Ten oraz następny odcinek przygód z Nikkorami poświęcimy na przedstawienie najważniejszych rozwiązań technicznych, które umożliwiły Nippon Kogaku, a później Nikonowi budowę coraz bardziej różnorodnych i coraz lepszych obiektywów. Cześć udogodnień miało charakter mechaniczny, część optyczny.

W tym miejscu trzeba sobie zdać sprawę, że projektowanie każdego rodzaju układów optycznych (jak z resztą każde projektowanie) stawia przed konstruktorem wiele znaków zapytania. Do czego ma służyć obiektyw? Jakie parametry obrazu muszą być utrzymane? Kto go będzie używał? Jak często i w jakich warunkach? Jaka jest maksymalna cena obiektywu, przy której jego produkcja będzie rentowna? Do lat pięćdziesiątych ubiegłego stulecia podstawowymi kryteriami przy projektowaniu obiektywów były kąt widzenia (czyli w praktyce ogniskowa) oraz otwór względny. Te parametry wymuszały taki a nie inny układ optyczny a utrzymanie pewnej równowagi między różnego rodzaju aberracjami wymagało stosowania pojedynczych soczewek, dubletów i trypletów. Projektant miał również do wyboru szkło optyczne o różnym współczynniku załamania. Poprzez odpowiedni dobór średnic i promieni krzywizn powierzchni soczewek, gatunku szkła oraz ułożenia grup optycznych na osi, powstawał układ optyczny spełniający (lepiej lub gorzej) założenia przyjęte jako podstawa projektowania obiektywu.

Schemat budowy obiektywu AF-NIKKOR 24 mm f/2.8D wyposażonego w korekcję bliskiego zakresu CRC. Zaznaczone są dwie grupy soczewek, które mogą poruszać się niezależnie w celu uzyskania ostrości.

Jednym z głównych problemów układów optycznych jest inna jakość obrazów otrzymana dla przedmiotów leżących w nieskończoności oraz inna – zazwyczaj gorsza – dla leżących stosunkowo blisko. Wynika to z założenia, że w zdecydowanej większości przypadków fotografuje się przedmioty odległe a więc układ optyczny „obliczony jest” dla przedmiotu w nieskończoności. Ale nie zawsze tak jest: wczesne Micro-Nikkory obliczone były dla małych odległości przedmiotowych. Początkowo problem rozwiązywano w mało elegancki sposób - poprzez sztuczne ograniczenie możliwości ogniskowania dla małych odległości. Przełom nastąpił w roku 1967, kiedy to powstał Nikkor-N 24 mm f/2.8 – pierwszy obiektyw wyposażony w CRC, czyli Close Range Correction. Dzięki korekcji bliskiego zakresu, obiektyw utrzymuje stałą, wysoką jakość odwzorowania dla każdej odległości przedmiotowej. Jak to działa? Najpierw koryguje się układ optyczny dla przedmiotu znajdującego się w nieskończoności. Następnie sprawdzane jest, jak zachowuje się ten układ dla małych odległości przedmiotowych np. rzędu 0,5 m. W szczególności bada się zachowanie optyki, gdy np. jedna z grup soczewek (zwykle ostatnia) przesuwana jest wzdłuż osi optycznej. Okazuje się, że minimalne przesunięcie tylnej grupy potrafi znacząco wpłynąć na jakość obrazu. Następnie projektowany jest oddzielny helikoid, który podczas ogniskowania obiektywu dba o odpowiednie położenia tylnej grupy. Na przykład w Nikkorze 85 mm f/1.4 podczas ogniskowania od nieskończoności do minimalnej odległości 0,85 m, tylna soczewka odsuwana jest aż o 4 mm od pozostałych elementów optycznych. Im krótsza ogniskowa obiektywu, tym mniejsze jest przesunięcie korygujące w ramach CRC. W ten sposób – bez udziału (a często i bez wiedzy) fotografującego – obiektyw zawsze daje możliwie najlepsze odwzorowanie optyczne. Technologia ta stosowana jest we wszystkich stałoogniskowych Nikkorach szerokokątnych o ogniskowej poniżej 28 mm oraz w jasnym Nikkorze 35 mm f/1.4, a także w równie jasnym, wspomnianym wyżej Nikkorze 85 mm f/1.4. Ponadto ma zastosowanie we wszystkich Micro-Nikkorach oraz wielu Zoom-Nikkorach.

----- R E K L A M A -----

UNIKALNE OFERTY Z KOMISU E-OKO!

Canon R6

5999 zł

Sony A7 III

4998 zł

Samyang 24-70/2.8 AF FE

2398 zł

Fujifilm GFX 50R

8999 zł

Kupujemy używany sprzęt za gotówkę. Raty 0%!

Soczewka asferyczna

Kolejnym krokiem w stronę poprawy odwzorowania układów optycznych było wprowadzenie soczewek asferycznych. Pierwszą taką konstrukcją Nippon Kogaku był zbudowany w 1968 r. Fish-eye Nikkor 10 mm f/5.6 OP. W obiektywie tym pierwsza powierzchnia optyczna (mówiąc po polsku: zewnętrzna powierzchnia przedniej soczewki) ma powierzchnię asferyczną. Oznacza to, że – w odróżnieniu od soczewek sferycznych - nie jest to fragment powierzchni kulistej. Dzięki zastosowaniu takiej soczewki udało się stosunkowo prosto skorygować kilka aberracji oraz osiągnięto projekcję ortoskopową, niezwykle trudną do zrealizowania w układach sferycznych. Problem z soczewkami asferycznymi polega na tym, że proces ich szlifowania tylko do pewnego momentu jest taki sam, jak dla soczewek sferycznych, końcowy etap szlifowania wykonywany był ręcznie przez mistrza optycznego! Również proces polerowania był nieco bardziej skomplikowany. To jeszcze nie koniec problemów – okazuje się, że soczewka asferyczna wymaga znacznie precyzyjniejszego wyjustowania na osi optycznej, niż ma to miejsce w przypadku zwykłych soczewek.

Innym bardzo znanym Nikkorem asferycznym był Noct-Nikkor 58 mm f/1.2. W jego przypadku asferyczna jest również pierwsza powierzchnia optyczna, a jej zastosowanie umożliwiło praktycznie całkowite usunięcie komy – aberracji bardzo dotkliwej przy jasnych układach optycznych. Dzięki temu sławny „Noct” daje znacznie ostrzejsze i bardziej kontrastowe obrazy niż bliźniaczy sferyczny standard 50 mm f/1.2. Ale i cena za „Noct-Nikkora” była ponad trzykrotnie wyższa niż za jego sferycznego kuzyna. Asferyczne powierzchnie w układach optycznych Nikona rozpowszechniły się na dobre, gdy opanowano technologię wytwarzania soczewek hybrydowych – na jedną z powierzchni soczewki sferycznej naklejany jest asferyczny element ze specjalnego optycznego tworzywa sztucznego. Ponieważ element ten jest formowany poprzez odlewanie, koszty produkcji są znacznie mniejsze przy jednocześnie bardzo wysokiej powtarzalności. Pierwszym obiektywem z taką soczewką hybrydową był AF-Zoom Nikkor 28-70 mm f/3.5-4.5.

PGM -Precision Glass Mold to technologia wytwarzania soczewek asferycznych poprzez mechaniczne kształtowanie rozgrzanego szkła.

PAG (Plastics on Aspherical Glass) to technologia wytwarzania soczewek asferycznych poprzez naklejanie na szkło tworzywa sztucznego.

Niezwykłe działanie soczewek asferyczych polega na tym, że środkowa część soczewki ma minimalnie inną ogniskową niż partie brzegowe. Taka soczewka spełnia tzw. równanie soczewki nie tylko dla promieni przyosiowych, ale również dla peryferyjnych. Dzięki temu nie wprowadza ona aberracji sferycznej, a dodatkowo umożliwia usunięcie innych wad, jak koma czy dystrorsja.

Kolejnym udogodnieniem, spotykanym zarówno w optyce stało- jak i zmiennoogniskowej jest wewnętrzne ogniskowanie, określane przez Nikona skrótem IF (Internal Focusing). Wewnętrzne ogniskowanie po raz pierwszy zastosowane zostało przez Nikona w 1976 r., wraz z debiutem superteleobiektywu Nikkor 300 mm f/2,8 IF-ED. Ale po kolei. W obiektywach o tradycyjnej konstrukcji, wszystkie grupy optyczne oprawione są w metalowy tubus, a ogniskowanie odbywa się poprzez oddalanie i przybliżanie tego tubusa do płaszczyzny filmu (lub przetwornika obrazowego). Ruch ten realizowany jest poprzez tzw. helikoid – przekładnię, której cześć zewnętrzną stanowi obracający się pierścień ostrości, a część wewnętrzna może wykonywać ruch przód-tył. Z równania soczewki wynika, że przy stałej ogniskowej, wzrost odległości przedmiotowej powoduje spadek odległości obrazowej – to dlatego każdy obiektyw bez IF ustawiony na nieskończoność (duża odległość przedmiotowa) jest najkrótszy (najmniejsza odległość obrazowa), zaś podczas ogniskowania w stronę małych odległości tubus z optyką wysuwa się do przodu. Takie rozwiązanie niesie ze sobą dwa problemy: po pierwsze, długoogniskowe teleobiektywy o dużym otworze względnym mają soczewki stosunkowo dużej średnicy, a więc tubus optyczny jest ciężki. Aby go sprawnie przesuwać, potrzebna jest dość duża siła do obrotu pierścienia ostrości. Po drugie – by obiektyw długoogniskowy mógł dać ostry obraz przedmiotu w stosunkowo małej odległości (np. 3 m. dla obiektywu 300 mm) koniecznie jest bardzo silne wysunięcie optyki do przodu. To z kolei mocno komplikuje budowę samego helikoidu. Dla odmiany krótki helikoid nie pozwala „podejść z ostrością” wystarczająco blisko. To właśnie dlatego pierwszy Nikkor 800 mm f/8 bez wewnętrznego ogniskowania umożliwiał ustawienie ostrości dopiero od 20 metrów!

Zasada działania mechanizmu wewnętrznego ogniskowania (IF)

Idea wewnętrznego ogniskowania jest równie prosta, co genialna: zamiast przesuwać cały obiektyw, zmieńmy jego ogniskową tak, by ostry obraz znalazł się w płaszczyźnie filmu. Z optyki wiadomo, że ogniskowa układu dwóch soczewek zależy od ogniskowych tych soczewek oraz od ich odległości. Najprostszą metodą na zmianę ogniskowej jest przesunięcie jednej z soczewek! Dokładnie ta sama zasada stosuje się do większej ilości grup optycznych – poprzez ruch zaledwie kilku (a czasami tylko jednej) grup optycznych jest możliwość zmiany ogniskowej obiektywu. W ten sposób równanie soczewki zostanie spełnione na nieco innej zasadzie: dla zadanych odległości przedmiotowej i obrazowej, dobrana będzie ogniskowa obiektywu! I to wszystko. Tak więc każdy obiektyw IF to w pewnym sensie zoom, z tą różnicą, że fotografujący nie ma wpływu na ogniskową... Nominalna ogniskowa: 135 mm, 180 mm, 300 mm itd. Obowiązuje, gdy ostrość ustawiona jest na nieskończoność. O ile zmienia się ogniskowa podczas ogniskowania? Łatwo to wydedukować ze skal ostrości Micro-Nikkorów. Np. pokazany na zdjęciu w poprzednim odcinku Micro-Nikkor 60 mm f/2.8 osiąga skalę odwzorowania 1:1 przy odległości zdjęciowej 21,9 cm. Osoby bardziej biegłe w optyce zauważą, że przy skali 1:1 obiektyw jest dokładnie w połowie odległości między obrazem i przedmiotem, a każda z tych odległości równa się podwójnej ogniskowej. Oznacza to, że wspomniany „mikrus” po ustawieniu otrości na 21,9 cm ma ogniskową 219 : 4 = 54,75 mm - skrócenie ogniskowej o ponad 5 mm. Z kolei Micro-Nikkor 200 mm f/4 przy skali 1:1 ogniskuje przy odległości 50 cm, a więc ogniskowa skraca się znacznie z 200 mm do 125 mm!

Jakie zalety ma wewnętrzne ogniskowanie? Przede wszystkim umożliwia ustawienie ostrości od stosunkowo niewielkich odległości – zwykle nie więcej niż 10 ogniskowych. Dla przykładu Nikkor 300 mm f/4 ogniskuje od 4 m, podczas gdy jego nowocześniejszy odpowiednik z wewnętrznym ogniskowaniem już od 2,5 m! Te dodatkowe 1,5 to dla wielu być albo nie być. Kolejna ważna zaleta: ponieważ do ustawiania ostrości wymagany jest ruch niewielu małych (a więc lekkich!) soczewek, obiektywy IF bardzo szybko ogniskują w trybie AF, nie obciążając zbytnio silnika ani jego zasilania. Nie ma w tym przesady, że bez IF nie byłoby długoogniskowego AF! Kolejna, choć mniej ważna zaleta – przednia soczewka jest nieruchoma i nie obraca się, łatwiej więc taki obiektyw wyważyć na statywie i korzystać z filtrów połówkowych i polaryzujących.

Zasada działania mechanizmu tylnego ogniskowania (RF)

Pewną odmianą wewnętrznego ogniskowania jest RF (Rear Focusing) – czyli ogniskowanie tylną grupą. Rozwiązanie techniczne jest zupełnie analogiczne do IF, a pierwszym takim obiektywem Nikona był AF-Nikkor 85 mm f/1.8. Z kolei AF-Zoom Nikkor 70-210 mm f/4 ogniskuje poprzez ruch jedynie przedniej grupy, choć Nikon nigdzie nie wspomina o tym rozwiązaniu. Celem było oczywiście przyśpieszenie automatycznego ustawiania ostrości. Co znaczy duży zoom bez IF wiedzą posiadacze Zoom-Nikkora 80-200 mm f/2.8, gdzie ruch całej optyki przenosi się na drgania całego obiektywu.

Za tydzień dalsze dobrodziejstwa optyki Nikona: soczewki o niskiej dyspersji, redukcja drgań, powłoki antyodbiciowe oraz inne ciekawostki z wnętrza Nikkorów.

Informacje na temat produktów firmyNikon znajdują się na stronie www.nikon.pl.

Zapraszamy do lektury kolejnego artykułu z cyklu - "75 lat marki Nikkor – ED, VR, Nanocoat, czyli Nikkory od kuchni cz. 2".

O autorze:
Marcin Górko (ur. w 1971 r.) - absolwent Politechniki Łódzkiej oraz dyplomowany instruktor fotografii. Pierwszy poważny kontakt z optyką miał w 1988 r., kiedy zaczął interesować się astronomią. Rok 1993 to początek jego przygody ze sprzętem fotograficznym firmy Nikon. W tym samym roku nawiązał współpracę z czasopismem "Foto Kurier". Autor pierwszego w Polsce kompendium na temat sprzętu fotograficznego Nikon "System Nikona". Od 2005 r. współpracownik Nikon Polska, gdzie zajmuje się głównie sprzętem Sport Optics. Współautor wydanej przez Nikon Polska książki "Radość Fotografowania".