Como as lentes funcionam e como elas corrigem as aberrações ópticas?

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As objetivas modernas, são compostas por várias lentes, acomodadas dentro do corpo do equipamento.

Cada qual tem um tarefa a ser cumprida. Algumas delas podem estar agrupadas, para combinar efeitos ou corrigir defeitos na forma como a luz é transmitida.

Pense nisso, quando você lê as especificações técnicas de uma lente e encontra a informação de que ela possui 14 elementos em 9 grupos, por exemplo.

Em alguns casos, as lentes são agrupadas para realizar certas tarefas com a luz que as atravessa, antes de atingir o sensor ou entregar a imagem para outra lente.

As lentes “mais grossas” ao centro, são chamadas de “convexas”.

As lentes convexas têm o trabalho de convergir os raios de luz paralelos para um ponto focal (usualmente, no sensor).

Através de uma lente côncava, os raios de luz paralelos convergem para o centro, em um ponto focal, localizado no sensor da câmera.

É graças à convergência, que a imagem de uma paisagem enorme pode caber dentro de um pequeno sensor.

O elementos, dentro de uma objetiva, são o que dá forma à imagem final. Cada projeto de objetiva tem uma personalidade, ou um conjunto de características, que vão ajudar a moldar as fotos ou os vídeos, gravados pelo sensor.

A refração

Os raios de luz, não trafegam em linha reta na direção do ponto focal. Eles se dobram ligeiramente para dentro.

O fenômeno da refração, ocorre por que os raios de luz trafegam em diferentes ondas. Imagem: Canon Asia.

Como consequência, o ponto de foco se forma ligeiramente fora do plano do sensor.

A lente convexa não é capaz de fazer a convergência perfeita, em um único ponto (ou plano) focal — causando uma aberração esférica.

Como consequência da refração, o plano focal não coincide com o plano do sensor, causando a aberração esférica. Imagem: Canon Asia.

Aberrações cromáticas

Somado às aberrações esféricas, as aberrações cromáticas são um outro fenômeno, que ocorre por que os raios de luz, de cores diferentes, trafegam em comprimentos de ondas diferentes.

O fenômeno da aberração cromática: ocorre por que cada cor, dentro de um raio de luz, trafega em um comprimento de onda diferente, atingindo o plano focal em momentos e locais distintos. Imagem: Canon Asia.

Por exemplo, raios de luz vermelha, têm comprimentos de onda mais longos que os raios de luz azul. Desta forma, os raios vermelhos tendem a convergir para o plano posterior ao plano focal desejado. E os azuis, têm ponto de convergência anterior ao plano focal. Veja a imagem, abaixo:

Aberração cromática ocorre por que as cores trafegam em ondas de comprimentos diferentes, dentro de um raio de lu z.Imagem: Canon Asia.

Como resultado, as cores parecem “sangrar” nas bordas dos elementos de maior contraste, na sua imagem.

Sangramentos de cores (color bleeding) e aberrações cromáticas são fenômenos físicos que costumam estar presentes nas imagens com elementos contrastantes. Imagem: Canon Asia.

Lentes côncavas

Com a adição de lentes côncavas, às lentes convexas, boa parte dos problemas da difração podem ser corrigidos.

Lentes côncavas corrigem aberrações cromáticas e aberrações esféricas. Imagem: Canon Asia.

A função das múltiplas lentes

As várias lentes, contidas no corpo da sua objetiva realizam tarefas específicas, além de ajudar a alterar a distância focal.

Com atuação independente e agrupadas com outros elementos, elas ajudam a corrigir o foco e a dispersão de cores.

No corpo da objetiva várias lentes se perfilam independentemente ou em grupos. Cada uma realiza uma tarefa, para entregar a melhor imagem possível ao sensor. Imagem: Canon Asia.

Outras formas de corrigir as aberrações

As lentes fazem um excelente trabalho na correção das aberrações ópticas. Contudo, às vezes escapa alguma “coisinha”, especialmente nas áreas de maior contraste da imagem ou em condições muito desafiadoras de luminosidade — como fotografar contra o sol ou outras fontes de luz muito fortes.

Se as redes sociais forem o destino final da imagem, dificilmente as aberrações serão percebidas — não só pelo tamanho final, mas também pelo fato de estar postando para um público que não se atém mais do que alguns segundos em cada foto.

As câmeras têm softwares internos de correção de aberrações cromáticas, que você pode usar à vontade para obter fotos mais “corretas”, sob o ponto de vista óptico.

Os softwares de edição (como o DarkTable ou o GIMP), também possuem meios de correção, criados especificamente para cada lente.

Embora seja uma grande comodidade, a correção de software tem desvantagens. É quase impossível remover defeitos, sem impactar o restante da imagem — como o contraste, a nitidez e a relação geral de cores.

Correções das distorções radiais, por exemplo, são feitas com cortes laterais na imagem — de forma que você precisaria pensar em deixar mais espaço horizontal e vertical, durante a composição das suas fotos, já prevendo os cortes dos softwares de edição.

As lentes dos celulares também produzem aberrações ópticas?

Se não existe lente perfeita, as dos celulares não são exceção. Por um lado, se beneficiam da proximidade da lente com o sensor, que proporciona uma distância menor para a luz percorrer. Por outro lado, a maior densidade de pixels e a menor qualidade dos sensores contribuem para a degradação da imagem.

O conjunto de lentes, da maioria dos celulares é razoavelmente simplificado e está exposto às mesmas condições que qualquer objetiva.

Uma das vantagens dos projetos de lentes e sensores dos celulares, são as lentes fixas (sem zoom óptico), que permite ao fabricante prever exatamente as condições em que as aberrações ópticas irão ocorrer e incluir todas as correções necessárias, já no software da câmera.

O software também procura compensar os problemas de perda de nitidez, contraste etc. depois de aplicar as correções das lentes.

Como agem os revestimentos das lentes

É comum as lentes serem cobertas por produtos químicos — cujos nomes e composições variam de fabricante para fabricante.

Os revestimentos, ou coatings, têm diversas funções importantes também. Alguns servem apenas para tarefas triviais, como repelir água, poeira e a gordura dos dedos das mãos — e são usados apenas no elemento frontal.

Internamente, as lentes recebem coberturas e tratamentos químicos para ajudar a lidar com as aberrações ópticas e promover a passagem da luz, com o mínimo de perda, entre todos os elementos até atingir o sensor.

Como os elementos e a composição das lentes influencia nos preços

As lentes das séries de alta performance usam muitos revestimentos químicos internamente, além de vidro de altíssima qualidade e cristais de fluorita de cálcio sintética, em projetos de objetivas apocromáticas e para reduzir a dispersão da luz.

Boa parte do processo de construção das lentes de alta performance (as mais caras) é manual (no polimento e na montagem final).

É um processo caro e que só é realizado em algumas fábricas do mundo, no Japão e na Alemanha.

Por estas razões, entre outras, as lentes high end possuem etiquetas de preços mais salgados.

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Referências

Este artigo é baseado na vídeo aula da Canon sobre lentes. Assista, abaixo (em inglês).

Como funcionam as lentes (english).

Artigo sobre a fluorita de cálcio na Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorite#Lapidary_uses

Por Elias Praciano

— fã de séries, como "Love, Death & Robots", "Rick and Morty" e "Ray Donovan". Gosta de criar imagens, direto da câmera, com o mínimo de pós-produção. Há vários anos o seu livro favorito é Neuromancer, de William Gibson.

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