Rynek aparatów cyfrowych do złudzenia przypomina zawody olimpijskie. Na początku sportowcy spektakularnie biją rekordy, by z czasem poprawiać wyniki nie o sekundy, lecz o setne części sekund, i nie o metry, ale o centymetry. Do niedawna producenci ścigali się w zawrotnym tempie: matryce światłoczułe miały dwa miliony pikseli, trzy miliony, cztery… W okolicach ośmiu dostali zadyszki i wydaje się, że wyścig stanął na 10 milionach. Kto go zatrzymał? Urodzony w XIX wieku angielski szlachcic.
OBRAZ SIĘ ROZMYWA
Mowa o lordzie Rayleighu, który na przełomie XIX i XX wieku zajmował się fizyką. Jedno z jego licznych odkryć to kryterium (nazwane jego nazwiskiem), które mówi, jakie są teoretyczne granice optycznej sprawności obiektywu. Rayleigh założył, że ma do czynienia z idealnym obiektywem zbudowanym z soczewek i przysłony. Przysłona pozwala kontrolować ilość światła przelatującego przez obiektyw, a jednocześnie wpływa na głębię ostrości zdjęcia, czyli obszar, w którym obraz jest ostry. Im więcej światła blokuje, tym głębia większa. Niestety, kij ma dwa końce. Wprawdzie przymknięcie przysłony poprawia głębię ostrości, ale jednocześnie światło ugina się na brzegach przysłony (czyli, mówiąc uczenie, ulega dyfrakcji), co powoduje lekkie rozmycie obrazu.
Gdyby wstawić do wzoru Rayleigha konkretne dane, to dla standardowego obiektywu o jasności f/2.8 wychodzi, że odległość między dwoma punktami rzucanymi wyraźnie przez obiektyw wynosi około 2 mikrometrów. A im mocniej przymykamy przysłonę, tym gorzej – dla wartości f/8 najmniejsza odległość między dwoma szczegółami wynosi 4 mikrometry. Tyle suche liczby. Przenieśmy to teraz na grunt rzeczywistości, czyli porównajmy do współczesnych konstrukcji. Na przykład Canon Powershot G7, należący do klasy kompaktów, ma matrycę o wymiarach 7,2×5,3 mm i rozdzielczości 10 milionów pikseli. Łatwo policzyć, że każda komórka światłoczuła na matrycy zajmuje obszar 1,9×1,9 mikrometra. Czyli, jak widać, obiektyw nie jest w stanie rzucać obrazu o jakości odpowiadającej rozdzielczości matrycy. W tym świetle matrycę o rozdzielczości 12 milionów pikseli, wyprodukowaną niedawno przez Sharpa, należy traktować jako strzał na wiwat – jej użycie w aparacie cyfrowym praktycznie nie ma sensu.
OSWAJANIE WROGA
Dyfrakcję można jednak zaprząc do pożytecznej pracy. Firma Canon wypuściła niedawno dwa obiektywy, w których zastosowano tzw. optykę dyfrakcyjną. Inżynierowie postanowili sprytnie ominąć jeden z największych problemów, z jakim borykają się optycy. Chodzi o tak zwane aberracje chromatyczne. Problem polega na tym, że kąt załamania światła przez soczewkę ściśle zależy od koloru tego światła. Najmocniej ugina się światło niebieskie, najsłabiej czerwone. W efekcie obraz rzucany przez soczewkę rozmywa się w tęczę, szczególnie dobrze widoczną na krawędziach przedmiotów
Inżynierowie Canona wykorzystali fakt, że w przypadku dyfrakcji zachodzi podobne zjawisko, tyle że w odwrotnej kolejności. Najmocniej ugina się światło czerwone, a najsłabiej niebieskie. Teoretycznie połączenie zjawiska załamania w szkle (refrakcji) i ugięcia na krawędzi przeszkody (dyfrakcji) powinno zniwelować tęczowe obwódki. W praktyce do niedawna trudno było wykonać wystarczająco precyzyjną siatkę dyfrakcyjną, czyli zespół koncentrycznych kręgów na powierzchni szkła. Jednak postęp technologiczny sprawił, że inżynierowie nauczyli się precyzyjnie układać metalowe struktury, zachowując dokładność rzędu kilkunastu nanometrów. I okazało się, że teoretyczny koncept działa w praktyce. Ogromną zaletą obiektywów dyfrakcyjnych są mniejsze rozmiary. Obiektyw typu zoom o ogniskowej 75–300 mm ma raptem 10 cm długości, podczas gdy tradycyjne szkło o dwa centymetry więcej.
PRZYKŁAD Z NIEBA
Naukowcami, którzy od wieków starają się pokonać wszelkie fizyczne ograniczenia przyrządów optycznych, są astronomowie. Aby ominąć problem aberracji chromatycznej, stosują lustra zamiast soczewek. Teleskop daje tym lepszy obraz, im większe ma zwierciadło, dlatego astronomowie robili wszystko, by powiększyć jego rozmiar. Dziś największe konstrukcje wykorzystują zwierciadła o średnicy 10 metrów. Jeszcze do niedawna największym kłopotem dla twórców luster były zniekształcenia. Te ogromne struktury musiały być wykonane z niebywałą dokładnością – lustro o średnicy metra poleruje się z dokładnością 20 nanometrów. Czyli gdyby powiększyć lustro do rozmiarów Polski, to największe odchylenie miałoby jakieś półtora centymetra. Nic dziwnego, że zakłócenia obrazu mogą powstać, gdy lustro na przykład nierównomiernie się nagrzeje albo ktoś mocniej tupnie. Dlatego – dla zapewnienia stabilności – zwierciadła szlifowane są w wielotonowych blokach metalu. To niepraktyczne podejście, a co więcej, okazało się, że lustra są już tak precyzyjne, że w jakości widzianego przez teleskop obrazu przeszkadza… wiatr.
Dlatego astronomowie zaczęli stosować coś, co nazywane jest optyką adaptacyjną. Generalnie chodzi o to, by korygować obraz w zależności od tego, jak wyglądają zniekształcenia wprowadzane przez ruchy powietrza. Zmiany w atmosferze śledzone są w bardzo prosty sposób – na niebie za pomocą lasera tworzona jest tzw. gwiazda referencyjna. Ponieważ dokładnie wiadomo, jak taki laserowy obiekt powinien wyglądać, wystarczy znaleźć różnice między wzorcem i rejestrowanym obrazem, a potem użyć ich do zniwelowania zniekształceń produkowanych przez powietrze. W podejściu droższym komputer zmienia geometrię lustra, które nie jest wycięte z wielotonowego bloku metalu, ale zrobione z cienkiej płachty przymocowanej do tysięcy siłowników nadających jej kształt. W tańszym obraz widziany przez teleskop korygowany jest przez komputer za pomocą specjalistycznego oprogramowania. To rozwiązanie ma również bardziej ziemskie zastosowanie. Istnieją programy, które potrafią „odwrócić” zniekształcenia produkowane przez konkretne obiektywy. Przykładem jest pakiet francuskiej firmy DXO, który ma pokaźną bazę danych aparatów i obiektywów. Na podstawie tych danych dokonuje korekt gotowych zdjęć.
SOCZEWKI W PŁYNIE
Doskonałym p
rzykładem optyki adaptacyjnej jest ludzkie oko. Także tu korekty dokonywane są na dwóch poziomach – sprzętowym i programowym. Korekty programowej dokonuje mózg do spółki z siatkówką oka. Sprzętowa sprowadza się do zmiany ogniskowej soczewki. Uwagę zwraca elegancja tego rozwiązania. W obiektywie wykonanym ze szklanych soczewek jedynym sposobem na zmianę ostrości jest przesunięcie ich względem siebie. W oku zmienia się po prostu kształt soczewki – nic się nie prz
esuwa. Pomysł ten skopiowali inżynierowie firmy Philips, produkując miniaturowe płynne soczewki. Kształt, jaki tworzy powierzchnia płynu, kontrolowany jest przez ładunek elektryczny. Precyzyjne modulowanie ładunku pozwala kontrolować ogniskową takiej soczewki. W zamyśle mają być one instalowane w telefonach komórkowych, gdzie cały moduł aparatu zajmuje bardzo mało miejsca i nie ma mowy o przesuwaniu jakichś elementów optycznych, by ustawić ostrość.
KROK W PRZYSZŁOŚĆ
Cyfrowa obróbka obrazów połączona z nietypowym spojrzeniem na optykę i konstrukcję aparatu pozwala osiągnąć zdumiewające efekty, czego doskonałym przykładem jest cyfrówka skonstruowana przez naukowców z amerykańskiego Stanford University. Przerobili oni zwykły aparat cyfrowy, umieszczając przed matrycą światłoczułą zestaw mikrosoczewek. Urządzenie to pozwala rejestrować nie tylko natężenie promieni świetlnych, ale również kąt, pod jakim wpadają do obiektywu. Powstający w ten sposób obraz wygląda dziwnie, ale gdy poddamy go obróbce komputerowej, efekty są zdumiewające: można płynnie kontrolować ostrość zdjęcia. I nie chodzi o tanie sztuczki komputerowe, lecz o wybór miejsca, na które nastawiany jest fokus.
W trakcie konwersji takiego zdjęcia do normalnej postaci możemy zadecydować, co ma być wyraźne – pierwszy plan czy może tło. Ostrość można regulować płynnie. Co więcej, w pewnym ograniczonym zakresie można również kontrolować kąt widzenia obiektywu, a nawet miejsce, z którego zrobione było zdjęcie. Nie ma jednak róży bez kolców. Aparat naukowców produkuje zdjęcia o niskiej rozdzielczości – raptem kilkaset tysięcy pikseli. Chociaż matryca wyjściowego aparatu Contax 645 miała kilka megapikseli, to dodatkowe informacje, jakie tworzy matryca mikrosoczewek, pożerają rozdzielczość aparatu. Ale i tak koncepcja robi ogromne wrażenie i kto wie, być może kiedyś znajdzie zastosowanie komercyjne. W końcu producenci nie mogą już chwalić się tylko liczbą megapikseli i muszą znaleźć nowy sposób na zaimponowanie klientowi.
Marcin Bójko