Оценка оптических характеристик объективов Canon и SIGMA для зеркальных камер Canon

Общие положения
Целью настоящей работы является оценка некоторых оптических характеристик следующих объективов Canon и SIGMA для зеркальных камер Canon: Canon EF 70-200 mm (f/2.8 L IS USM), Canon EF 16-35 mm (f/2.8 L USM), Canon EF 24-70 mm (f/2.8 L USM), Canon EF 35-350 mm (f/3.5-5.6 L USM), Canon EF 100 mm (f/2.8 Macro USM), Canon EF 50 mm (f/1.4 USM), Canon EF 28-200 mm (f/3.5-5.6 USM), Canon EF 28-135 mm (f/3.5-5.6 IS USM), SIGMA APO 70-200 mm (f/2.8 EX), SIGMA EF 17-35 mm (f/2.8-4 EX).
В качестве оцениваемых характеристик использовались следующие: Бокэ, Кривизна поля, Дисторсия и Хроматические аберрации.

Бокэ (Bokeh, термин имеет японское происхождение и является характеристикой того, каким образом оптика «рисует» объекты вне зоны резкости) состоит в эстетике расфокусированного изображения, формируемого оптической системой камеры. Проявляется в форме, степени равномерности и цельности размытых деталей снимка.

Кривизна поля – одна из разновидностей аберраций (от лат. aberratio, искажение – уклонение изображения, формируемого оптической системой). Заключается в том, что резкое изображение плоского предмета лежит на искривленной поверхности. Вызвана тем, что после прохождения сквозь оптическую систему световые лучи, идущие из точек, расположенных вне оптической оси объектива, сходятся в фокус не в одной плоскости. На фотографии кривизна поля проявляется в понижении резкости изображения от центра к краям. Минимизируется подбором линз с различной кривизной поверхностей.

Дисторсия представляет собой вид аберраций, при которой нарушается геометрическое подобие между фотографируемым объектом и его изображением. Это явление возникает в результате того, что линейное увеличение, изменяется по полю изображения. В вариообъективах дисторсия выражается в «подушкообразных» искажениях при длиннофокусном режиме и в «бочкообразных» — при широкоугольном. Для снижения дисторсии в конструкцию объективов включается асферическая оптика, то есть линзы с параболическими, эллиптическими и другими поверхностями.

Хроматические аберрации проявляют себя окрашиванием контуров изображения. Обусловлены зависимостью показателя преломления оптического стекла от длины волны проходящего через него света. В линзовых оптических системах это приводит к разложению луча белого света на несколько одноцветных лучей, которые после выхода из оптической системы пересекают оптическую ось в разных точках. Поэтому в тех случаях, когда освещенность объекта съёмки и его фона сильно отличается, на стыке появляется цветовая окантовка, чаще синеватого или фиолетового оттенка. Хроматическую аберрацию уменьшают комбинированием положительных и отрицательных линз, сделанных из разных сортов стекла.

Выбранные для оценки объективы различаются диапазоном фокусных расстояний, светосилой, механизмом фокусировки, а также другими техническими и конструктивными особенностями. В силу этих различий, рассматриваемые объективы имеют свои индивидуальные особенности, в том числе, «склонность», так или иначе, искажать изображение. Выяснить главные из аберрационных характеристик исследуемых объективов, поставив их в одинаковые условия и пренебрегая стоимостью, как раз и явилось основным мотивирующим фактором данной работы.
Главная задача исследований при таком подходе может быть представлена как попытка охарактеризовать каждый тестируемый объектив с точки зрения влияния его оптических характеристик на изображение в кадре, а именно: каким образом каждый из тестируемых объективов отображает фотографируемые предметы в ближней и дальней областях нерезкости, а также в зоне резкости по всему полю на различных фокусных расстояниях и диафрагменных числах.
Методика оценки
Для оценки приведенных характеристик используется общий подход, заключающийся в съёмке каждым тестируемым объективом серии кадров некоторого предмета с целью последующей обработки полученных изображений в соответствии с особенностями частных исследований. Съёмка производится цифровой зеркальной камерой Canon EOS D60 с разрешением 3072х2048 пикселей и коэффициентом фокусного расстояния 1.6, закреплённой на штативе в специально оборудованной студии, размещённой в подвальном помещении, где исключены нежелательные источники света и вибрация. Студия объёмом 27 кв. м позволяет осветить предмет съёмки отражённым светом ламп накаливания общей мощностью 1800 Вт. Объектив направлен строго перпендикулярно к плоскости предмета съемки.
Результаты анализа заносятся в специальную таблицу с последующим «выставлением оценок» по десятибалльной системе.
Наиболее интересные и показательные снимки по оценке оптических характеристик представлены для анализа. Здесь же приведены фотографии, выполненные в естественных условиях.

Оценка Бокэ

Выполняется путём изучения расфокусированных изображений объекта, находящегося в ближней и дальней областях нерезкости. Объектом съёмки является точечный свет на черном фоне. В качестве источника света использовано приспособление, именуемое в дальнейшем как Точечный Источник Света (ТИС), см. рис. 1. ТИС представляет собой чёрный пластиковый коробок (16X12X4 см) с круглым отверстием на лицевой панели (Ф 5 мм) и лампой накаливания внутри мощностью 15 Вт.


Рис.1. Точечный Источник Света
Съёмка ТИС производится в темноте с минимально допустимого расстояния для каждого из фокусных расстояний, при максимальном относительном отверстии объектива (fmax) и значении 1:8 (f/8). В ходе изучения полученных изображений исследуется их форма и распределение тонов внутри.
В качестве критерия для оценки бокэ будем использовать следующий: хорошим бокэ характеризуется объектив, у которого изображение в зоне нерезкости — блик — имеет форму круга, и тона внутри блика распределены равномерно.

Оценка Кривизны поля, Дисторсии и Хроматических аберраций

Выполняется путём сравнения изображений, полученных с помощью исследуемых объективов, с некоторым Тестом. Тест представляет собой серию чёрных линий различной толщины и различного расстояния между ними, напечатанных чёрной краской на белой бумаге, с максимально возможным разрешением и контрастом, см. рис. 2.


Рис. 2. Тест
Съёмка Теста производится при достаточном освещении с максимальным кадрированием, для каждого фокусного расстояния, при fmax и f/8. В процессе сравнения снимков и Теста выявляется степень Кривизны поля, Дисторсии и Хроматических аберраций. В качестве критериев для оценки Кривизны поля, Дисторсии и Хроматических аберраций будем использовать следующие:
Кривизна поля тем выше, чем ниже резкость изображения от центра к его краям;
Дисторсия изображения тем выше, чем выше степень «подушкообразных» искажений в длиннофокусном режиме и «бочкообразных» — в широкоугольном;
Хроматические аберрации тем выше, чем интенсивней проявляет себя окрашивание фрагментов изображения Теста.Точность оценок
В нашем случае точность оценок определяется следующими основными факторами. Для Бокэ: размер блика на изображении (чем он крупнее, тем более адекватное решение принимает исследователь); качество отверстия на приборе ТИС (необходимо стремиться к максимально более округлой его форме и чистоте контура). Для Кривизны поля, Дисторсии и Хроматических аберраций: выбор экспозиции, обеспечивающей максимальную контрастность изображения Теста (контрастный, снимок даёт возможность более корректно оценить исследуемые аберрации); ориентация объектива строго перпендикулярно к плоскости Теста (один из принципиальных моментов; достигается с помощью специального оборудования); качество Теста (в идеале следует использовать т.н. Миру; в случае применения лазерных распечаток необходимо обеспечить максимальное качество печати). Для всех характеристик: особенности конкретного экземпляра объектива и фотокамеры (уровень погрешности здесь, как правило, известен, однако важно, чтобы теоретические расчёты каждый раз совпадали с реальностью).
С учетом указанных факторов и реальных условий экспериментирования точность приведенных в данной работе результатов тестирования не может считаться высокой и составляет по нашему мнению не более 80%.
Исходя из этого, нет смысла использовать приведенные ниже результаты тестирования для научных экспериментов, построения графиков MTF и принятия важных решений.
Анализ результатов тестирования

Canon 16-35


Бокэ красивое, тона внутри блика распределены равномерно, при f/8 – безупречное, при fmax/2.8 в образовании блика различимы углы многоугольника, образуемые лепестками диафрагмы. При f/2.8 присутствует ореол в изображении блика.


16mm, f2.8, ближняя35mm, f2.8, ближняя35mm, f8.0, дальняя
зона нерезкостизона нерезкостизона нерезкости

На всех фокусных расстояниях при f/8 — резко по всему кадру; исключение составил только один случай: на 35 мм при f/2.8, как и при f/8, — нерезко было в равной степени по всему кадру. При fmax в центре объектив очень резок, но вследствие кривизны поля к краям кадра и в углах наблюдалось падение резкости. На краях кадра присутствует дисторсия, особенно на фокусных расстояниях от 16 мм до 20 мм, что для широкоугольного зум-объектива вполне естественно. Имеют место незначительные хроматические аберрации, выраженные в окрашивании тонких линий теста.


16мм, f8.024мм, f2.835мм, f8.0
Удачно сочетая в себе красивое бокэ с хорошей резкостью, и что немаловажно, — высокую постоянную светосилу, данный объектив может быть использован для репортажной съёмки с рук и без «смазывания» из-за колебаний. Рисунок объектива практически идеален, что следует из представленных ниже снимков.


16мм, ISO 100, f2.8, 1/30с16мм, ISO 100, f8.0, 1/45с35мм, ISO 400, f8.0, 1/90с

SIGMA 17-35


Бокэ у этого объектива эстетично, размытия в зоне нерезкости имеют форму круга, распределение тонов — равномерное, но при fmax с фокусного расстояния 24 мм можно заметить грани в образовании блика.


35mm, f4.0, дальняя
зона нерезкости

Объектив в целом не очень резок, при fmax в диапазоне фокусных расстояний 17-20 мм резкости на краях нет вообще; в худшую сторону отмечается именно 17 мм. По центру линии теста «рисовались» очень мягко. При f/8 изображение теста приобретает мягкую прорисовку линий по всему кадру. В середине своего диапазона фокусных расстояний объектив показал удовлетворительный результат, даже при fmax на фокусных расстояниях 24 и 28 мм картинка теста резка по всему кадру. На длинном конце 35 мм при fmax, и без того мягкая резкость в центре, к краям падает. В итоге, объектив по резкости на фокусных расстояниях 17-20 мм и 35 мм показывает неудовлетворительный результат; при этом, в лучшую сторону отмечается диапазон 24-28 мм.
Дисторсия замечена на всех фокусных расстояниях, кроме крайнего на дальнем конце 35 мм. Причем, максимальное искривление линий по краям кадра наблюдается с уменьшением фокусного расстояния до 17 мм. Кроме того, этот объектив не лишён хроматических аберраций. В зависимости от фокусного расстояния и диафрагменного числа, интенсивность их то увеличивается, то уменьшается от центра к краю.


17мм, f2.8, центр28мм, f3.535мм, f8.0
Объектив не претендует на лидерство с приведенным выше Canon 16-35, проигрывая по ряду оптических характеристик. Вместе с тем, он будет неплохим инструментом фотографу, стесненному в материальных средствах, которому необходим компромисс между ценой, светосилой и качеством.
Рисунок объектива в целом мягок, фотографии в среднем диапазоне фокусных расстояний не огорчат даже искушенного любителя резкости.


17мм, ISO 200, f8.0, 1/500с

Canon 70-200


На всех фокусных расстояниях при fmax бокэ эстетично, имеет форму круга, тона внутри которого распределены равномерно, но при f/8 окружность блика представляется в виде скругленного 8-ми угольника.


200mm, f2.8, ближняя200mm, f8.0, дальняя
зона нерезкостизона нерезкости

Объектив очень резок в центре на фокусных расстояниях 100 и 135 мм при fmax/2.8, но на краях и в углах наблюдается падение резкости. На всех фокусных расстояниях при уменьшении относительного отверстия до f/8, аберрации устраняются, и резкость возрастает до максимального значения по всему полю кадра. Слабыми местами этого светосильного телеобъектива являются крайние значения фокусных расстояний — 70 и 200 мм; при fmax/2.8 рисунок теста очень мягок по всему кадру, без той «звенящей» резкости, которая имела место быть на других фокусах.
Хроматические аберрации преобладают на фокусных расстояниях от 70 до 100 мм, причём по мере закрытия диафрагмы до f/8 их уровень значительно возрастает. В другом диапазоне фокусных расстояний от 135 до 200 мм хроматические аберрации практически отсутствуют.


135мм, f8.0200мм, f2.870мм, f8.0
Принимая во внимание хорошие оптические характеристики, достаточно высокую светосилу, наличие механизма стабилизации изображения, мгновенную фокусировку с помощью волнового мотора этот объектив будет удобным и надежным инструментом при фотографировании с рук в условиях недостаточной освещенности и при съёмке дальних планов.
Рисунок объектива очень хорош, сочетает в себе резкость с мягкостью дальнего плана и притягивает взгляд.


200мм, ISO 200, f3.5, 1/1000с200мм, ISO 200, f4.5, 1/500с200мм, ISO 100, f22, 8c

SIGMA 70-200


Ещё один светосильный зум-объектив независимого производителя оптики. Он не очень дорог, а значит, более доступен, и может стать необходимым дополнением в арсенале фотографа.
При fmax на всех фокусных расстояниях замечаний к бокэ нет, оно эстетично. Но при f/8, особенно в дальней области нерезкости, сильно выражены грани. На фокусном расстоянии 200 мм при f/8 – грани максимальны и бокэ выглядит некрасиво.


200mm, f2.8, ближняя200mm, f8.0, ближняя
зона нерезкостизона нерезкости

В сравнении с аналогом Canon 70-200 необходимо отметить одинаково плохие показатели бокэ при fmax/2.8 в дальней области нерезкости. На крайнем фокусе 200 мм оба объектива показывают плохое бокэ, причём, бокэ SIGMA 70-200 имеет ярко выраженные грани 8-ми угольника.
В целом по резкости объектив очень мягок. «Документальная, звенящая» резкость встречается только на фокусе 100мм, как при f/8, так и при fmax/2.8. В остальных случаях на всех фокусных расстояниях при fmax/2.8 снимок теста не резок по всему кадру в равной степени. При уменьшении относительного отверстия до f/8 резкость возрастает по всему полю кадра, причем в этом случае на 200 мм фокусного расстояния — самая чёткая картинка теста. Самое размытое изображение соответствует фокусу 200 мм при f/2.8.
Хроматические аберрации присутствуют на всех фотографиях теста в той или иной степени, причем с увеличением диафрагменного числа их уровень возрастает.


100мм, f8.0200мм, f8.0700 мм, f2.8
Анализ результатов тестирования позволяет заключить, что данный объектив не является очень резким и контрастным, как, к примеру, Canon 70-200. И, тем не менее, данный телевик обеспечивает мягкий рисунок по всему кадру без потерь на краях и в углах, что важно для портретной съёмки, а необходимый диапазон длиннофокусных расстояний позволит эффективно снимать удаленные объекты крупным планом.


200мм, ISO 400, f2.8, 1/350с200мм, ISO 400, f4.5, 1/350с200мм, ISO 400, f4.5, 1/90c

Canon 100


При fmax/2.8 бокэ очень красивое, рисунок в зоне нерезкости эстетичен, однако, на f/8 появляются грани в дальней зоне нерезкости. При f/32 грани исчезают.


100mm, f2.8, ближняя100mm, f8.0, ближняя100mm, f8.0, дальняя
зона нерезкостизона нерезкостизона нерезкости

Объектив даёт резкое изображение по всему кадру для всех диафрагменных чисел, причём, на f/8 резкость максимальна. Хроматические аберрации незначительны при fmax/2.8; в ходе уменьшения относительного отверстия до f/8 цветовые аберрации возрастают; при f/32 исчезают полностью.


100мм, F2.8100мм, f8.0


ISO 100, f2.8, 1/60сISO 400, f4.5, 1/180сISO 400, f8.0, 1/750с

Canon 50


Рассмотрим, еще один объектив с фиксированным фокусом. Пятьдесят миллиметров — золотое число мировой фотографии. Это самый светосильный объектив из рассмотренных здесь. Его минимальное значение диафрагменного числа равно 1.4. Бокэ очень красиво и эстетично, грани практически не заметны при любых диафрагменных числах и не вызывают негативных эмоций.


50mm, f1.4, ближняя50mm, f8.0, дальняя
зона нерезкостизона нерезкости

При fmax/1.4 в центре резкость очень хорошая, но в правой части кадра эксперимент показал значительное падение резкости. При f/8 — фотография теста представляет собой образец резкости и контрастности изображения по всему кадру.


50мм, f1.450мм, f8.0
Хроматические аберрации присутствуют в незначительной степени. Геометрическая картинка у этого объектива наиболее правильная, дисторсия очень незначительна.


ISO 100, f1.4, 1/1000сISO 100, f1.4, 1/125сISO 400, f1.4, 1/350с


ISO 100, f2.8, 1/45cISO 100, f3.5, 1/90cISO 100, f5.6, 1/90c
Следует отметить, что этот светосильный объектив, как и Canon 100, дал более высокие и ровные показатели оптического качества по результатам тестирования, чем объективы с переменным фокусным расстоянием.

Canon 24-70


На всех фокусных расстояниях и диафрагменных числах бокэ эстетично, при f/8 – практически идеально.


50mm, f2.8, дальняя50mm, f8.0, дальняя
зона нерезкостизона нерезкости

По резкости объектив очень хорош, при f/8 демонстрирует безупречную «звенящую» резкость по всему кадру на всех фокусных расстояниях, при fmax/2.8 резок практически по всему кадру с незначительным понижением резкости в углах кадра.
Явно выражена дисторсия на фокусах 24-35 мм.
Хроматические аберрации в целом незначительны, причем на фокусах 50-70 мм тесты показали их полное отсутствие, а на фокусе 28 мм – максимальное значение.


24мм, f2/828мм, f8.070мм, f8.0
В целом, объектив имеет неплохие оптические характеристики, несмотря на то, что имеет экстремальное значение фокусного расстояния на коротком конце в 24 мм. Мощная светосила, очень красивое бокэ, великолепная резкость даже на максимальной диафрагме, популярный диапазон фокусных расстояний.


70мм, ISO 1000, f2.8, 1/180с70мм, ISO 400, f4.5, 1/125с

Canon 35-350


При полностью открытой диафрагме на всех фокусных расстояниях объектив обеспечивает очень красивое бокэ, но при увеличении относительного отверстия от f/8 и более бокэ приобретает форму восьмигранника.


350mm, f5.6, ближняя200mm, f8.0, дальняя
зона нерезкостизона нерезкости

По резкости на всех фокусных расстояниях при f/8 объектив показал прекрасные результаты, картинка теста во всех случаях очень резкая и контрастная по всему кадру. На полностью открытой диафрагме на фокусах 50, 70, 100, 135 мм тест был достаточно резок по всему кадру; на коротком конце 35 мм и диапазоне фокусов 160, 200, 250, 300, 350 мм изображение слегка размыто.
Дисторсия выявлена на 35 мм, на остальных фокусных расстояниях геометрия изображений вполне приемлема. Хроматические аберрации присутствуют в различной степени на всех фокусных расстояниях.


100мм, f4.5135мм, f4.5200мм, f8.0


300мм, f5.6350мм, f8.050мм, f8.0
Этот зум-объектив среди тестируемых в настоящей работе имеет самый широкий диапазон фокусных расстояний, что делает его незаменимым для репортажной съёмки. Практически исключается необходимость смены объективов или применения нескольких камер, что увеличивает оперативность. С увеличением диафрагменного числа более 8-ми данный объектив обеспечивает всё более резкое изображение, хотя эстетика расфокусированных областей здесь не идеальна.


350мм, ISO 400, f8.0, 1/350с350мм, ISO 400,110мм, ISO 400, f4.5, 1/500с
f5.6, 1/2000с

Canon 28-135


На всех фокусных расстояниях при fmax бокэ имеет форму круга и равномерное распределение тонов внутри круга. При f/8 на всех фокусных расстояниях бокэ практически идеально.


70mm, f4.5, дальняя70mm, f8.0, дальняя
зона нерезкостизона нерезкости

Объектив обеспечивает резкое изображение почти по всему кадру на всех фокусных расстояниях и диафрагменных числах. Однако в углах наблюдается падение резкости, причем, даже увеличение диафрагменного числа до 8-ми не устраняет эти искажения. Только в средней части диапазона фокусов 50 и 70 мм при f/8 в углах кадра резкость на высоте.
Максимальный уровень хроматических аберраций наблюдается при значении фокусного расстояния 35 мм; на других значениях этого или нет, или степень их проявления незначительна. Сильные геометрические искажения имеют место на фокусе 28 мм; на 35 мм – дисторсия незначительна.


100мм, f8.0135мм, f8.028мм, f8.0


35мм, f3.550мм, f8.070мм, f4/5
Результаты тестирования показывают, что данный объектив в целом имеет неплохие оптические характеристики, сочетая в себе красивое бокэ и приличную резкость. Объектив оснащён системой стабилизации, что в значительной степени расширяет диапазон допустимых выдержек при съёмке «с рук» без «смазывания» изображений.


28мм, ISO 100, f3.5, 1/250с85мм, ISO 400,135мм, ISO 800, f8.0, 1/250с
f5.6, 1/350с

Canon 28-200


Бокэ при fmax – эстетично, при f/8 – приобретает форму скругленного шестигранника.


200мм, f5.6, дальняя200мм, f8.0, дальняя
зона нерезкостизона нерезкости

При f/8 объектив резок по всему кадру без потери качества даже в углах. При fmax хорошая резкость наблюдается только в центре при значении фокусного расстояния 50 мм с падением резкости в углах; при 70 мм — резкость мягкая с ухудшением её в углах кадра; на 28, 35, 135 и 200 мм – откровенно плохая резкость по всему кадру.
Хроматические аберрации присутствуют в различной степени на всех фокусных расстояниях и диафрагменных числах, кроме фокуса 50 мм, и максимально проявили себя на фокусном расстоянии 28 мм. Здесь имеет место сильная дисторсия; на 35 мм искажения цвета ослабляются.


135мм, f5.6200мм, f5.628мм, f8.0


35мм, f3.550мм, f8.070мм, f8.0
Характеристики объектива весьма чувствительны к изменению фокусного расстояния и диафрагменного числа. Сочетает в себе практически идеальное бокэ при полностью открытой диафрагме, хорошую резкость при f/8 и выше, сильные геометрические искажения на 28 мм и полное отсутствие хроматических аберраций на 50 мм. В связи с этим, объектив может быть рекомендован творческим натурам, неуравновешенным и испытывающим определённые трудности в общении для съёмки «с рук» крупным планом, художественной съёмки с размыванием фона, а также для портретной съёмки.


135мм, ISO 100,70мм, ISO 100,
f5.6, 1/180cf4.5, 1/125c

Заключение
Целью настоящей работы была оценка ряда оптических характеристик некоторых объективов. В качестве оцениваемых характеристик использовались: Бокэ, Кривизна поля, Дисторсия и Хроматические аберрации.
Главной задачей исследований была попытка охарактеризовать каждый тестируемый объектив с точки зрения влияния его оптических характеристик на изображение в кадре, а именно: каким образом каждый из тестируемых объективов отображает фотографируемые предметы в ближней и дальней областях нерезкости, а также в зоне резкости по всему полю на различных фокусных расстояниях и диафрагменных числах.
Результаты тестирования объективов в сжатой форме приведены в таблице 1.
В ходе работы сделано 346 снимков. Из них: 170 — фотографии приспособления ТИС для оценки Бокэ; 112 – фотографии Теста для оценки Кривизны поля, Дисторсии и Хроматических аберраций; 64 – снимки, выполненные в естественных условиях, позволяющие получить общее представление о «рисунке» объективов. Основные из выполненных снимков в количестве 87-ми штук приведены в настоящей работе для анализа.
Полученные в ходе тестирования данные могут быть использованы для выбора оптики, правильного соотношения оптических характеристик объектива и его стоимости, а также в учебном процессе.
Использованные источники

  • Фото и видео. Справочник. М.: Издательский дом «Дрофа», 1995. — 380с.
  • Марин Милчев. Цифровые фотоаппараты. СПб.: «Питер», 2003. — 204с.
  • Гринберг С. Цифровая фотография. Самоучитель. 3-е изд. СПб.: «Питер», 2003. — 352с.
  • Синтия Л. Барон, Дениел Пек. Цифровая фотография для начинающих. Учебно-справочное издание. Пер. с англ. – М.: «Кудиц-Образ», 2003. – 256с.

    Источник