Soczewki asferyczne
Autor: Marcin PAWLAK
Soczewki asferyczne to jedno z modniejszych haseł, jakimi atakują nas producenci obiektywów i aparatów. Jeden, dwa, trzy, a nawet pięć elementów asferycznych – czy to rzeczywiście ma sens?
Szklany element zwany soczewką to nieodzowny element każdego współczesnego aparatu fotograficznego. Powierzchnia najprostszej do wykonania soczewki jest wycinkiem sfery. Jedną z wad takiego kształtu jest to, że promienie świetlne przechodzące przez zewnętrzną część soczewki ogniskowane są w innym punkcie, niż te przechodzące przez centrum soczewki. Wadę tę nazywamy aberracją sferyczną – powoduje ona powstawanie wokół ostro zarysowanych kształtów mglistej otoczki. Jest to efekt pożądany w wypadku obiektywów portretowych, jednak zazwyczaj oczekujemy po prostu ostrego obrazu.
| Promienie światła przechodzące przez zewnętrzne obszary soczewki sferycznej ogniskowane są w innym punkcie niż te przechodzące w pobliżu osi symetrii. Taką wadę nazywamy aberracją sferyczną. |
Tradycyjną metodą korygowania aberracji sferycznej jest stosowanie odpowiedniego układu soczewek skupiających i rozpraszających o przeciwnych kierunkach aberracji, dzięki czemu znoszą się one wzajemnie.
Sfera nie zawsze jest ideałem
Przez długi czas aberracja sferyczna była zmorą głównie astronomów. Po raz pierwszy została ona opisana już w 1611 roku przez znanego astronoma Jana Keplera, który równocześnie zaproponował rozwiązanie tego problemu poprzez zastosowanie soczewek o kształcie hiperboli.
342 lata temu, w 1667 Francis Smethwick zaprezentował na posiedzeniu The Royal Society (zaledwie 7 lat po założeniu szacownego Towarzystwa) teleskop zawierający cztery soczewki asferyczne, który został bardzo pozytywnie oceniony, a dwa lata później Christopher Wren zbudował urządzenie do szlifowania soczewek hiperbolicznych. Można przyjąć, że to wówczas kariera optyki asferycznej zaczęła się na dobre.
| Zastosowanie soczewki asferycznej, o krzywiźnie innej niż wycinek sfery, pozwala skorygować aberrację sferyczną. |
Od teleskopów do obiektywów
Ze względu na wysokie koszty wykonania, elementy asferyczne bardzo długo stosowane były tylko w instrumentach optycznych wysokiej klasy, jak teleskopy. Na ich pojawienie się w optyce fotograficznej trzeba było poczekać aż do lat sześćdziesiątych XX wieku.
W 1968 światło dzienne ujrzał OP Fisheye-NIKKOR 10 mm f/5.6. W obiektywie tym zastosowano dużą przednią soczewkę asferyczną, której zadaniem była zmiana sposobu projekcji na ortograficzną, zapewniającą równomierny rozkład światła w całym kadrze kosztem zwiększenia zniekształceń geometrycznych. Było to wysoce specjalistyczne szkło do zastosowań naukowych (zdjęcia nieba) i przemysłowych (pomiary rozkładu oświetlenia). Nieco później, bo w 1971 Canon zaprezentował pierwszy “normalny” obiektyw z soczewką asferyczną – FD 55 mm f/1.2AL.
Przez kolejnych kilkanaście lat soczewki asferyczne były elementem ekskluzywnym, charakterystycznym dla obiektywów najwyższej jakości – i najdroższych. Spowodowane było to zarówno wysokimi kosztami wytwarzania, jak i opracowywania konstrukcji optycznych z ich udziałem – obliczenia przebiegu promieni świetlnych są w ich wypadku bardzo skomplikowane.
Soczewki asferyczne dla każdego
Sytuacja zmieniła się w latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. Niezależni producenci optyki tacy jak Sigma czy Tamron zaczęli zasypywać rynek obiektywami z elementami asferycznymi. Zmiana ta spowodowana została opracowaniem nowych metod wytwarzania soczewek asferycznych, które pozwoliły na ich tanią i masową produkcję. Miało to bardzo daleko idące skutki. To właśnie dzięki elementom asferycznym dzisiejsze obiektywy są dużo mniejsze i lżejsze niż ich odpowiedniki sprzed kilkunastu lat – jedna soczewka asferyczna zwykle zastępuje układ dwóch-trzech elementów sferycznych. Ich zalety w obiektywach szerokokątnych są tak niepodważalne, że dziś coraz trudniej spotkać nowe zoomy, które nie są w nie wyposażone – zarówno te klasy amatorskiej, jak i profesjonalnej. Wystarczy zerknąć na ofertę Sigmy: na 30 obiektywów o zakresie szerokokątnym jedynie dwa nie zawierają elementów asferycznych. Ich zastosowanie stało się tak oczywiste, że na droższych szkłach producent nawet tego nie zaznacza, napis “Aspherical” pojawia się tylko na tańszych, amatorskich zoomach (a i to nie zawsze). Rekordziści, tacy jak 
| Dziś elementy asferyczne są powszechnie stosowane w szerokokątnych zoomach. Rekordziści, jak Sigma 28-70 mm F2.8 EX DG, mają nawet cztery elementy asferyczne. |
Jedynie w obiektywach długoogniskowych elementy asferyczne można spotkać rzadziej, ale to dlatego, że nie zawsze są przydatne. W wypadku pozostałych producentów sytuacja wygląda podobnie.
Pod względem kosztów wytwarzania optyki asferycznej sytuacja odwróciła się zupełnie. Dziś soczewki takie zwykle stosuje się, bo tak jest taniej: można wyprodukować bardzo dobry obiektyw niższym kosztem lub bardzo tanie szkło o przyzwoitych parametrach.
Wszystko jest możliwe
Tanie elementy asferyczne spowodowały również rewolucję na rynku aparatów kompaktowych. Dzięki nim możliwe stało się budowanie małych i zwartych układów optycznych, które jednocześnie imponują parametrami – dziś dziesięciokrotny zoom optyczny nie jest już niczym zaskakującym, nawet gdy mieści się w aparacie tak niewielkim, jak Panasonic TZ3. W zasadzie nie sposób dziś kupić aparat, który pozbawiony byłby soczewek asferycznych. Tu też znaleźć można rekordzistów: w Panasonicu FX30 na siedem soczewek aż pięć jest asferycznych, przy czym jedna ma obie powierzchnie nie będące wycinkiem sfery. Dzięki temu szerokokątny obiektyw można było “upchnąć” w wyjątkowo płaskiej obudowie.
| Dzisiejsze aparaty kompaktowe niemal bez wyjątku wykorzystują soczewki asferyczne. Rekordziści, jak Panasonic FX30 mają ich nawet pięć. |
Chociaż wprowadzenie elementów asferycznych do budowy obiektywów miało przede wszystkim służyć usunięciu aberracji sferycznej, ich zastosowanie jest dużo szersze. W ultraszerokokątnych obiektywach służą do korekty zniekształceń, pozwalają również modyfikować sposób projekcji obrazu, tak jak miało to miejsce we wspomnianym OP Nikkorze Fisheye. Przy okazji korygowania aberracji sferycznej pozwalają też w dużej mierze pozbyć się problemów z inną wadą obrazu – komą. Objawia się ona w ten sposób, że punkty leżące w pobliżu brzegów kadru widoczne są z dodatkowym “ogonkiem”, przypominającym ogon komety. Na wystąpienie tej wady szczególnie narażone są jasne obiektywy szerokokątne, takie jak np. Sigma 20 mm F1.8 EX Aspherical DG DF RF, dlatego w ich budowie powszechnie stosuje się dziś elementy asferyczne.
Mimo swej niewątpliwej użyteczności, elementy asferyczne stały się jednym z elementów walki marketingowej producentów. Tymczasem trzeba pamiętać, że do lat dziewięćdziesiątych wykonano miliony wyśmienitych zdjęć obiektywami pozbawionymi takich elementów. Jeśli zadowoleni jesteśmy z posiadanej optyki, nie ma najmniejszego powodu, by wymieniać ją na nowszą z elementami asferycznymi. Jeśli zaś kupujemy nowy obiektyw, to pomijając najtańsze konstrukcje możemy być pewni, że zastosowano soczewki asferyczne – jeśli było to konieczne. Równocześnie, samo zastosowanie takich elementów nie gwarantuje, że uzyskany obraz będzie lepszy, chociaż sam obiektyw zapewne będzie mniejszy, lżejszy i być może tańszy. Tak samo nie ma się co sugerować ich liczbą – koszt produkcji elementów asferycznych jest dziś na tyle niewielki, że producent może zastosować ich tyle, ile potrzeba.
Sposoby wytwarzania
Jak już wspomnieliśmy, soczewki asferyczne jeszcze do niedawna były bardzo kosztowne w produkcji. Wynikało to z konieczności wyszlifowania ich do ściśle wyliczonego kształtu. Stopniowo producenci udoskonalali ten proces tak, aby można było stosować go na coraz większą skalę. Dodatkowo pojawiły się nowe metody wytwarzania, które pozwoliły na masową i tanią produkcję elementów asferycznych.
Szlifowanie to najstarsza technika wytwarzania elementów asferycznych. Dziś wykorzystuje się w niej cyfrowo sterowane obrabiarki, w których odpowiednie czujniki na bieżąco kontrolują przebieg procesu, porównując kształt soczewki z zapisanym cyfrowo wzorcem.
Technika ta pozwala na precyzyjne kształtowanie dużych elementów, dlatego w ten sposób wykonuje się duże soczewki stosowane w drogich obiektywach. Ograniczeniem jest fakt, że maszyna szlifująca może obrabiać tylko jedną soczewkę na raz. W ten sam sposób modelowane są sztance wykorzystywane w innych technologiach produkcji elementów asferycznych.
Tłoczenie polega na formowaniu szklanych elementów w wysokiej temperaturze i pod dużym ciśnieniem za pomocą asferycznie uformowanych sztanc. Technologia pierwotnie stosowane do produkcji elementów o niewielkiej średnicy, dziś wykorzystywana również do wykonywania większych soczewek.
| Soczewki hybrydowe to najpularniejsza dziś odmiana elementów asferycznych |
Soczewki hybrydowe powstają poprzez naniesienie na powierzchnię szklanej soczewki polimerowej nakładki, która formowana jest przez asferyczny wzorzec i utwardzana promieniowaniem UV.
