We kennen allemaal de magie van fotografie bij weinig licht, toch? Die momenten waarop je camera lijkt te toveren met elke schaarse lichtstraal. Dat is precies waar een lage F-getal lens in uitblinkt – een lens die uitzonderlijk presteert in donkere omstandigheden. Maar wist je dat het bouwen van zo’n lens en het doorgronden van de achterliggende optica een wereld aan verrassingen kan onthullen? Het gaat veel verder dan alleen het opvangen van licht.
Stel je voor: een lens met een F-getal van F/0.38, sneller dan de beroemde F/0.7 lens die Stanley Kubrick gebruikte voor de kaarslichtscènes in Barry Lyndon. Het klinkt als pure sciencefiction, maar het is mogelijk! Zo’n snelle lens betekent dat er veel meer licht op de sensor valt, wat dramatisch helderdere beelden oplevert in situaties met weinig licht. We duiken in de fascinerende wereld van DIY cameralens constructie en de diepere optische principes die hierbij komen kijken.
Een lage F-getal lens laat meer licht door, maar de scherptediepte is niet altijd zo klein als verwacht vanwege de korte brandpuntsafstand
Intuïtief denken we vaak: hoe lager het F-getal, hoe smaller de scherptediepte. We dromen van die prachtige, dromerige achtergronden met minimale scherptediepte. Maar een lage F-getal lens, zeker bij een DIY cameralens project, kan verrassen.
Hoewel een F/0.38 lens significant helderder is dan een F/1.4 lens – we spreken dan over maar liefst vier stops meer licht – is de scherptediepte niet altijd zo flinterdun als je zou verwachten. Sterker nog, het kan verbazingwekkend breed zijn.
Dit komt omdat de scherptediepte niet alleen afhangt van het F-getal, maar ook sterk van de brandpuntsafstand. Wanneer een lens een extreem korte brandpuntsafstand heeft, zoals 4 mm bij bepaalde microscoopobjectieven, is zelfs een superlaag F-getal niet voldoende om een extreem kleine scherptediepte te creëren. De beelden zijn helder, maar de verwachte filmische look blijft uit.
Het verwijderen van het beschermglas van een camerasensor is cruciaal voor het gebruik van immersie-olie bij zeer lage F-getallen, maar is een risicovol proces
Om de numerieke apertuur van een lens – en daarmee de lichtopbrengst – te maximaliseren, wordt soms gebruik gemaakt van immersie-olie. Deze olie creëert een optische koppeling tussen de lens en de sensor. Echter, de meeste camerasensoren hebben een beschermende glasplaat.
Onder dit glas bevindt zich een minuscule luchtlaag die de werking van de immersie-olie belemmert. Om de olie effectief te laten zijn, moet dit beschermglas zorgvuldig worden verwijderd. Dit is een buitengewoon delicaat en risicovol proces. Ervaring leert dat het verwijderen van dit glas zonder de sensor te beschadigen een zeer lage slagingskans heeft.
Technieken variëren van lijm aanbrengen en lostrekken tot het voorzichtig opwarmen van de epoxy die het glas vasthoudt. Grootste valkuil zijn de minuscule draadjes – ‘bond wires’ – die de sensor verbinden. Eén verkeerde beweging en de sensor is onbruikbaar. Het is duidelijk dat dit onderdeel van het DIY cameralens project heel wat oefening en geduld vergt!
Het F-getal wordt beïnvloed door aberraties zoals sferische en coma, wat betekent dat een lens met veel aberraties mogelijk niet de geadverteerde F-getal behaalt
Wat is een ‘zinvol’ F-getal eigenlijk? Het blijkt dat om een lens een F-getal toe te kennen dat echt representatief is voor zijn prestaties, de lens vrij moet zijn van aanzienlijke optische aberratie, met name sferische aberratie en coma.
Als een lens veel van deze vervormingen heeft, worden lichtstralen niet correct gefocusseerd. Een deel van het licht draagt dan niet bij aan een scherp beeld, waardoor het “effectieve” F-getal anders kan zijn dan de berekende waarde op basis van diameter en brandpuntsafstand.
Je kunt een lens met veel aberraties wel een F-getal geven, maar het zegt dan weinig over de bruikbaarheid of kwaliteit van het beeld. Een echt laag F-getal vereist een geavanceerd en correct lensontwerp om te garanderen dat het verzamelde licht ook daadwerkelijk een kwalitatief beeld vormt.
De numerieke apertuur (NA) en het F-getal zijn gerelateerd, maar de precieze relatie is complex en afhankelijk van de correctie van aberraties in de lens
De relatie tussen de numerieke apertuur (NA) en het F-getal lijkt op het eerste gezicht simpel: NA is ongeveer 1/(2 * F-getal). Maar de realiteit is complexer en heeft menig expert hoofdbrekens bezorgd.
Deze eenvoudige formule is een uitstekende benadering voor de meeste lenzen. Echter, bij extreem lage F-getallen of lenzen met veel optische aberratie kan het verschil tussen de benadering en de precieze geometrische definitie verrassend groot zijn.
Uiteindelijk blijkt dat voor lenzen die goed gecorrigeerd zijn voor sferische aberratie en coma – zogenaamde ‘planatische’ systemen – de hoofdbrekingsvlakken niet plat zijn, maar gekromd. Deze kromming verklaart waarom de ‘exacte’ formule veelal overeenkomt met de simpele benadering, mits de lens goed ontworpen is. Het is een fascinerend voorbeeld van hoe diep optische theorie in de praktijk werkt.
Optische immersie met olie verhoogt de lichtinval op de sensor door de brekingsindex te matchen, waardoor een hogere numerieke apertuur mogelijk is
Het principe achter optische immersie met olie is eigenlijk vrij eenvoudig te begrijpen. Het hele doel van het gebruik van immersie-olie tussen het laatste lenselement en de camerasensor is om de brekingsindex te matchen.
Door dit te doen, kan licht onder veel steilere hoeken de sensor bereiken. Zonder de olie zou de lucht tussen de lens en de sensor het licht breken, waardoor minder licht, vooral onder extreme hoeken, de sensor zou bereiken.
De olie zorgt voor een ‘soepelere’ overgang, waardoor zoveel mogelijk licht de sensor in wordt geperst. Dit resulteert in een significant hogere numerieke apertuur, wat cruciaal is voor de extreem lage F-getallen die we nastreven in dit soort DIY cameralens projecten.
Veelgestelde Vragen
Waarom is de scherptediepte van een lage F-getal lens niet altijd super ondiep?
De scherptediepte hangt niet alleen af van het F-getal, maar ook sterk van de brandpuntsafstand. Bij een extreem korte brandpuntsafstand, zoals die van veel microscoopobjectieven, is zelfs een zeer laag F-getal niet genoeg om een smalle scherptediepte te realiseren. De afstand tot het object speelt ook een rol.
Wat is de grootste uitdaging bij het gebruik van immersie-olie voor dit soort lenzen?
De grootste uitdaging is het verwijderen van het beschermende glas van de camerasensor. Dit glas, met een kleine luchtlaag eronder, voorkomt een goede optische koppeling met de immersie-olie. Het verwijderen van dit glas is uiterst riskant en heeft een hoge kans op beschadiging van de gevoelige sensor en de minuscule ‘bond wires’.
Hoe verhoudt het F-getal zich tot de numerieke apertuur (NA) en waarom is dit complex?
De numerieke apertuur (NA) en het F-getal zijn gerelateerd door de benadering NA ≈ 1/(2 * F-getal). Echter, voor lenzen die geoptimaliseerd zijn en gecorrigeerd zijn voor optische aberratie zoals sferische aberratie en coma, de zogenaamde ‘planatische’ systemen, is de relatie preciezer en omvat deze krommingen in de hoofdbrekingsvlakken van de lens. Dit zorgt ervoor dat de eenvoudige benadering toch vaak verrassend accuraat is voor goed ontworpen lenzen.
