Зенитар 60/2.8 Макро, Индустар-61 ЛЗ 50/2.8, ЛЗОС Вега-11У 50/2.8 – «Хороший, плохой, злой»

Увидев недавнюю публикацию сравнительного теста Зенитар 60/2.8 Макро и Индустар-61 ЛЗ-МС в группе «Оптика "MADE IN USSR"», я решил дополнить её своими расчетами на основании моделирования оптических схем объективов в программном пакете ANSYS Zemax 13. К тому же недавно я занимался расчётом 60 мм объектива и, конечно же, анализировал оптические схемы известных решений среди объективов, имеющих репутацию хороших макриков.

К сравнению я добавил действительно популярное и зарекомендовавшее себя решение для бюджетного макро – известный советский объектив от фотоувеличителя «Вега-11У» 50/2.8 в варианте выпуска ЛЗОС.

Данный тест не учитывает качество сборки и особенности исполнения реального объектива, но все расчёты выполнены для вполне реальной функции спектральной чувствительности матрицы на основе опубликованных данных для матрицы Sony A7R2. Для оценки оптического качества исследуемых объективов выбраны следующие критерии:

1. Размер и форма аберрационных пятен объектива на оптической оси и в разных областях поля изображения, т.е. то, как изображение точки преобразуется в изображение объективом в центре кадра и по полю. Позволяет быстро визуально сравнить качество изображения.

2. Кривые формы поля объектива с учетом кривизны поля и астигматизма, но без учета аберраций высших порядков – позволяют оценить достижимость высокого качества изображения по полю на малых апертурах. По вертикальной оси – удаление от центра в пространстве изображения, по горизонтальной – удаление от плоскости изображения.

3. Кривые дисторсии – дают информацию о характере и величине дисторсии объектива. По вертикальной оси – удаление от центра в пространстве изображения, по горизонтальной – величина дисторсии.

4. Графики продольной аберрации для разных длин волн – учёт вклада сферической (СфА), хроматической (ХА) и сферохроматической (СфХА) аберрации для изображения на оптической оси. Для идеального объектива пучок кривых должен быть нулевой ширины (невозможно из-за хроматической аберрации) и должен совпадать с вертикальной осью (практически достижимо при полном исключении сферических аберраций). По вертикальной оси – размер апертуры, по горизонтальной – удаление от плоскости изображения.

5. Графики частотно-контрастной характеристики (ЧКХ, КПМ, MTF – это все они) объективов при частотах 10 лин/мм (контурный контраст) и 30 лин/мм (детализация) по полю изображения. Удобная визуально оценка качества объектива. По вертикальной оси – контраст (1 – идеальное разрешение, 0 – полное отсутствие разрешения для данной частоты, т.е. ближе к 1 – лучше), по горизонтальной – положение в плоскости изображения от оптической оси до угла кадра. Для идеального объектива кривые ЧКХ параллельны горизонтальной оси и достигают величины контраста, соответствующей дифракционному пределу.

Анализ оптических схем объективов

Исследуемые объективы сильно отличаются как по сложности оптической конструкции, так и по технологическому уровню её исполнения. Так, наиболее простым является объектив Индустар-61 50/2.8 (поздний вариант ЛЗОС): в нем всего лишь 4 линзы, повторяющие известную оптическую схему «Тессар» Пауля Рудольфа, идейно следующей за простейшим анастигматов – «Триплетом» Гарольда Тейлора. Однако линзы эти сделаны с применением высокопреломляющего лантанового стекла СТК19 (показатель преломления n=1,744), которое позволяет достичь высокого уровня оптического качества в сравнении с тессарами «долантановой» эпохи. Объектив имеет угол поля зрения 46° и точное фокусное расстояние 52 мм.

Оптическая схема Индустар-61 ЛЗ 50/2.8 (ЛЗОС).

Вега-11У (вариант ЛЗОС) уже является более сложным объективом – в её конструкции содержится 5 линз, причем объектив относится к семейству «двойных Гауссов», то есть произошел от симметричного «Планара» Пауля Рудольфа, в котором были хорошо исправлены кома, дисторсия и кривизна поля за счет симметризации схемы. Тем не менее, Вега-11У не использует лантановых стекол и в целом выполнена из довольно примитивных материалов из палитры стекла уровня середины 30-х годов. Объектив имеет фокусное расстояние 50 мм и угол поля зрения 46°, рассчитан на работу при конечной дистанции 300 мм.

Оптическая схема Вега-11У 50/2.8 (ЛЗОС).

Зенитар 60/2.8 Макро – сложный восьмилинзовый объектив, использующий лантановые стекла СТК3 (n=1,659) и представляющий собой развитие «двойного Гаусса». Другая особенность объектива – фокусировка за счет изменения расстояния между линзами 6 и 7, а не перемещением всего линзоблока, что сделано для обеспечения хорошей коррекции аберраций на бесконечности и в макродиапазоне одновременно.

Оптическая схема Зенитар 60/2.8 Макро из патента RU2760643C1 (расчет: Богданков Владимир).

Сама по себе идея объектива является не оригинальной, поскольку аналогичная с точностью до форм и положения элементов оптическая схема была применена десятилетиями ранее в старом объективе Nikkor 60/2.8 D. Потому расчет, выполненный Владимиром Богданковым, является, в сущности, улучшением каких-то характеристик старого объектива и пересчетом на оптическое стекло ЛЗОС.

Оптическая схема Nikkor 60/2.8 D.

Фактически объектив имеет фокусное расстояние 67 мм и угол поля зрения 36°, что играет важную роль: с малым угловым полем объектив исправить намного проще. Этакое «читерство».

Таким образом, более сложный Зенитар 67/2.8 должен неким образом успешно противостоять Индустару-61 50/2.8 при дальних и средних дистанциях фокусировки, а специализированной Веге-11У 50/2.8 – в макродиапазоне. На битву за угол поля зрения он проиграл с момента расчета.

Анализ рассчитанных характеристик объективов при фокусировке на бесконечность

Работу объективов при фокусировке на дальних дистанциях интереснее всего оценить при открытой диафрагме. Ниже приведены диаграммы пятен, астигматической формы поля, дисторсии, продольной аберрации и ЧКХ объективов Индустар-61 ЛЗ 50/2.8, Вега-11У 50/2.8 (ЛЗОС), Зенитар 67/2.8. Масштаб на графиках по возможности был выдержан одинаковым, но это не всегда соблюдалось, поскольку не всегда было информативно – обращайте внимание на масштаб осей.

Характеристические диаграммы объектива Индустар-61 ЛЗ 50/2.8.

Характеристические диаграммы объектива Вега-11У (ЛЗОС) 50/2.8.

Характеристические диаграммы объектива Зенитар 67/2.8.

Рассмотрев приведенный набор данных, можно сделать следующие выводы:

1. В центральной части кадра объективы Зенитар и Вега оказываются близки по качеству и имеют близкие значения ЧКХ на оси, причем Вега отличается лучшей коррекцией хроматических аберраций, но большим уровнем аберраций высшего порядка, о чем свидетельствует диаграмма продольной аберрации: у Вега-11У пучок кривых более узкий, чем у Зенитара (ниже ХА), но он отклоняется в левую часть графика при приближении к апертуре F/2.8 (выше СфА высших порядков).

2. Качество изображения объектива Индустар-61 в центре кадра ниже, чем у Веги и Зенитара, и ограничено выраженными сферическими аберрациями (третьего и более высоких порядков), о чем свидетельствует характерная форма пучка кривых на графике продольной аберрации – с участком наклона влево (СфА 3 порядка) и дальнейшим отклонением вправо (СфА высших порядков). Сам по себе пучок кривых шире, что наглядно показывает худшую примерно вдвое коррекцию вторичного спектра у объектива Индустар-61 в сравнении с прочими рассматриваемыми.

3. По полю кадра Индустар-61 оказывается не хуже Зенитара в данных условиях, основной вклад в снижение качества вносит астигматизм, о чем свидетельствует «расхождение» линий ЧКХ тангенциальных и сагиттальных пучков, симбатное наблюдаемому на диаграмме кривизны поля. Вега же обладает выраженным нескомпенсированным астигматизмом, высоким уровнем аберраций высшего порядка (кома-астигматизм высоких порядков) по полю, вследствие чего качество изображения сильно уступает соперникам.

4. Индустар обладает наибольшим уровнем дисторсии – «бочка» почти 3%, в то время как репродукционная Вега – наименьшим (менее 0.5%). Зенитар демонстрирует почти 1.5% «подушки», что вполне приемлемо.

Таким образом, при съемке на бесконечности объектив Индустар-61 ЛЗ оказывается действительно очень неплохим даже в сравнении с многолинзовым и сложным Зенитаром, обладая притом намного большим углом поля зрения. Однако из-за большего уровня хроматизма и большей кривизны поля Индустар проиграет Зенитару по качеству изображения как в центре, так и по полю при малых апертурах (F/5.6-F/11). Вега-11 является не лучшим объективом для съемки на удаленных дистанциях на диафрагмах, близких к F/2.8, хотя живые тесты демонстрируют паритет объектива с Индустаром при F/8-F/11.

Анализ рассчитанных характеристик объективов при фокусировке на дистанции 20 см при F/2.8

Сравнение производительности объективов в ближнем поле было проведено как для F/2.8, так и для F/5.6, чтобы продемонстрировать наглядно изменение сферохроматизма и астигматизма при изменении дистанции фокусировки.

Характеристические диаграммы объектива Индустар-61 ЛЗ 50/2.8.

Характеристические диаграммы объектива Вега-11У (ЛЗОС) 50/2.8.

Характеристические диаграммы объектива Зенитар 67/2.8.

По приведенным изображениям можно сделать следующие умозаключения:

1. Несмотря на рост сферической аберрации у объектива Вега-11У при данных условиях, по уровню сферохроматизма объектив оказывается значительно лучше, чем Зенитар, и даже не уступает ему по качеству изображения в центре кадра. Нюанс в том, что Зенитар при этом будет, вероятно, иметь заметный хроматизм, а Вега – нет. Индустар теряет качество изображения из-за роста сферохроматических аберраций и оказывается в центре кадра сильно хуже своих соперников.

2. Из-за меньшей кривизны поля и лучшего исправления монохроматических аберраций высшего порядка Зенитар оказывается лучше, чем Вега-11, по краю кадра.

3. Индустар-61 при данных условиях имеет катастрофический уровень кривизны поля и астигматизма (обратите внимание на масштаб горизонтальной оси на диаграмме и диаграмму пятен), а потому уже ясно, что ни при какой диафрагме качество по полю в этом случае достигнуто быть не может в принципе.

На этом этапе изучения трех объективов можно точно отметить непригодность Индустара-61 в качестве специализированного макрообъектива. В то же время разница между Вегой и Зенитаром не столь велика. Минусом Зенитара является плохая коррекция хроматизма на диафрагмах, близких к открытой – можно ожидать множество синих окантовок на контрастных границах при съемке.

Анализ рассчитанных характеристик объективов при фокусировке на дистанции 20 см при F/5.6

Теперь избавимся от влияния аберраций высшего порядка и рассмотрим производительность трех объективов на диафрагме F/5.6, которая уже должна обеспечивать высокий уровень качества при отсутствии проблем с дифракцией.

Характеристические диаграммы объектива Индустар-61 ЛЗ 50/2.8.

Характеристические диаграммы объектива Вега-11У (ЛЗОС) 50/2.8.

Характеристические диаграммы объектива Зенитар 67/2.8.

Вышеприведенные графики дополняют картину новыми сведениями:

1. Из-за высокого уровня хроматизма Индустар-61 обладает существенно худшей передачей мелких деталей, о чем свидетельствует величина ЧКХ для 30 лин/мм, сильно уступающая другим двум рассматриваемым объективам. Притом, как ранее было замечено, объектив не способен обеспечить вменяемое качество изображения по полю при данной дистанции фокусировки, из-за высокого уровня астигматизма и кривизны поля, что подтверждает выраженное падение кривых ЧКХ при движении к краям кадра.

2. Зенитар демонстрирует лучшее качество изображения на краях и в углах кадра в сравнении с Вегой, страдающей избыточной кривизной поля и латеральным хроматизмом.

Следовательно, как как макрообъектив Зенитар оказывается более производительным решением при диафрагме F/5.6, нежели Вега-11У. Индустар-61 сильно уступает по качеству изображения обоим объективам сравнения.

Общие выводы

1. Индустар-61 ЛЗ 50/2.8 является действительно удачным штатным объективом, обеспечивая при сильно большем угле поля зрения, чем у Зенитара 67/2.8, сравнимое качество изображения при использовании на средних и дальних дистанциях. Но рекомендовать Индустар-61 ЛЗ как хорошее решение для макросъемки оснований нет из-за неудовлетворительного качества изображения вне центра кадра.

2. Вега-11У 50/2.8 не является хорошим объективом для использования на средних и дальних дистанциях на открытой диафрагме, обеспечивая достаточное качество лишь в центре кадра, но может быть рекомендована как бюджетный макрообъектив, особенно для камер формата APS-C, поскольку в пределах такого размера кадра обеспечивает довольно высокий уровень качества изображения.

3. Зенитар 67/2.8, безусловно, оказывается лидером по качеству изображения в целом среди рассмотренных объективов, обеспечивая хорошую работу как на дальних, так и на близких дистанциях, что и было целью изобретения. Основной недостаток объектива – сомнительная коррекция продольных хроматических аберраций на близких к открытой диафрагмах, а также меньший угол поля зрения в сравнении с соперниками. Тем не менее, за счет меньшего эффекта изменения фокусного расстояния при изменении дистанции фокусировки (“focus breathing”) в сравнении с Вегой и Индустаром угол поля зрения в макродиапазоне у Зенитара может быть и больше.

4. Индустар или Вега по отдельности не могут являться эквивалентом Зенитара, но комплектом, по сути, эти два дешевых и распространенных объектива обеспечивают при правильном подходе практически тот же результат, что достижим с помощью Зенитара. Необходимо лишь помнить о меньшей устойчивости старых объективов к контровому свету, а также правильно выбирать дополнительные приспособления, дабы избежать, например, показанных в оригинальном посте проблем с контрастом связи Индустар-61 – макрокольца.

Автор: Родион Эшмаков