Zoomobjektivet objektivt sett

Jörgen Städje
3 månader sedan

Idag kan vi inte tänka oss att fotografera utan zoomobjektiv. Alla konsumentfotografer är så vana vid variabel brännvidd att allt annat vore otänkbart. Systemkameraägare är istället vana vid att hålla på och byta objektiv hela tiden, för en sak man kan vara säker på när man har utbytbara objektiv, är att man alltid har fel objektiv på påsatt.

Du kanske har sett gamla filmbilder från en tidig TV-studio, när TV-kamerorna hade objektivrevolvrar med tre-fyra olika långa tuber frampå, som kunde växlas runt vid behov. Det var på det sättet man snabbt bytte brännvidd före zoomobjektivet.

Zoomobjektivet är ett optiskt mästerverk och samtidigt en uppvisning i balansgången mellan egenskaper, kostnad och vikt. Om man ville, skulle man kunna göra ett fantastiskt objektiv, med fantastisk kantskärpa, men det skulle bli så stort, tungt och dyrt att ingen skulle vilja köpa det. Det gäller att vara duktig och kompromissa. Olika kompromisser ger olika typer av fel i bilden, som kantoskärpa, punktvis oskärpa eller svansar efter objekt, och det gäller att hålla felen på så låg nivå att de kan vara acceptabla för en viss kundkrets.

De två huvudaktörerna i denna redogörelse, från vänster Lars Petterson, produktspecialist, och Tor-Björn Ericsson, tekniker och den som håller i skruvmejseln.

Hur det gå till ska vi tala med Lars Petterson, produktspecialist på Nikon om.

– Många tror att det bara finns ett problem med objektiv idag, den kromatiska aberrationen. Har man löst det, så har man ett bra objektiv. Men sanningen är att det finns en hel rad andra fenomen man också måste ta hand om när man designar optik.

Man måste hela tiden väga in vad optiken ska användas till, när man bygger den. Nikon gör allt från optik till blu-ray-spelare till steppers, alltså projektorer med noggrannhet på nanometernivå, som används vid tillverkning av integrerade kretsar och dessemellan kommersiell optik till mätverktyg, mikroskop och fotografisk utrustning. Alla dessa objektiv har olika egenskaper och olika förutsättningar.

Man börjar med att bestämma sig för hur mycket fel optiken får göra för att vara acceptabel. Det är väldigt komplext att göra en optik som ska kunna användas till att fotografera objekt av olika storlek med olika färger på olika avstånd. Det vore mycket enklare att göra ett objektiv som bara klarade en färg och inte kunde fokusera. En av Nikons designers från Tokyo sade en gång. ”Min dröm vore att få göra ett objektiv som bara kunde fotografera apelsiner på en och en halv meters håll, för då skulle jag kunna reproducera apelsinen i två dimensioner ganska noggrant” men det objektivet skulle bli svårsålt.

Praktiskt användbara zoomobjektiv har inte funnits särskilt länge och de tidigaste varianterna var ganska stora och dyra. Skillnaden i kvalitet mellan ett zoomobjektiv och ett fast objektiv var mycket större på 1980-talet än vad den är idag. Idag kan zoomobjektiv till och med få bättre mätvärden, i fråga om upplösning och undertryckning av andra fenomen, än fasta objektiv.

Generellt blir objektiv med högre krav på bildkvalitet större och tyngre. Det kan vissa kundgrupper acceptera, medan konsumentkunder kräver mindre och lättare optik. Storlekarna har dock minskat även på ljusstarkare objektiv. De nya objektiven är ofta lite mindre och lättare än förra generationen.

Felen på rad

Generellt kan man säga att ett objektiv ska:

Återge punkter som punkter. Ett typiskt fel kan vara coma (lat. ”hår”) när en punkt flyter ut i en svans.
Återge linjer som linjer. Om inte kallas det för distorsion.
Återge plan som plan. Om inte kallas det för astigmatism.
Återge färger korrekt utan att de blöder ut. Om inte kallas det för kromatisk aberration.

Om det inte återger ett objekt korrekt, kallas det för aberration (avvikelse). Det finns många sorters aberration, inte bara kromatisk aberration (färgfel). All aberration kommer sig av att en ljusstråle som kommer in i mitten av linsen inte bryts på samma sätt som den som kommer in i linsens kant. Här kommer en liten provkarta på vad olika optiska fel kan ställa till med.

Sfärisk aberration är ett fokuseringsfel som uppstår när ljus oavsett våglängd bryts annorlunda om det kommer in i kanten, mot om det kommer in i linsens mitt. Det var ganska vanligt i objektiv från 1960- och 70-talen, men det är ovanligt idag. Sfärisk aberration kan visa sig som oskärpa i hela bilden eller i bildens kanter. Alternativt kan man säga att det betyder att objektivet har låg upplösning.

Lateral kromatisk aberration innebär att ljus av olika våglängd inte fokuseras på samma plan. Detta visar sig som färgfel eller spökbilder i bilden, medan svartvita bilder kan bli luddiga.

Den kromatiska aberrationen kan korrigeras genom att man använder glas med låg dispersion, som bryter alla färger lika.

Coma-fel betyder att ljuspunkter i bildens kanter får kometsvansar där ljusstrålen sträcker sig in mot bildens mitt. Coma uppstår när en punkt i bildens kant bryts på flera sätt genom linsen och inte träffar bildplanet som en punkt. Coma kan också uppstå om objektivet fått en stöt så att vissa linselement förskjutit sin optiska axel.

Astigmatism (riktad oskärpa) kallas det när fyrkantiga objekt inte längre återges fyrkantiga för att linsen förstorar olika i höjd och bredd. Fokus blir inte lika i höjd- och breddled, vilket beror på slipningsfel. Det är vanligt som synfel i det mänskliga ögat och uppstår för att ögat på grund av sjukdom inte är sfäriskt utan ovalt.

Distorsion är när fyrkantiga saker inte återges korrekt utan putar ut (tunndistorsion) eller sugs in (kuddistorsion) i mitten. Ett hus får inte längre raka kanter utan böjs exempelvis utåt. Det finns objektiv som är bra på att inte ge distorsion, sk raktecknande objektiv, men numera är det få som bryr sig om felet eftersom det är lätt att rätta till i Photoshop.

Axiell kromatisk aberration får färgerna i bilden att vridas ifrån varandra, främst vid höga kontraster. Oftast är det färgerna lila och grönt som flyttar isär. Felet elimineras med ett extra linselement som gör motriktad brytning, eller också bygger man ihop dem båda till en asfärisk lins. Denna typ av fel kan ofta elimineras i Photoshop och vissa av Nikons kameror har inbyggd elektronisk kompensering för detta.

Alla de här felen är beroende av varandra. Kompenserar man för ett av dem får man andra fel istället. Därför kan de alla kompenseras till viss del i konstruktionen, medan man får acceptera en viss nivå av fel.

De flesta felen försvinner om man bländar ned, alltså bara använder det ljus som kommer in genom linsens mittdelar. Då eliminera de felaktiga delarna längs kanten, men å andra sidan förlorar man ljus. Återigen en kompromiss.

Ingen exakt vetenskap

Naturligtvis använder Nikon CAD-teknik och simulerar strålgången när de designar objektiv, men det räcker tyvärr inte. Det är dessutom svårt att simulera alla ljusvinklar och alla vädertyper, och vad som händer i kyla och värme, så provfotografering är fortfarande viktig. Det går inte att slipa glas exakt som man vill, utan det uppstår toleranser, både vad gäller kurvatur och kurvaturens centrering (den optiska axeln). Den optiska axeln blir tyvärr inte riktigt densamma som linsens mekaniska axel.

Därför måste vartenda objektiv efterjusteras vid tillverkningen. Linserna kan inte läggas rakt ned på en hylla i chassit utan måste flyttas framåt eller bakåt genom att placeras på shims, tunna avståndsbrickor, ibland så tunna som ett par hundradels millimeter. Dessutom finns det hål längs kanten, tvärs igenom objektivet, där man efter uppmätning av objektivets egenskaper kan putta linserna lite i sidled för att deras optiska axlar ska centrera korrekt.

När ett objektiv blivit utsatt för en stöt, genom att fotografen slagit i det, kommer en eller flera linser att flytta sig i sidled. Detta kan ge varjehanda olika märkliga resultat som fläckvis oskärpa, coma, färgfel osv. Då får Nikons verkstad ta sig an saken och putta linserna rätt igen.

Afokalt is the thing

Traditionella zoomobjektiv var linjära, vilket betyder att linssystemen flyttas så att fokalplanet behålls oavsett brännvidd. Hur man än zoomar så förändras inte fokus. Det är en ganska dyrbar åtgärd att utföra rent mekaniskt. Nu för tiden är alla objektiv för stillbildsfotografering sk afokala, och man låter kamerans automatiska fokuseringssystem ta hand om förändringen i fokus och justera allt eftersom brännvidden ändras.

Det enda område där linjära objektiv fortfarande är viktiga är för filmkameror, där man vill kunna zooma medan man filmar, och bibehålla skärpan.

Asfäriska linser

En stor del av hemligheten med optimering av objektiv ligger i användningen av asfäriska linselement. En asfärisk lins är en lins som inte har kurvaturen av en sfär. Den asfäriska kurvaturen används för att ersätta hela grupper av klassiska linser med en enda glasbit vilket minskar objektivets totalvikt. Dessutom kan de användas för att förbättra kantskärpan.

Fluorit

Finare objektiv har linser i fluorit. Vad är det bra för? Fluorit är ett mineral har mycket lägre dispersion (skillnader i brytningsindex för ljus av olika färg) än glas, vilket i praktiken kan omsättas i linser med betydligt mindre kromatisk aberration än glaslinser. Kromatisk aberration är alldeles utmärkt i prismor där man vill dela upp vitt ljus i olika färger, men i kameralinser vill man helst slippa det. Fluorit är särskilt användbart i zoomobjektiv eftersom man ständigt kämpar mot randfenomen som kromatisk aberration.

Fluorit är inte glas. Det har inget med kiseldioxid att göra och väger mycket mindre. Fluorit är också mycket hårdare än glas och är svårare att bearbeta och slipa. Fluorit är en bergart bestående av grundämnena fluor och kalcium (CaF₂). Det betyder att man inte bara kan åka ut på stranden och skopa upp sand och göra linser av, utan fluoriten kan till exempel brytas i gruvor, huvudsakligen i Sydafrika, Mexiko eller Kina. Men naturligt förekommande fluorit blir aldrig så ren som man behöver för linser, utan kristaller för optiskt bruk måste odlas i laboratorium. Det gör materialet mycket dyrare än glas.

I linsverkstan’

Nu går vi ut i Nikons verkstad, där alla trasiga objektiv för eller senare hamnar, och ber teknikern Tor-Björn Ericsson att plocka sönder ett zoomobjektiv i små bitar för oss. Snart börjar glasbitar, brickor, shims och en mycket liten dator att krypa fram och hamna i en lång ordnad rad på bordet.

Tor-Björn väljer ett zoomobjektiv av typen AF-S Nikkor 24-70 mm, tar fram den lilla, lilla, lilla skruvmejseln och sätter igång.

Att det ska vara så smått? Här ser du en typisk skruv man sätter ihop objektiv med. Just det här är en enmillimeters skruv med grov (!) gänga för plast.

Detta objektiv har totalt 15 linser i 11 grupper, kan ändra sin brännvidd mellan 24 (84 graders bildvinkel) och 70 millimeter (34 graders bildvinkel) och har en närgräns på 38 centimeter. Fronten har en 77 millimeters filtergänga. Just detta objektiv zoomar genom att linsgruppen som utgör frontlinsen rör sig mot fokusgruppen inne i objektivet.

För att du ska få en uppfattning om hur objektivet är indelat och uppbyggt kan du betrakta strålgången. De 15 linserna sitter i tre funktionsgrupper. Vissa av dem är gjorda av glas med extra låg dispersion, för att hålla nere färgfel, med mera (se diskussionen ovan). Vissa av dem är dessutom asfäriska, vilket minskar mängden glas och därmed objektivets vikt.

Linsgrupperna kan förflyttas på det sätt som bilden nedan visar.

Observera att de manuella ringarna har slirkoppling mot själva linsmekanismen, medan fokusmotorn stöter i ändstopp hårt och därför har ett antal rörelsesensorer.

Låt oss börja med att beskriva objektivets chassi, eller ”helicoil” som Nikon kallar det. Chassit är i princip ett aluminiumrör (som består av flera hopskruvade rör) som de olika linsgrupperna glider fram och tillbaka inuti. Metoden att flytta dem är att vrida på en ring som sitter utanpå objektivet, alternativt att fokusmotorn vrider motsvarande ring inuti helicoil. I helicoil finns flera snäckspår (flacka gängor) där lagerpinnar kan glida. Lagerpinnarna sitter på linsgrupperna och när den roterade rörelsen vrider lagerpinnarna radiellt kommer de samtidigt att glida längs snäckspåret och förskjuta linsgruppen axiellt. Det är hela hemligheten med förskjutningen av linser inuti objektiv. Man kan ha flera olika snäckspår vari flera linsgrupper kan glida fram och tillbaka och utföra väldigt konstifika ”danser” mot och ifrån varandra inuti helicoil, för att variera brännvidd och fokus.

Bilden ovan ger en liten uppfattning om hur det går till att plocka ned ett objektiv i delar. Från höger ser du objektivet i sitt orörda skick. Härnäst visas det hur objektivet ser ut när man tagit av de yttre skydden och de ringar som används för manuell manövrering. Detta blottlägger fokusmotorn och drivelektroniken. Därefter visas objektivet med elektroniken och fokusmotorn avtagna. Kvar är bara helicoil-chassit och sensorn som anger att man manuellt vrider på zoomringen (den vita ringen). Ut ur helicoil har bländarhuset kommit och står härnäst. Som du ser har även det sin egen helicoil. För att få ut bländaren har man också fått ta bort den bakre linsgruppen.

Lösbitar

Tillbaka till steg två i bilden ovan. Med olika kåpor och ringar avtagna ser objektivet ut så här i närbild. Frontlinsen, som är zoomgruppen, sitter kvar och utanpå denna en skyddsring som bland annat är fäste för motljusskyddet. Härnäst kommer fokusmotorn. De fyrkantiga taggarna runt dess periferi är motorns magnetiska poler och till vänster om den blanka ringen som det står ”1153L” på ser du en bit cirkelformat kretskort som några förgyllda släpskor vilar mot. Dessa släpskor överför kraften till motorn via kretskortet, som är en cirkelformad trepolig kontaktring.

Går man vidare åt höger kommer en svart böjd, tunn plastbit som utgör avståndsskalan för manuell fokusering, fast själva skalan vänder bortåt i bild. Under denna döljs en annan svart, smal plastring som är magnetbandet som är givare i positionssensorn för fokusmotorn (se nedan). Därpå följer de båda elektronikkorten. Den halvrunda biten som hänger ut till höger är kontaktdonet som ansluter till kamerahuset.

Fokusmotorn är en ringformad elektromotor av stegmotortyp som matas framåt eller bakåt med korta strömpulser, på grundval av kamerahusets fokuseringsinformation. Hur man skapar denna information framgår av denna artikel: https://en.wikipedia.org/wiki/Autofocus. Den enklaste metoden är att betrakta kontrastskillnaderna i videon ut från CCD-arrayen i exempelvis bildens mittområde. Dåligt fokus betyder en utsmetad bild, vilket är detsamma som svaga, flacka variationer i videon. När man flyttar fokuseringen och ökar skärpan, ökas kontrasten och därmed amplituden i videon och när kasten är som störst och flankerna som brantast har man maximalt fokus. Sen kan man hålla på att köra fokusmotorn fram och tillbaka lite för att optimera och hitta den absoluta toppen. Varefter kameran piper och indikerar att den funnit fokus.

Eftersom fokusmotorn inte kan stanna omedelbart när det krävs, för att det är en viss mekanisk massa inblandad, har den prediktiv drivning. Kameran meddelar när skärpa uppnåtts och drivelektroniken i objektivet säger stopp och slutar driva. Men motorn fortsätter en liten bit till och måste därefter backa. Därför undersöker drivelektroniken hur mycket motorn fortsätter förbi den avsedda punkten och kommer efter hand att kompensera för detta och stanna i förtid. Detta snabbar upp fokuseringen.

Den ringformade positionsgivaren för fokusmotorn består av en aluminiumring med en påtejpad bit svart magnetband med positionsinformation, som Nikon kallar “magnetstripp”. Mot denna ligger två läshuvuden monterade på en fjädrande plåtbit (läshuvud) som läser magnetstrippen lite ur fas för att man ska kunna se åt vilket håll ringen roterar. Läshuvudet är direkt kopplat till mikroprocessorn på elektronikkortet.

När fotografen rör på zoomringen vill kameran gärna veta det för att kunna justera fokus på en gång. Därför sitter det en ringformig kontaktkam runt hela zoomringen. Den kortsluts mot jord av en släpsko, och kommer alltså kommer att mata ut rader av korta fallande flanker när zoomringen rörs (på den gula ledningen).

De tre släpskorna som sticker uppåt i bilden har inget med zoomringens rörelse att göra utan är anslutningar till fokusmotorn.

Men det räcker inte att man bara vet att zoomringen rör sig, man måste också veta var någonstans på varvet den är, eftersom fokusgruppen ska röras åt olika håll beroende på hur mycket inzoomat objektivet är. Därför sitter det även en absolutgivare (encoder) tejpad runt zoomringen. Den består av en tunn remsa böjbart kretskort med sex kontaktspår som jordas av en fyrpolig jordad släpsko. Det ser ut som fyra spår på bilden men flera spår avlöser varandra varvet runt. Beroende på vilken eller vilka kontaktpunkter släpskon jordar för tillfället kan man av den resulterande sexbitarskoden avgöra var någonstans på varvet zoomringen befinner sig.

Bländarens styrning ingår inte alls i beskrivningen av objektivet och styrs inte heller av objektivets elektronik. Den styrs istället mekaniskt av en motor i kamerahuset som petar på en pinne som går in i objektivet och för bländarlamellerna ut och in.

Kameraobjektiv smörjs inte med vad som helst. Nikon har mycket speciella medel som ska smörja bra i både kyla och hetta. Alla skruvar låses med låslack för att objektivet i möjligaste mån också ska tåla slag och stötar utan att de interna detaljerna flyttar på sig.

Elschema

Objektivets blockschema är inte särskilt komplext. Sensorerna från zoom och fokusering lämnar data till mikrocontrollern, som avgör hur fokusmotorn ska röras för att uppnå maximalt fokus på kortast tid. För att klara detta är det viktigt att processorn vet var ringarna befinner sig i vinkelled, vilket den får svar på av vinkelgivarna. Kraften kommer från kamerans batteri som når spänningsomvandlarens switchaggregat via anslutningen till kamerahuset. Fokusmotorn ska ha sin drivspänning och mikroelektroniken en annan. Drivelektroniken för motorn sitter också, lämpligt nog, på kraftkortet.

Mikrocontroller

Elschemat i förra bilden motsvaras ungefär av elektronikens fysiska utseende i denna bild. Från väster ser du fokusringens vinkelgivare, ett tunt flexkort, som rullats ut och fästs vid bordet. Till vänster om detta ligger den fyrpoliga släpsko som jordar de totalt fem kontaktspåren på vinkelgivaren (encodern) och skapar den binärkod som motsvarar den radiella positionen. Kortet med mikrocontrollern är samlingscentral för alla anslutningar i objektivet. Detta är i sin tur anslutet till kraftkortet. Anslutningen till fokusmotorn och vinkelgivaren på zoomringen är inte med på bilden. Jordreferensen längst till höger är viktig, eftersom alla vinkelgivare arbetar med släpskor som kortsluter till jord.

Mikrocontrollern är av typen μPD70F3731 i serien V850ES/KG2 från NEC i 100-pinnars platskapsel. Det är en 32-bitarscontroller med 128 kB internt flashminne och 6 kB RAM och klarar en klockfrekvens på 2-10 MHz. Den har 72 digitala I/O-kanaler, ett antal seriekanaler och 8 tiobitars A/D-omvandlare för att läsa av sensorer osv.

Panorama

Jag har sparat det bästa till sist. Här har du zoomobjektivet AF-S Nikkor 24-70 mm plockat i så små bitar som vi fann nödvändigt. Du bör nu vara så förtrogen med objektivets alla delar att bilden torde vara ganska självförklarande. Notera särskilt alla shims, tunna mellanläggsbrickor som finns överallt i objektivt för att klara den sista slutjusteringen av den optiska kvaliteten.

Efter detta dög objektivet bara som reservdelar.

Slutet

I Nikons verkstad finns också ett mätrum där man kan utföra allehanda mätningar på de reparerade objektiven för att se att de uppfyller specifikationerna. Det är laserstrålar hit och dit och det fick jag inte fotografera. Men det allra sista man gör med objektivet är att sätta det i en projektor och projicera en bild av noggranna högupplösta raster på en vit vägg för att med det mänskliga ögat kunna avgöra upplösningen i bildens alla delar.

Den gick bra att fotografera. Här står Tor-Björn och har just satt på ett färdigreparerat objektiv. Vi går nära och tittar riktigt noga och ser den utmärkta skärpan i mitten och, som förutsagt, den inte fullt så goda skärpan i kanterna.

Det är vad man får när man provar kompromissernas mästerstycke, zoomobjektivet.