Gyűjtőlencse, nyílásviszony

A fényerő fogalmával egyre gyakrabban találkozhatunk, hiszen már a mobiltelefonok kamerája esetében is marketingjelentőséggel bír. A cikkeket, fórumokat olvasva célszerűnek tartjuk tisztázni pontos jelentését.

A fényképezőgép objektívje alapvető viselkedését tekintve egy összetett gyűjtőlencse. A gyűjtőlencse a megörökítendő tárgy egy (elméleti) kicsiny felületéről, azaz a tárgypontból kiinduló fénysugarakat a lencse túloldalán lévő pontba, a képpontba gyűjti. A végtelen számú tárgyponthoz végtelen számú képpont tartozik, így jön létre a kép a lencse mögött elhelyezett ernyőn vagy képrögzítő eszközön, pl. érzékelőn.

Egy 50 mm-es fényképezőgép-objektív a példaként feltüntetett tárgypontokat az érzékelőre vetíti, tehát gyűjtőlencseként viselkedik

A tárgypontból több irányban (nagy térszögben) indulnak el fénysugarak, de az objektív ezeknek csak egy részét képes befogni, hiszen a felület, amelyen a fénysugarak belépnek, véges méretű. Minél nagyobb ez a felület, annál több fényt képes begyűjteni az objektív. Ennek a képességnek a jellemzésére vezették be a nyílásviszony fogalmát, amely a gyújtótávolság és a fényt beengedő legnagyobb nyílás, az ún. belépőpupilla maximális átmérőjének a hányadosa. A köznyelvben a fényerő fogalom terjedt el jobban a német Lichtstärke szóból fordítva, angol nyelvterületen leginkább "lens speed"-ként ismert.

Nem keverendő össze a fénytanban használatos fényerősség kifejezéssel, az ugyanis az egységnyi térszögbe sugárzott fényáramot jelenti és kandela (cd) a mértékegysége, a fényképészetben használt fényerő viszont egy dimenzió nélküli (geometriai) viszonyszám, nem pedig egy fénytani mennyiség. Ha fénytani szempontból keressük az összefüggést, akkor az objektív fényereje meghatározza, hogy adott fénysűrűségű (cd/m²) felületet a kamera látószögében tartva mekkora megvilágítás (lux) keletkezik az érzékelőn, filmen. Ez utóbbinak az idővel való szorzata pedig a fénytani expozíciót adja eredményül (lx * s). Sajnálatos módon, hogy még bonyolultabb legyen a helyzet magyar nyelven, a mindennapi életben a fényerő szó terjedt el a fényforrások, megjelenítők teljesítményének jellemzésére mondjuk fényesség vagy világosság (brightness) helyett. Szerencsére a műszaki nyelvben ezek jól elkülönülnek.

Hogy miért van benne az összefüggésben a gyújtótávolság? Azért, mert kétszeres gyújtótávolság (nagyjából) kétszeresére nagyítja a tárgy képét azonos távolságból, így az ugyanazon tárgyfelületről származó fényt mindkét dimenzióban kétszeres hosszban, négyszer akkora felületen teríti el. Tehát ezért nem elég csak a fényt beengedő nyílással jellemezni az objektívet. Ha a gyakorlatban az eszköz kiválasztásához vagy a helyes expozícióhoz gyorsan, rutinból használható paramétert szeretnénk kapni, akkor a gyújtótávolságot el kell osztani a pupillaátmérővel. Ez az ötlet a fényerő fogalma mögött. Távcsövek objektívjeinél, mivel azok fényképészeti jelentősége más, a jelölésnél nem végzik el az osztást, csak külön-külön megadják a két méretet, pl.: 120/1000, ahol első a lencse vagy tükör átmérője, a második a gyújtótávolság.

A fényképészeti gyakorlatban egy kis fényerejűnek számító lencse... (az FL mezőben a gyújtótávolságot, a dY mezőben a kurzorok által megmért lencseátmérőt láthatjuk)

...és egy jóval nagyobb fényerejű társa

A fenti ábrán egy kisebb és egy nagyobb fényerejű lencse látható. A nagyobb lencse fényereje 35 mm:100 mm, azaz kb. 1:2,86 (az ilyen értékeket 2,8-ra egyszerűsítik). A kisebb lencse fényereje 9 mm:50 mm, azaz 1:5,55 (itt pedig 5,6-ot tüntetnének fel), amelyet számtalan módon jelölnek a gyártók a gyújtótávolság (f) mellett, pl. 50 mm 1:5.6 vagy 5.6/50 mm vagy 50 mm f/5.6 vagy 50 mm f5.6.

Tehát minél kisebb a fényerő számértéke, annál több fényt gyűjt be az objektív, és minél nagyobb ez a szám, annál kevesebbet. Mivel a pupilla átmérője és a felülete között négyzetes az arányosság, kétszeres átmérő négyszeres felületet, és így négyszer annyi befogott fényt jelent. Kétszeres felülethez elég négyzetgyök kettőször, egyszerűbben 1,4-szer nagyobb átmérő. Így alakul ki a következő aránysor, amelyben egy lépés a felület kétszerezését vagy felezését jelenti (így fogunk vele találkozni, tizedespontot használva vessző helyett): 1:1.0; 1:1.4; 1:2.0; 1:2.8; 1:4.0; 1:5.6; 1:8.0.

Természetesen az objektívek fényereje nem csak ezeket az értékeket veheti fel, köztes értékek is gyakoriak. Fix gyújtótávolságú objektíveknél nagy fényerejűnek számítanak a 2,8-nál kisebb értékek, ma már elérhetőek sorozatgyártásban akár 1:0,95 fényerejű objektívek is. Zoomok esetében a 2,8-3,5 közötti értékek számítanak nagyobbnak, de a legtöbb zoomobjektív változó fényerejű, tehát a nagyobb gyújtótávolság felé haladva csökkenő fényerőt tapasztalhatunk, ezért kerül két számérték az objektívre, kötőjellel elválasztva. Sajnos egyre gyakoribb, hogy a kedvezőbb fényerő csak a legkisebb gyújtótávolságnál érvényes, és már egész apró zoom hatására drasztikusan esik az érték, mindezzel megtévesztve a vásárlókat. Inkább a professzionális kategóriában jellemző az állandó fényerejű zoom.

A fényerő emelése, amennyiben a képalkotási hibákat alacsony szinten szeretnénk tartani, objektív-tervezési és gyártási szempontból kihívás, jelentősen növelve az előállítási költségeket, de leginkább az árat. Hasonló a hatása a nagyobb képérzékelőnek is, hiszen így növelni kell az objektív által vetített kép méretét, és nagyobb gyújtótávolság szükséges azonos képszög (látószög) eléréséhez. Ezért középformátumban ritkán találkozhatunk 1:1.4 fényerejű objektívvel, míg kisfilmnél ez szinte mindennapos. Ugyanez fordítva is igaz, egy mobiltelefon kamerájának érzékelőjéhez tervezett objektívnél nem kiemelkedő az 1:2.0 fényerőnél kedvezőbb érték elérése, inkább a mai készülékek vékonysága miatt kihívás ezt jó minőségben létrehozni.

Szinte azonos gyújtótávolságú zoom objektívek eltérő fényerővel: 40-150 mm 1:2.8 nem változó fényerő vs. 45-150 mm 1:4.0-5.6 (tehát 150mm-en kétszeres pupillaátmérő, négyszer annyi fény és ötször annyi forint)

Az első lencsék között is jól felfedezhető a méretkülönbség

Fényrekesz és fényerő

A fényrekesz (blende) a fénygyűjtő képességet korlátozza, ezáltal csökkenti a megvilágítást az érzékelőn. A fényerő tehát a fényrekesz beállításának felső korlátja, hiába nyitnánk nagyobbra a rekesz nyílását, az objektív nem képest több fényt az érzékelőre juttatni. Ez számokban is megnyilvánul. Ha egy objektíven az 1:2.8 feliratot látjuk a fő paramétereknél, akkor a kamera kijelzőjén a rekeszszám legkisebb értéke (legnagyobb nyílás) f2.8.

Hiába nyitjuk nagyobbra a rekeszt, az objektív nem gyűjt össze több fényt

A fényerő egy objektív állandó jellemzője, tervezési alaptulajdonság, a rekeszszám viszont egy beállítás. Előbbire arányként, utóbbira főként f# jelöléssel hivatkoznak, de ahogyan az objektívek feliratainál említésre került, ebben a gyártók és a szakirodalom sem egységesek, a fotósok pedig végképp nem. Persze katasztrófa nem történt, mert ugyanúgy számítandóak, ugyanazt az összefüggést fejezik ki, vagyis a gyújtótávolság és a nyílás viszonyát.

A beállított rekesznyílás méretének egyéb hatásai is vannak, pl. befolyásolja az úgynevezett mélységélességet. Ez a jelenség, és az expozícióval való összefüggés egy önálló cikket érdemel, most csak a fényerővel való kapcsolata miatt térünk ki rá. A fényrekesz csak a legkorábbi objektíveknél volt az objektíven kívül, ma már mindig a belsejében található. A fényrekesz beállítható értékei a már fentebb leírt fényerőszámsort követik. A számsorban való teljes lépést, tehát a felület felezését vagy duplázását gyakran stopnak nevezik a fényrekesz (aperture-stop) és a rekeszszám (f-stop) angol elnevezéseiből, de a magyarban is használatosak a németből átvett hasonló kifejezések, pl. „1 blendével szűkítem a rekeszt" vagy "fél blendével nagyobb fényerejű”. Lehetőség van fél vagy harmad ugrásokra is. A harmadlépéses számsor egy szakasza így néz ki: f2.8 ; f3.2 ; f3.5 ; f4.0 ; f4.5 ; f5.0 ; f5.6 ; f6.3 ; f7.1 ; f8.0.

Ha az objektív nem egyetlen lencséből áll és fényrekeszt tartalmaz, a pupillát nem egy lencse méreteiben kell keresnünk, hanem a fényrekesz vetületében. Ezért hibás minden olyan definíció is, amely szerint a fényerő a gyújtótávolság és a rekesz átmérőjének hányadosa, nem beszélve az objektív első lencséjének méretével számoló meghatározásokról. Amíg egy fix teleobjektív esetében az első lencse árulkodik a fényerőről és nem tévedünk nagyot, ha ezt vesszük a pupilla átmérőjének, addig egy DSLR-hez készített nagylátószögű objektívnél teljesen más a helyzet, sokkal nagyobb lencsét fogunk az objektív elején találni, mint amelyet a gyújtótávolságból és a fényerőből számítunk.

Amikor nem indulhatunk ki az első lencse átmérőjéből: 28 mm 1:2.8 paraméterű nagylátószögű objektív tükörreflexes fényképezőgépekhez (az optikai tengelytől legtávolabbi két, még behatoló fénysugár pirossal kiemelve, dY mezőben leolvasható a pupilla átmérője)

T-stop, félreértések

Nagyon gyakran használják a fényképészet iránt érdeklődők az áteresztés szót ebben a témában. Jó lenne teljesen kivezetni ebből a fogalomkörből az "átereszt" szó minden változatát, mert hibás és teljesen félrevezető, hiszen mint láttuk, semmi köze az áteresztéshez a fényerőnek. Ez valós probléma, többször olvashatóak a fórumokban hibás következtetések erre alapozva, a legtöbben emiatt a fényerőre mint valamilyen hatásfokra gondolnak, pedig erről szó sincs.

Szorosan ide kapcsolódik a mozgóképek készítésére kifejlesztett objektíveknél használatos Transmission érték (közvetlen fordítással: átvitel – jó lenne találni egy megfelelő magyar kifejezést rá és meghonosítani), amely alapvetően ugyanúgy egy fénygyűjtő képességet ad meg, csak korrigált adattal. Bár a lencséken alkalmazott bevonatok óriási mértékben csökkentik a veszteséget, tökéletesen nem szüntetik meg, főképp ezért kell bevezetni egy másik jellemzőt. Persze azért is, mert a fényerőként megadott számok gyakran elég nagyvonalú kerekítések.

A rekeszszámra is eltérő jelölést használnak, f-stop helyett T-stop. Amíg a klasszikus fényerő nem veszi figyelembe az objektíven belüli fényveszteséget, hanem kizárólag fizikai méretek alapján kerül meghatározásra, addig ez az adat számol vele, és egy egyenértékre utal. A Transmission megmutatja számunkra, hogy mekkora lenne annak a veszteségek nélküli objektívnek a fényereje, amely ugyanekkora megvilágítást hoz létre az érzékelőn ugyanazon tárgyra irányítva (mint a vizsgált, veszteséges objektívünk).

A Transmission így nyilvánvalóan egy nagyobb számértéket (kisebb fényerőt) mutat. Az eltérés a geometriai és a méréssel megállapított adat között 0,1-0,5 tartományban van. Mozgóképfelvételnél gyakran használnak külső, úgynevezett beeső fénymérést az objektíven keresztül mért (TTL) helyett, ezért fontos az objektív pontos képességeinek ismerete, és ezért gyártanak speciálisan erre a célra fejlesztett eszközöket. Persze a különbség nem csak ennyi: pontosabb és finomabb a manuális fókuszálás, parafokálisak a zoomok (azaz nem változtatják a beállított tárgytávolságot a gyújtótávolság megváltoztatására), vagy éppen a motoros zoomhoz, fókuszáláshoz szükséges gyűrűket találunk rajtuk.

Egy objektív két változata: balra a videós T3.8, jobbra az eredeti 1:3.5 (Samyang 7,5 mm-es halszem objektívek; forrás: samyang-lens.co.uk)

Szintén gyakori a fényerő és a fényérték szavak egymással való helyettesítése, tévesen. A fényérték (Exposure Value: EV, Lichtwert: LW) egy olyan mennyiség, amely a fényrekesz beállított értékét és a záridőt egyetlen számértékkel jellemzi, az expozíciós beállítások és a fényviszonyok leírásának egyszerűsítésére vezették be.

Az utóbbi években terjedt el egy hibás szóhasználat, a „kezdő fényerő”. A fényerő az objektív egyik tervezési paramétere, nincs belőle kezdő. Ha a fényrekesszel korlátozzuk a fénygyűjtési képességet, akkor azt rekeszszámnak vagy rekeszértéknek hívják. Lehet kezdő fényerőről beszélni olyan zoom objektívek esetén, amelyek csökkentik fényerejüket a növekvő gyújtótávolság felé haladva, de más esetekben értelmetlen és kerülendő a kezdő jelző.

Az emberi szemben található szemlencsének is van fényereje, csak nehéz pontosan meghatározni, mert a gyújtótávolság változó, ugyanis szemünk más módon fókuszál, mint a fényképezőgépek, nem az úgynevezett kihuzatot változtatja. Közelre tekintéskor 1:3.0 értéknél nagyobb fényerő is kialakulhat.

ROBOTER