Kaljapullonpohjalinssi 1

asian teoreettinen tarkastelu

Johdanto

Projektin tarkoituksena oli selvittää kameraharrastajain puheissa usein esiintyvän nimityksen "pullonpohjalinssi" todellinen olemus. Monipuolisen pullonpohjakentän tarkemmaksi tarkastelukohteeksi valitsin kaljapullonpohjan. Koska huolelliset kirjallisuus- ja internethaut eivät tuottaneet asiasta paljoakaan lisätietämystä, päätin paneutua asiaan perusteellisesti teorian ja käytännön tasolla. Tavoitteen toteuttamiseksi päätin suunnitella ja rakentaa kaljapullonpohjaobjektiivin.

Työsuunnitelma

Resurssikartoituksen perusteella tavoitteeksi tuli suunnitella ja rakentaa mahdollisimman yksinkertainen objektiivi, joka voitaisiin liittää käytettäväksi olemassaolevaan Nikon-kalustoon. Erinäisistä materiaalisista, mekaanisista ja optisista seikoista johtuen objektiivin polttovälin tavoitteeksi asetin arvon 105 mm. Tämä polttoväli soveltuu mukavasti mm. muotokuvaukseen. Lisäksi tällöin tarjoutuu mahdollisuus vertailla pullonpohjaobjektiivin suorituskykyä käytettävissä olevaan 105 mm:n Nikkoriin.

Optinen rakenne

Optisessa rakenteessa päädyin klassiseen rakenteeseen, jossa himmentimen aukko sijaitsee objektiivin edessä. Tätä rakennetta on käytetty laatikkokameroissa jo 1800-luvulta lähtien. Valitsemalla sopiva apertuurin (aukon) etäisyys linssistä, voidaan reunasäteiden astigmaattisuus minimoida. Lisäksi valitulla polttovälillä optimaalinen linssin muoto on lähes tasokupera, mikä osaltaan helpottaa ja nopeuttaa valmistusta. 

Valovoima

Valitussa rakenteessa aukon halkaisija määrää suoraan objektiivin valovoiman. Linssin virheet pienenevät voimakkaasti aukon pienentyessä, mikä puoltaa mahdollisimman pientä aukkoa. Valotusajan ja tarkentamisen vaatimukset puolestaan suosivat suurta aukkoa. Käytettävissä olevien resurssien ja optisten vaatimusten reunaehtojen ristipaineessa päädyin aukkoon 15 mm, mikä tällä polttovälillä vastaa F:7 aukkolukemaa.

Resurssit

Objektiivin suunnittelussa suoritetut laskelmat on tehty kaupallisella Zemax-ohjelmalla. Optinen valmistus on tehty Teknofokuksen hyvin varustetussa työtilassa.

Optisen suorituskyvyn arviointi

Objektiivin suorituskykyä on mahdollista laskennallisesti tarkastella lukuisilla tavoilla, joista muutamia esittelen myös tässä yhteydessä. Hyvin havainnollinen on ns. spot-diagrammi, joka näyttää pistemäisen kohteen kuvautumisen objektiivin kuvatasolle. Objektiivin suunnittelussa pyrkimyksenä on yleensä päästä mahdollisimman pieneen pistekokoon, sillä pieni pistekoko on hyvin läheisesti verrannollinen laadukkaaseen kuvautumiseen. 

Kuva esittää pisteen kuvautumista kuvan keskellä sekä n. sentin ja kahden päässä keskustasta. Kuvissa olevan mittaympyrän halkaisija on 0,4 mm. Spotin RMS-säde on n. 0,08 mm.

Ray Fan -diagrammi on erittäin voimallinen optiikan suunnittelun apuväline, joka kertoo hyvin paljon optiikan virheiden synnystä. Tarkempaa tietoa haluava tutustukoon alan kirjallisuuteen.

Laskennallisen interferogrammin mukaan objektiivin aaltorintamassa on lähes 10 valoaallon verran virhettä. Sopiva arvo olisi valoaallon murto-osia. Kaikkea ei pullonpohjalla taida saada!

MTF-käyrä lienee monelle jossain määrin tuttu. Tämä kuva esittää objektiivin MTF-käyrää ruudun keskellä. Kuvan ylälaidassa lievästi laskeva käyrä kuvaa diffraktiorajoitetun objektiivin ominaisuuksia. Hyvälaatuinen Nikkor 105 mm on aukolla 8 varsin lähellä tuota teoreettista ylärajaa. Kaljapullonpohjaobjektiivin sininen käyrä laskee varsin nopeasti. Jos siedettävänä rajana pidetään 20 %:n modulaatiota saavuttaa objektiivimme n. 4 viivaa/mm erotuskyvyn. Nikkorilla kyseinen arvo filmiltä mitattuna on ehkä n. 70 viivaa. Laskettu arvo kuvaa objektiivin suorituskykyä, joka on parempi kuin filmille tallentuva erotuskyky. Edellä olevan tarkastelun perusteella objektiivilla saattaisi olla pehmytpiirto-objektiiville tyypillisiä piirteitä.