Tại sao ống kính khẩu độ nhanh có thể có nhiều quang sai hơn

Hiểu về quang sai

Quang sai là những khiếm khuyết trong cách ống kính hội tụ ánh sáng, dẫn đến hiện tượng méo hình và giảm chất lượng hình ảnh. Những quang sai này phát sinh do ống kính, đặc biệt là ống kính đơn giản, không thể hội tụ hoàn hảo các tia sáng từ các phần khác nhau của ống kính vào một điểm duy nhất. Một số loại quang sai thường gặp ở ống kính và mức độ nghiêm trọng của chúng có thể khác nhau tùy thuộc vào thiết kế và khẩu độ của ống kính.

• Quang sai cầu: Hiện tượng này xảy ra khi các tia sáng đi qua các cạnh của thấu kính hội tụ tại một điểm khác với các tia đi qua tâm, dẫn đến hình ảnh bị mờ.
• Quang sai màu: Các bước sóng ánh sáng (màu sắc) khác nhau được khúc xạ khác nhau bởi thấu kính, khiến chúng hội tụ tại các điểm khác nhau. Điều này dẫn đến viền màu xung quanh các vùng có độ tương phản cao.
• Coma: Các nguồn sáng điểm lệch trục xuất hiện dưới dạng hình dạng giống sao chổi thay vì các điểm sắc nét. Độ quang sai này tăng dần về phía các cạnh của hình ảnh.
• Loạn thị: Các đường ngang và dọc hội tụ tại các điểm khác nhau, khiến hình ảnh bị mờ theo một số hướng nhất định.
• Biến dạng: Các đường thẳng xuất hiện cong trong hình ảnh. Biến dạng hình thùng làm cho các đường thẳng phình ra ngoài, trong khi biến dạng hình gối làm cho chúng cong vào trong.

Những thách thức trong việc thiết kế ống kính khẩu độ nhanh

Thiết kế ống kính có khẩu độ rộng (số f thấp) đặt ra những thách thức đáng kể. Khẩu độ lớn hơn có nghĩa là các tia sáng đi vào ống kính ở góc rộng hơn, khiến việc lấy nét chính xác trở nên khó khăn hơn. Sau đây là phân tích các yếu tố chính:

Góc Rộng Hơn Của Sự Xâm Nhập

Các tia sáng đi vào thấu kính ở góc rộng hơn dễ bị quang sai hơn. Tia càng xa trục quang học thì càng lệch khỏi hành vi lý tưởng. Độ lệch tăng này làm trầm trọng thêm quang sai cầu, coma và loạn thị. Việc hiệu chỉnh các quang sai này đòi hỏi thiết kế thấu kính phức tạp hơn.

Tăng cường thu thập ánh sáng

Trong khi khẩu độ lớn hơn cho phép nhiều ánh sáng đi vào ống kính hơn, thì nó cũng có nghĩa là nhiều ánh sáng bất thường hơn đang được thu thập. Điều này có thể làm giảm khả năng tạo ra hình ảnh sắc nét, rõ ràng của ống kính. Việc thu thập ánh sáng tăng lên sẽ khuếch đại các hiệu ứng của bất kỳ quang sai nào hiện có.

Độ phức tạp của các thành phần thấu kính

Để giảm thiểu quang sai trong ống kính khẩu độ nhanh, các nhà sản xuất thường sử dụng thiết kế ống kính phức tạp với nhiều thành phần. Các thành phần này được định hình và định vị cẩn thận để chống lại hiệu ứng quang sai. Tuy nhiên, việc thêm nhiều thành phần hơn sẽ làm tăng chi phí và độ phức tạp của ống kính.

Cân nhắc về vật liệu

Việc lựa chọn vật liệu kính cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hiệu chỉnh quang sai. Các loại kính khác nhau có chỉ số khúc xạ và đặc điểm phân tán khác nhau. Bằng cách kết hợp các loại kính khác nhau, các nhà thiết kế ống kính có thể giảm thiểu quang sai màu và các loại quang sai khác. Các loại kính chuyên dụng, chẳng hạn như kính phân tán cực thấp (ED), thường được sử dụng trong các ống kính chất lượng cao.

Kỹ thuật hiệu chỉnh quang sai

Các nhà thiết kế ống kính sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để giảm thiểu quang sai trong ống kính khẩu độ nhanh. Các kỹ thuật này thường liên quan đến sự đánh đổi, cân bằng chất lượng hình ảnh, chi phí và kích thước.

• Các thành phần phi cầu: Các thành phần này có bề mặt không phải hình cầu giúp hiệu chỉnh quang sai cầu và coma. Các thành phần phi cầu đắt hơn để sản xuất so với các thành phần hình cầu nhưng có thể cải thiện đáng kể chất lượng hình ảnh.
• Kính phân tán cực thấp (ED): Kính ED có độ phân tán thấp hơn kính thông thường, giúp giảm quang sai màu. Kính ED thường được sử dụng trong các thấu kính chất lượng cao để cải thiện độ chính xác và độ sắc nét của màu sắc.
• Các thành phần nổi: Các thành phần này di chuyển độc lập với các thành phần khác trong ống kính trong quá trình lấy nét. Điều này giúp duy trì chất lượng hình ảnh ở các khoảng cách lấy nét khác nhau.
• Thiết kế Apochromatic: Tròng kính Apochromatic được thiết kế để hiệu chỉnh quang sai màu cho ba bước sóng ánh sáng (đỏ, xanh lá cây và xanh lam), mang lại độ chính xác màu sắc thậm chí còn tốt hơn.

Những sự đánh đổi liên quan

Thiết kế ống kính khẩu độ nhanh là một hành động cân bằng. Các nhà thiết kế ống kính phải cân nhắc lợi ích của khẩu độ rộng so với khả năng tăng quang sai. Sau đây là một số sự đánh đổi phổ biến:

• Chất lượng hình ảnh so với khẩu độ: Khẩu độ rộng hơn cho phép thu thập nhiều ánh sáng hơn và có độ sâu trường ảnh nông hơn, nhưng cũng có thể dẫn đến tăng quang sai.
• Chi phí so với Hiệu suất: Thiết kế ống kính phức tạp hơn với các thành phần phi cầu và kính ED có thể giảm quang sai nhưng cũng làm tăng chi phí của ống kính.
• Kích thước và trọng lượng so với hiệu suất: Việc thêm nhiều thấu kính để hiệu chỉnh quang sai có thể làm tăng kích thước và trọng lượng của ống kính.

Cuối cùng, thiết kế ống kính tốt nhất là sự thỏa hiệp cân bằng các yếu tố này để đạt được chất lượng hình ảnh và đặc điểm hiệu suất mong muốn. Các nhà sản xuất ống kính thường ưu tiên một số khía cạnh nhất định của chất lượng hình ảnh, chẳng hạn như độ sắc nét hoặc độ chính xác màu sắc, tùy thuộc vào mục đích sử dụng ống kính.

Việc theo đuổi khẩu độ rộng hơn thường có nghĩa là chấp nhận một mức độ quang sai nhất định hoặc đầu tư vào các thiết kế ống kính phức tạp và đắt tiền hơn để giảm thiểu chúng. Hiểu được những sự đánh đổi này là rất quan trọng đối với các nhiếp ảnh gia khi lựa chọn ống kính cho nhu cầu cụ thể của họ.