Thế giới bên trong ống kính

Bên trong ống kính là cả một ngành công nghệ với những thiết bị và kỹ thuật phức tạp, đảm bảo bức ảnh cuối cùng ngày càng trở nên hoàn hảo hơn.

Ống kính máy ảnh cơ bản là một ống hình thụ có nhiều thấu kính thủy tinh hay nhựa. Ảnh: Digitalcamera.

Ống kính máy ảnh là gì? Về cơ bản, nó chỉ là một ống hình trụ, bên trong có nhiều thấu kính thủy tinh hay nhựa, với một mục tiêu duy nhất là để ánh sáng đi qua theo cách người chụp điều chỉnh, sao cho ra một bức ảnh với một độ phóng đại nhất định, một góc nhìn nhất định với một độ nét nhất định. Vòng lấy nét tác động vào các thành phần trong ống kính sao cho có thể lấy nét vào đối tượng ở nhiều khoảng cách khác nhau. Vòng điều chỉnh độ mở chỉnh đường kính vòng che sáng để kiểm soát ánh sáng đi qua, từ đó can thiệp vào độ sâu trường ảnh. Còn vòng zoom (trên những ống kính zoom) điều chỉnh các thành phần bên trong để có nhiều tiêu cự khác nhau. Nghe qua thì ống kính thật là đơn giản.

Tuy nhiên không hẳn là như vậy. Các thành phần bên trong nó có nhiệm vụ điều hướng ánh sáng đi để tạo nên những hiệu ứng mong muốn (một độ dài tiêu cự cụ thể với một góc nhìn, được lấy nét ở một khoảng cách cụ thể...), nhưng bên cạnh đó cũng sinh ra không ít những hiệu ứng không mong muốn, như quang sai và méo hình. Để khắc phục đòi hỏi phải thiết kế các thành phần ống kính thật thận trọng. Một số công nghệ về quang học và cấu trúc sau đây đã trở thành công nghệ tiêu chuẩn trong các thế hệ ống kính ngày nay.

Thấu kính phi cầu (Aspherical lens)

Các thành phần thấu kính mặt cầu thông thường không thể hội tụ ánh sáng đi qua phần viền và phần tâm lên cùng một mặt phẳng. Kết quả, nếu như phần đối tượng ở trung tâm là nét thì phần đối tượng ở phía viền ống kính sẽ không nét và ngược lại. Hiện tượng này gọi là "quang sai cầu" (spherical aberration). Quang sai cầu càng thể hiện rõ với các ống có độ mở lớn.

Giải pháp khắc phục là sử dụng một thấu kính mặt cong không theo hình cầu thông thường (thấu kính phi cầu_ aspherical). Đường cong phi cầu này có khả năng hội tụ các tia trên cùng một mặt phẳng, bất kể là tia này đi qua trung tâm hay qua viền thấu kính. Do thấu kính phi cầu rất khó chế tạo nên giá thành sẽ bị đội lên. Tuy nhiên, điều này cũng đáng giá khi nó có thể cài thiện được chất lượng hình ảnh rõ rệt. Chúng cũng giúp giảm thiểu méo hình trên các ống kính góc rộng cũng như giảm thiểu hiện tượng quang sai cầu.

Nhưng thấu kính phi cầu làm nguyên khối sẽ rất đắt. Các nhà sản xuất giờ đây đã khắc phục bài toán giá thành bằng cách đúc các mặt cong phi cầu (chế tạo bằng việc định hình thủy tinh bằng công nghệ đúc thay vì mài) sau đó ghép các mặt phi cầu này với thấu kính cầu thông thường (chế tạo bằng việc tạo hình một lớp mặt cong phi cầu nhân tạo lên trên phần thấu kính mặt cầu). Công nghệ này tỏ ra hữu ích trong việc chế tạo những ống kính có độ mở lớn mà không bị hiện tượng quang sai cầu, những ống kính góc rộng không bị méo hình và những ống kính zoom chất lượng cao mà lại nhỏ gọn.

Thấu kính tán sắc siêu thấp (UD_ Ultralow-Dispersion)

Gia đình ống kính Canon. Ảnh: Lensa.

Thấu kính đơn giản không thể hội tụ bước sóng của các màu lên cùng một mặt phẳng. Nếu như bước sóng của màu xanh lục (bước sóng trung bình) hội tụ lên mặt phẳng, thì bước sóng của màu xanh lam (ngắn hơn) sẽ hội tụ phía trước của mặt phẳng đó và bước sóng của màu đỏ (dài hơn) sẽ hội tụ phía sau. Điều này dẫn đến một hiệu ứng được gọi là "quang sai màu dọc" (longitudinal/axial chromatic aberration).

Hiện tượng quang sai màu làm giảm chất lượng hình ảnh và tạo nên các hiệu ứng viền màu bất lợi trên phần cạnh viền đối tượng trong những bức ảnh có độ tương phản cao (như hiệu ứng viền tím thường thấy). Giảm độ mở ống kính xuống có thể giảm thiểu hiện tượng quang sai màu dọc nhưng không thể giảm được quang sai tiếp tuyến (tangential chromatic aberration). Hiện tượng quang sai màu đặc biệt hiện rõ với các ống tele, tele-zoom và ống góc rộng.

Các nhà thiết kế ống kính đã khắc phục cả hai loại quang sai màu nói trên bằng cách sử dụng kết hợp các thành phần thấu kính đặc biệt có các đặc tính tán sắc khác nhau. Nếu kết hợp đúng, chúng sẽ loại trừ được quang sai lẫn cho nhau, kết quả là các bước sóng của các màu sẽ hội tụ trên cùng một mặt phẳng và tất cả các bước sóng màu từ một điểm cụ thể trên đối tượng cũng sẽ đều hội tụ tại cùng một điểm ở trên ảnh.

Các thành phần thấu kính đặc biệt được xếp theo thứ bậc như LD (low dispersion_độ tán sắc thấp), UD (ultralow dispersion_ độ tán sắc siêu thấp), ED và ELD (extra-low dispersion_ độ tán sắc cực thấp), SD and SLD (super-low dispersion_độ tán sắc rất thấp), AD (anomalous dispersion) và thấu kính fluorite.

Ống kính có những thành phần thấu kính như vậy sẽ xử lý tốt vấn đề quang sai màu. Phần lớn các ống kính hiện tại được gọi là các ống tiêu sắc (achromatic): thường chỉ hội tụ được 2 trong số 3 màu cơ bản lên cùng một mặt phẳng (thường là đỏ và lam, hai màu nhạy cảm với mắt người hơn). Còn những ống kính chất lượng đỉnh nhất thường gọi là ống tiêu sắc phức (apochromatic), có khả năng hội tụ cả ba màu cơ bản lên một mặt phẳng.

Riêng Canon phát triển một thế hệ ống kính phản xạ mới Diffractive Optics (tuy nhiên cho đến giờ chỉ có 2 ống DO được phát triển), sử dụng sự phản xạ và điều hướng ánh sáng qua lại trong ống kính để giảm thiểu quang sai màu. Bên cạnh tính năng giải thiểu quang sai, các thành phần DO này còn cho phép thiết kế những ống kính có kích cỡ nhỏ gọn hơn nhiều so với ống truyền thống (ví như ống EF 70-300mm f/4.5-5.6 DO IS USM ngắn hơn tới 30% so với ống EF 70-300mm f/4-5.6 IS USM truyền thống).

Phủ mặt thấu kính

Bên trong ống kính là một loạt thấu kính thủy tinh hay nhựa. Ảnh: Hirethings.

Mỗi bề mặt thấu kính đều phản xạ một lượng sáng nhất định, do đó làm suy hao lượng ánh sáng xuyên qua. Với một số thiết kế ống kính có tới hơn 20 thành phần thấu kính, trong đó có một số thành phần là các thấu kính lẻ có hai mặt (một số thấu kính khác được gắn với nhau thành một khối, do đó chỉ có hai mặt chung cho cả khối), thì lượng ánh sáng suy hao có thể rất lớn. Thêm vào đó, ánh sáng phản xạ tiếp tục phản xạ trong lòng ống kính gây nên các hiện tượng lóa sáng và bóng ma, đặc biệt là với các máy ảnh số do bề mặt khung cảm biến có tính phản xạ cao.

Các nhà sản xuất ống kính mặc dù từ rất lâu đã phát triển một lớp phủ chống lóa nhằm giảm thiểu sự phản sáng trên đồng thời tăng cường lượng ánh sáng đi qua thấu kính, nhưng chỉ đến những ống kính mới nhất ngày nay lớp phủ mặt mới được thiết kế lại nhằm chống lóa từ khung cảm biến cũng như những phản xạ nội tại khác trong lòng ống kính. Thêm vào đó, lớp phủ thấu kính cũng giúp tăng cường độ phân giải và cải thiện độ cân bằng màu hơn. Chính vì lẽ đó cùng một chất lượng thì mua các ống kính thế hệ mới sẽ ưu việt hơn.

Chống rung

Canon, Nikon, Sigma, Tamron và Panasonic/Leica dều đưa ra những ống kính tích hợp tính năng chống rung nhằm giảm thiểu nhòe ảnh khi bấm máy, cho phép ảnh chụp tay vẫn nét với độ phơi sáng giảm từ 2-4 stop so với điều kiện tiêu chuẩn. Tuy nhiên, mỗi hãng lại biểu thị tính năng chống rung trên ống kính của mình với những tên gọi khác nhau. Canon thì lấy là IS, Nikon thì VR, Sigma có OS, Tamron là VC, còn Panasonic/Leica là MEGA O.I.S và mới đây nhất là POWER O.I.S.

Các hãng khác như Olympus, Pentax, Samsung và Sony lại chọn hình thức chống rung bằng cảm biến, theo đó cảm biến sẽ di chuyển để hạn chế rung do cầm tay. Lợi thế lớn nhất của hệ thống chống rung này là nó tương thích với bất kỳ ống kính nào được lắp vào máy, trong khi lợi thế của chống rung trên ống kính là hệ thống chống rung được thiêts kế phù hợp riêng cho từng đặc tính của ống kính đó nên đem lại hiệu quả cao hơn.

Motor tự động lấy nét

Khi hệ thống tự động lấy nét trên các máy SLR phát triển khoảng giữa những năm 1980, hầu hết các nhà sản xuất đều tích hợp motor lấy nét trong thân máy để điều chỉnh nét. Tuy nhiên, Canon đã đột nhiên phá cách khi hãng này cho ra mắt một thế hệ ống kính và máy ảnh hoàn toàn mới, hệ thống EOS với các chấu điện tử và motor lấy nét tự động được tích hợp trong lòng ống kính thay vì trên thân máy. Lợi thế không thể phủ nhận của thiết kế dạng này là motor lấy nét được tối ưu hóa cho từng loại ống kính riêng và không hề có các liên kết cơ học giữa ống kính và thân máy phục vụ cho việc lấy nét. Nhờ thiết kế này mà tốc độ lấy nét trên các máy Canon được cải thiện vượt bậc và đứng vào hàng top cho đến tận ngày nay. Nhược điểm lớn nhất của thiết kế này là ống kính sẽ nặng hơn và cồng kềnh hơn, và các ống đời cũ sẽ không sử dụng được trên thế hệ EOS sau này.

Trong khi một số hãng vẫn duy trì motor lấy nét trên thân máy kể cả trên các dòng DSLR của mình thì hầu hết các nhà sản xuất khác đã theo chân Canon tích hợp motor lấy nét trong ống kính của mình. Hệ thống motor lấy nét trên ống kính ngày càng được phát triển hoàn thiện hơn. Và dù dưới những cái tên như thế nào, từ Canon USM (Ultrasonic Motor), Nikon AF-S, Olympus SWD, Pentax SDM, Sigma HSM hay Sony SSM, hệ thống lấy nét mới cũng mang lại khả năng tự động lấy nét siêu nhanh, siêu êm cộng thêm khả năng tùy ý tinh chỉnh bằng tay kể cả khi đang ở chế độ tự động lấy nét đầy hữu ích.