenzity světla směrem k okrajům snímku.
Větší clona vyžaduje větší optiku, která je těžší a dražší.
Kromě clonové zarážky může mít fotografický objektiv jedno nebo více zorných clon, které omezují zorné pole systému.

 

Clonová zarážka objektivu může být nastavena pro regulaci množství světla dopadajícího na film nebo snímač. Ve spojení s rychlostí závěrky clona ovlivňuje expozici snímku.
Priorita clony je poloautomatický režim fotoaparátu, který umožňuje fotografovi zvolit nastavení clony, zatímco fotoaparát nastaví rychlost závěrky a někdy i citlivost ISO pro správnou expozici.

 

Číslo F

Číslo F je dáno vztahem

F=f/D

kde f je ohnisková vzdálenost a D je průměr vstupní pupily (efektivní apertura).

 

Jak velikost senzoru ovlivňuje hloubku ostrosti

 

Hyperfokální vzdálenost

V optice a fotografii je hyperfokální vzdálenost vzdálenost, za kterou mohou být všechny objekty přivedeny do „přijatelné“ ostrosti. Existují dvě běžně používané definice hyperfokální vzdálenosti, které vedou k hodnotám, jež se mírně liší:

Definice 1: Hyperfokální vzdálenost je nejbližší vzdálenost, na kterou lze zaostřit objektiv, přičemž objekty v nekonečnu zůstávají přijatelné ostré. Když je objektiv zaostřen na tuto vzdálenost, všechny objekty ve vzdálenosti od poloviny hyperfokální vzdálenosti až do nekonečna budou přijatelné ostré.

Definice 2: Hyperfokální vzdálenost je vzdálenost, za kterou jsou všechny objekty přijatelné ostré, pokud je objektiv zaostřen na nekonečno.

 

Rozdíl mezi oběma definicemi se obvykle neřeší, protože jejich hodnoty se téměř shodují. Hodnota vypočítaná podle první definice přesahuje hodnotu druhé definice jen o jednu ohniskovou vzdálenost.
Protože hyperfokální vzdálenost představuje zaostřovací vzdálenost poskytující maximální hloubku ostrosti, jedná se o nejžádanější vzdálenost pro nastavení ostření u fotoaparátů s pevným zaostřením.

 

Výroba čoček

 

 

 

Fresnelova čočka

 

Fresnelovy čočky se skládají ze série soustředných drážek vyrytých do plastu. Jejich tenká, lehká konstrukce, dostupnost v malých i velkých velikostech a vynikající schopnost shromažďování světla je činí užitečnými v různých aplikacích. Fresnelovy čočky se nejčastěji používají v systémech pro shromažďování světla, jako jsou kondenzorové systémy nebo sestavy vysílač/přijímač. Mohou být také použity jako zvětšovací nebo projekční čočky v osvětlovacích systémech a při tvorbě obrazu.

Fresnelova čočka nahrazuje zakřivený povrch konvenční optické čočky sérií soustředných drážek. Tyto kontury fungují jako individuální lomové plochy, které ohýbají rovnoběžné paprsky světla na společnou ohniskovou vzdálenost. Díky tomu je Fresnelova čočka, přestože je fyzicky tenká, schopna soustředit světlo podobně jako běžná optická čočka, avšak s několika výhodami oproti své tlustší protějšce.

 

Teorie Fresnelových čoček

Hlavním principem konceptu Fresnelovy čočky je, že směr šíření světla se uvnitř média nemění (pokud není rozptýlen). Světelné paprsky se odchylují pouze na površích média. V důsledku toho většina materiálu ve středu čočky pouze zvyšuje hmotnost a absorpci v systému.

Aby bylo možné využít této fyzikální vlastnosti, začali fyzikové v 18. století experimentovat s tvorbou toho, co dnes nazýváme Fresnelovou čočkou. Tehdy byly do kusu skla vyřezány drážky, aby se vytvořily prstencové kroužky se zakřiveným profilem. Tento zakřivený profil při extrudování tvořil běžnou, zakřivenou čočku – buď sférickou nebo asférickou. Vzhledem k podobným optickým vlastnostem oproti běžné optické čočce může Fresnelova čočka v některých aplikacích nabídnout mírně lepší zaostření. Vysoká hustota drážek umožňuje vyšší kvalitu obrazu, zatímco nízká hustota drážek přináší lepší účinnost při shromažďování světla. Nicméně je důležité si uvědomit, že při požadavku na vysokou přesnost zobrazení jsou stále nejlepší klasické čočky singlet, dublet nebo asférické čočky.

 

Výroba Fresnelových čoček

První Fresnelovy čočky byly vyráběny zdlouhavým ručním broušením a leštěním skla. Později bylo roztavené sklo naléváno do forem, ale teprve s vývojem optických plastů a technologie vstřikování ve 20. století se použití Fresnelových čoček stalo praktickým v průmyslových a komerčních aplikacích.

Fresnelovy čočky mohou být vyrobeny z různých materiálů, od akrylu přes polykarbonát až po vinyl, v závislosti na požadované vlnové délce provozu. Akryl je nejběžnějším materiálem díky své vysoké propustnosti ve viditelném a ultrafialovém (UV) spektru, ale polykarbonát je preferovaným materiálem v náročných prostředích díky své odolnosti proti nárazu a vysokým teplotám.

Aplikace

Ačkoli francouzský fyzik Augustin-Jean Fresnel (1788–1827) nebyl první, kdo konceptualizoval Fresnelovu čočku, podařilo se mu ji zpopularizovat jejím začleněním do majáků. Od té doby se Fresnelovy čočky využívají v různých aplikacích, od kolimace a sběru světla až po zvětšení obrazu.

 

 

 

 

 

Čočka cylindrická

Cylindrická čočka je čočka, která zaostřuje světlo do čáry místo do bodu, jak by to dělala sférická čočka. Zakřivená plocha nebo plochy cylindrické čočky jsou úseky válce a zaostřují obraz procházející skrz ni do čáry rovnoběžné s průsečíkem povrchu čočky a tečnou rovinou. Čočka komprimuje obraz ve směru kolmém na tuto čáru a ponechává jej nezměněný ve směru rovnoběžném s ní (v tečné rovině).

Cylindrické čočky se běžně používají jako generátory laserových čar, pro úpravu výšky obrazu nebo pro korekci astigmatismu v zobrazovacích systémech či v anamorfních objektivech.

 

 

 

 

Anamorfní objektiv

Anamorfní objektivy jsou specializované nástroje, které ovlivňují způsob, jakým jsou obrazy promítány na snímač kamery. Primárně byly vytvořeny k tomu, aby širší poměr stran mohl být zachycen na standardní filmový formát, avšak postupem času si kameramani zvykli na jejich unikátní vzhled. Tento článek se zabývá klíčovými aspekty anamorfních objektivů v digitální éře.

Přehled

Při výrobě se obvykle používají dva typy objektivů: sférické a anamorfní. Sférické objektivy jsou běžnější a jsou standardně považovány za výchozí, pokud není uvedeno jinak. Sférické objektivy promítají obraz na snímač beze změny jeho poměru stran. Naproti tomu anamorfní objektivy promítají obraz v komprimované podobě podél delšího rozměru (obvykle s faktorem dvou). Anamorfní objektivy proto vyžadují následné roztažení, buď v postprodukci, nebo při promítání, aby byl obraz správně zobrazen.

 

Motivace

Anamorfní objektivy byly původně navrženy (1956), aby širokoúhlé snímky plně využily plochu standardních 35mm filmových políček. Jinak by širokoúhlé snímky zanechávaly horní a dolní část políčka nevyužitou a bylo by nutné je ořezat pomocí masek v projektoru:

 

Širokoúhlý obraz bez anamorfního objektivu a anamorfní širokoúhlý obraz

 

Anamorfní objektivy tak zlepšily kvalitu obrazu tím, že zvýšily vertikální rozlišení a snížily zrnitost obrazu. Například použití standardního sférického objektivu pro zachycení obrazu s poměrem stran 2,40:1 na 35mm film využívá pouze 50 % plochy políčka. S anamorfním objektivem přispívá 100 % plochy políčka k výslednému obrazu.

Hlavním důvodem použití anamorfního objektivu v digitálním prostředí je jeho další vizuální efekty. Ohniskové světelné závoje a rozostřené pozadí („bokeh“) se zobrazují jako protáhlé místo kruhových (pokud objektiv nemá speciálně navrženou oválnou clonu). Světelné závoje se mohou objevit jako modravé vodorovné nebo svislé pruhy přes celý snímek. Vinětace může mít oválný tvar, což lze napodobit i v postprodukci.

Hloubka ostrosti je rovněž ovlivněna. Ačkoliv mají anamorfní a sférické objektivy technicky stejnou hloubku ostrosti, v praxi je třeba použít delší ohniskovou vzdálenost u anamorfního objektivu, aby bylo dosaženo stejného zorného úhlu. Při stejné zvětšené velikosti objektu tak anamorfní objektivy vytvářejí mělčí, filmovější hloubku ostrosti. U filmu mohl být tento rozdíl tak výrazný, jako přechod z ořezového faktoru 2X na 1X, v závislosti na tom, zda byla část plochy rezervována pro zvukovou stopu.

 

Shutter

 

 

 

 

 

Exposure

 

 

 

 

Flash