Mikä on polttoväli, zoom yms.?

Digijärjestelmäkameroiden halventuessa ja yleistyessä, pääsevät 'tavallisetkin' valokuvaajat käyttämään vaihdettavia objektiiveja. Keskeisin tekijä objektiivissa on polttoväli. Tällä sivulla yritetään kertoa perusteita kameraoptiikan polttovälistä. Sinänsä tämän sivun sisältö ei ole suoraan digikamerakeskeistä. Kun sivulla esiintyy sana 'kenno', niin sen voi korvata sanalla 'filmi'.

Optiikkaa on esitelty tarkemmin tässä artikkelissani: Optiikkaa valokuvaajille

Perusteet

Jos filmillä tai digikameran kennolla vain osoitetaan johonkin suuntaan, niin sille ei muodostu kuvaa siitä suunnasta. Kohteista lähtee valoa joka suuntaan - kenno saa kaikkiin pisteisiinsä kohteen kaikkien pisteiden kuvat.

Jotta kameran filmille tai kennolle saataisiin muodostumaan kuva, pitää kustakin kohteen pisteestä ohjata vain yksi kuva kennolle. Yksinkertaisimmillaan tämä onnistuu ns. neulareikäkameralla. Tällöin on kennon eteen tehty yksi pieni reikä, joka kohdistaa kohteesta yhden pisteen yhdelle kennon pisteelle.

Neulareikäkameran ongelma on se, että reiän kautta tulee hyvin vähän valoa ja syntyvä kuva on himmeä. Optinen linssi ratkaisee tämän ongelman. Kupera linssi kerää valoa koko linssin alalta ja sen muoto keskittää sille tulevat yhdensuuntaiset valonsäteet ikään kuin yhden pisteen kautta kennolle. Tätä pistettä kutsutaan linssin polttopisteeksi ja pisteen etäisyyttä linssin keskitasolle polttoväliksi (f). Polttoväliä mitataan useimmiten millimetreinä (mm). Mitä pienempi polttoväli, sitä enemmän linssi kääntää valoa.

Objektiivi

Nykyisissä kameroissa on harvoin enää yksi ainoa linssi, vaan toisaalta virheettömän kuvan muodostamisekseksi ja optisten rajotteiden kiertämiseksi käytetään useampaa perättäistä linssiä. Tätä linssistöä kutsutaan objektiiviksi.

Yksittäinen pallopintainen linssi ei ole optimaalinen. Sen keskiosa taittaa kyllä valon varsin oikein, mutta reuna-alueiden taittama valo ei osukaan polttopisteeseen. Lisäksi eri värinen valo taittuu eri kulmassa ja aiheuttaa kohteen reunoille värivirheitä.

Yksi tapa korjata virheitä on hioa linssit hiukan poikkeavasti reuna-alueiltaan. Tätä kutsutaan asfääriseksi linssiksi. Värivirheitä taas poistetaan käyttämällä useita eri tavoin eri värejä taivuttavia linssejä peräkkäin. Korjausta kutsutaan apokromaattiseksi.

Objektiivilläkin on kokonaispolttoväli, mutta taso, josta tämä mitataan ei ole välttämättä minkään linssin kohdalla ja se voi olla jopa objektiivin edessä tai takana.

Esimerkiksi peilietsinkameraan tarkoitettujen laajakulmien polttoväli on niin lyhyt, ettei peili pystyisi enää kääntymään objektiivin takalinssin ja tarkennustason välissä, jollei objektiivia rakennettaisi ns. retrofocus -menetelmällä. Tällöin varsinaisen keräävän linssin eteen sijoitetaan hajoittava linssi keräämään valoa suuremmasta kuvakulmasta. Valitettavasti tämä lisää laajakulmaobjektiivin kokoa, monimutkaistaa rakennetta ja kasvattaa hintaa.

Suuripolttovälisistä telelinsseistä taas tulisi huomattavan pitkiä ja raskaita, jollei niissä käytettäisi retrofocusta käänteisesti. Etulinssi toimii valoa keräävänä osana ja sen takana oleva hajoittava linssi aiheuttaa todellisen polttovälin pitenemisen. Näin objektiivin todellinen koko voi olla jopa puolet polttovälistä

Useamman linssin yhteenliittäminen ja taitekorjausten teko ei ole aivan helppoa. Kokeilemalla tai käsin laskemalla laadukkaan objektiivin suunnittelu oli hidasta. Nykyään tietokonesimulointi on helpottanut asiaa.

Polttovälin merkitys

Polttoväli ei kerro objektiivin fyysistä pituutta, eikä se kerro, miten lähelle kamera tarkentuu.

Kameroissa polttoväli useimmiten kuvaa sitä, miten paljon kuva 'suurentuu'. Ns. teleobjektiivilla saadaan kauempana oleva kohde kuvattuna suurena ja taas ns. laajakulmalla (wide angle) saadaan laaja sektori kuvattua samaan kuvaan.

Kameran polttoväli ei kuitenkaan ole kuvan 'suurennos' kuten esim. kiikareissa. Parempi tapa hahmottaa kameran polttoväliä on ajatella kuinka leveän alueen objektiivi kuvaa kameran kennolle. Mitä kapeamman alueen tuo kuva esittää, tavallaan sitä suurempana kuvassa olevat kohteet näkyvät kuvan kokoon nähden.

Summittainen kaava kuvattavan alueen leveydelle (kun kuvataan suhteellisen etäälle) on:

kuvattavan alueen leveys = etäisyys * (kennon leveys / polttoväli)

Esimerkiksi: kuvataan kinokokoisella kennolla, jolloin kennon leveys on 35 mm. Jos objektiivin polttoväli on 100 mm, niin silloin 10 metrin päästä voidaan kuvata 10 m * (35/100) = 3.5 metriä leveä kuva-ala.

Kaavasta voikin päätellä, että jos polttoväli on sama kuin kennon leveys, niin kuvattava kuva-alue on yhtä leveä kuin etäisyys siihen. Jos polttoväli on isompi kuin kenno, niin puhutaankin telestä ja jos pienempi niin laajakulmasta.

Kennon koon merkitys

Polttovälin vaikutus riippuu myös siitä, miten suurelle filmille tai kennolle kuvataan. Yleisin filmikoko nykyään on ns. kinofilmi joka on n. 35 mm leveätä. Tälläiselle filmille kuvatessa laajakulmia ovat tyypillisesti polttoväliltään alle 30 mm ja telet taas 70-500 mm. Näiden välissä on 35-50 mm ns. normaaliobjektiivi.

Kuluttajadigikameroissa filmiä vastaava kenno on 5-10 mm leveä. Tämä tarkoittaa, että saman kuva-alaa esittävien kuvien aikaansaamiseksi tarvitaan polttoväliltään pienempiä linssejä kuin kinokameroilla. Esim. 6 mm laajakulma tai 15 mm pieni tele.

Usein kameroiden teknisissä tiedoissa kuitenkin esitetään objektiivin vastaavuus 35mm kinofilmikoolla. Näin aiemmin filmille kuvanneet saavat helpommin näkemyksen kameran objektiivin ulottuvuuksista.

Järjestelmäkameroissa puhutaan usein ns. polttoväli- tai rajauskertoimesta (focal length multiplier) Kun käytetyn objektiivin polttoväli kerrotaan tällä luvulla, saadaan todellista kuvakulmaa vastaava kinopolttoväli. Tyypilliset polttovälikertoimet digijärjestelmäkameroissa ovat luokkaa 1-2. Jos halutaan laskea kuvattavan kuva-alan leveys, niin voidaan käyttää näitä kinofilmiverrannollisia polttovälejä ja kennon leveytenä 35 mm

On kuitenkin huomattava, että edelleen todellinen polttoväli määrää syväterävyyden käyttäytymistä.

Zoom-objektiivi ja digitaalinen zoom.

Zoom-objektiiviksi kutsutaan kameran linssistöä, jonka polttoväliä voi muuttaa portaattomasti arvosta toiseen. Tämä toteutetaan muuttamalla objektiivissa olevien linssien paikkoja toisiinsa ja kennoon nähden.

Zoomia usein kuvataan kertoimella, joka kertoo polttovälin ääriarvojen suhteen ja samalla 'suurennussuhteen' ääripäiden välillä. Tyypillinen zoom voisi olla 35-100 mm, jolloin zoomin kerroin on 3x. Zoom-kerroin ei ole myöskään sama kuin suurennos, se vain kertoo miten suuren muutoksen polttoväleissä voi saada aikaan.

Optisella zoom-objektiivilla voidaan siis siirtyä portaattomasti ikään kuin lähempää kauemmaksi.Koska koko kameran kennoa kuitenkin käytetään, kuvassa on kokoajan yhtä paljon pikseleitä. Hyvä, laadukas ja pitkä optinen zoom 'lisää' kuvan pikseleitä paremmin kuin pikseleiden lisääminen kennoon. Nykyään onkin saatavilla jo jopa 12x-zoomeja (esim. 30-360 mm).

Digitaalinen zoom on oikeastaan kuvan rajausta. Kuvasta rajataan reunoilta pikseleitä pois ja kohde keskellä voidaan esittää 'isompana'. Eli varsinaisesta kohteesta ei kuvaudu yhtään enempää pikseleitä ja yksityiskohtia. Kamera voi kyllä generoida lisää pikseleitä kuvaan ns. interpoloinnilla, mutta yleensä kuva vain tulee epätarkemmaksi.

Käytännössä 'digitaalinen zoomaus' on huomattavasti järkevämpää tehdä kuvankäsittelyllä tai vaikkapa saksilla lopullisesta kuvasta.

Telejatke

Telejatke, samoin kuin ns. laajakulmajatke, muuttaa kameran objektiivin polttoväliä lisäämällä linssejä objektiiviin. Järjestelmäkameroiden telejatkeet lisätään yleensä objektiivin ja kameran väliin, digipokkareiden jatkeet taas linssistön eteen. Telejatkeille kerrotaan yleensä ns. kerroin esim. 1.5x tai 2x. Telejatkeella jatketun linssistön polttoväli saadaan kertomalla polttoväliluku kertoimella. Esimerkiksi 40 mm optiikka ja 1.5x telejatke tuottaa 60 mm objektiivin.

Jos käytössä on zoom-objektiivi niin tällöin ei kerrota zoomin kerrointa ja telejatkeen kerrointa. Telejatke vaikuttaa polttoväleihin, joten zoomin molempien päiden polttovälit muuttuvat zoom-kertoimen pysyessä samana. Eli linssi näyttää 'kauemmaksi' koko alueellaan. Esimerkkinä vaikkapa 35-105mm zoom ja 2x telejatke saa aikaan 70-200 mm objektiivin.

Laajakulmajatkeen kertoimet ovat ykköstä pienempiä, esimerkiksi 0.7 tai 0.45. Näissäkin varsinaisen linssistön polttoväli kerrotaan tällä luvulla ja saadaan lopullinen polttoväli. Esim. 35 mm objektiivi ja 0.65x laajakulmajatke muodostavat 23 mm objektiivin.

Linkkejä

Asiasta laajemmin:

http://www.kolumbus.fi/matti.valve/optiik.htm

Matti Valveen lähikuvaussivut, joissa on myös optiikkaa esitetty yleisesti.

http://www.photo.net/learn/optics/lensFAQ

Lens FAQ: Englanninkielinen kysymys-vastaus -lista, jossa käydään läpi kaikki kameraoptiikkaan liittyvä.

http://www.photo.net/learn/optics/lensTutorial

Lens Tutorial: Englanninkielinen teoriapaketti kameraoptiikasta.

http://www.pikseli.fi/digifaq/3_syvateravyys.html

Digitaalikameran syväterävyydestä


2.10.2003 (päivitetty 27.7.2006)