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Internet Message Format  |  1997-05-22  |  35.3 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!news-dc-10.sprintlink.net!news-east.sprintlink.net!news-dc-26.sprintlink.net!news-peer.sprintlink.net!news.sprintlink.net!Sprint!howland.erols.net!usc!sdd.hp.com!col.hp.com!news.dtc.hp.com!hplntx!cello.hpl.hp.com!news
  2. From: jacobson@cello.hpl.hp.com (David Jacobson)
  3. Newsgroups: rec.photo.moderated,rec.answers,news.answers
  4. Subject: Photographic Lenses FAQ
  5. Supersedes: <5jhcs9$nf0@cello.hpl.hp.com>
  6. Followup-To: rec.photo.moderated
  7. Date: 21 May 1997 10:57:31 -0700
  8. Organization: Hewlett-Packard Laboratories
  9. Lines: 767
  10. Approved: news-answers-request@MIT.EDU
  11. Expires: 22 June 1997 06:00:00 GMT
  12. Message-ID: <5lvd2b$r18@cello.hpl.hp.com>
  13. NNTP-Posting-Host: cello.hpl.hp.com
  14. Summary: This posting contains a list of Frequently Asked Questions
  15.     about lenses.  It is intended for photographers.  It 
  16.     defines terms, gives a large number of formulas, discusses
  17.     depth of field issues, vignetting, diffraction, lens aberrations,
  18.     and the Modulation Transfer Function.
  19. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.photo.moderated:1199 rec.answers:30859 news.answers:102972
  20.  
  21. Archive-name: rec-photo/lenses/faq
  22. PostingFrequency: monthly
  23. Last-modified 1997/03/11
  24. Version: 1.18
  25.  
  26. Frequently Asked Questions regarding lenses.
  27. By David Jacobson
  28. jacobson@hpl.hp.com
  29.  
  30.  
  31. This is the Lens FAQ.  It is a technical document describing a lot of
  32. optics related information of use to photographers.  It does not
  33. answer questions about particular commerical lenses.  You won't find
  34. out whether Canon or Nikon is better.  But you will find all sorts of
  35. formulas and technical information.  
  36.  
  37. Q1. What is the meaning of the symbols in the rest of this FAQ?
  38.  
  39. A.  f       focal length
  40.     So      distance from front principal point to object (subject)
  41.     Sfar    distance from front principal point to farthest point in focus
  42.     Sclose  distance from front principal point to closest point in focus
  43.     Si      distance from rear principal point to film (image) plane
  44.     M       magnification
  45.     N       f-number or f-stop
  46.     Ne      effective f-number (corrected for bellows factor)
  47.     c       diameter of largest acceptable circle of confusion,
  48.             or the diameter of the circle of confusion
  49.     h       hyperfocal distance
  50.  
  51. Here we use the more technical term "object" for the thing being
  52. focused on.  Informally it is equivalent to the subject.  See the
  53. technical notes at the end for more information on object distances,
  54. more information on the meaning of f-number and limitations to be
  55. observed when applying these formulas to lenses in which the aperture
  56. does not appear the same size front and rear.
  57.  
  58. Q2.  What is the meaning of focal length?  In other words, what about
  59. a 50mm lens is 50mm?
  60.  
  61. A.  A 50mm lens produces an image of a distant object on the film that
  62. is the same size as would be produced by a pinhole 50mm from the film.
  63. See also Q5 below.
  64.  
  65. Q3. What is meant by f-stop?
  66.  
  67. A. The focal length of the lens divided by the diameter of the
  68. aperture (as seen from the front).  It is also called an f-number, and
  69. is written like f/8, which means the aperture diameter is 1/8th the
  70. focal length.  
  71.  
  72. The term is used both in regard to the maximum aperture of a lens and
  73. in regard to the aperture selected in a specific situation.  
  74.  
  75. The brightness of the image on the film is inversely proportional to
  76. the f-number squared.  The depth of field increases but diffraction is
  77. worsened when using a large f-number.  The effective f-number for all
  78. 3 effects changes if the lens is focused extremely close.  See Q7.
  79.  
  80. The term "stops" purportedly comes from old technology in which the
  81. aperture was selected by turning a wheel with various sized holes in
  82. it, each one of which let in twice the light of the preceding one.
  83. Thus the phrase "open up a N stops" means to change to an aperture
  84. allowing in 2^N times as much light, and conversely with "stop down N
  85. stops". 
  86.  
  87. Q4.  What is the basic formula for the conditions under which an image
  88. is in focus?
  89.  
  90. A.  There are several forms.
  91.         1/Si + 1/So = 1/f      (Gaussian form)
  92.         (Si-f)*(So-f) = f^2    (Newtonian form)
  93.  
  94.  
  95. Q5.  What is the formula for magnification?
  96.  
  97. A.  There are several forms.
  98.         M = Si/So
  99.         M = (Si-f)/f
  100.         M = f/(So-f)
  101.  
  102. Q6. For a given lens and format what is angle of coverage?
  103.  
  104. A.  If the format has a width, height, or diagonal of distance X, the 
  105. angle of coverage along width, height, or diagonal is 
  106. 2*arctan(X/(2*f*(M+1))).  For example a 35mm frame is 24x36 mm, so
  107. with a 50 mm lens and a distant object (i.e. M virtually zero), 
  108. the coverage is 27 degrees by 40 degrees, with a diagonal of 47 degrees.
  109. See the technical notes at the end for qualifications.
  110.  
  111.  
  112. Q7.  How do I correct for bellows factor?
  113.  
  114. A.  Ne = N*(1+M)
  115.  
  116. Bellows factor is the factor by which the effective f-number gets
  117. multiplied as the lens is focused up close.  See the technical notes.
  118.  
  119.  
  120. Q8.  What is meant by circle of confusion?
  121.  
  122. A.  When a lens is defocused, a object point gets rendered as a small
  123. circle, called the circle of confusion.  (Ignoring diffraction.)  If
  124. the circle of confusion is small enough, the image will look sharp.
  125. There is no one circle "small enough" for all circumstances, but
  126. rather it depends on how much the image will be enlarged, the quality
  127. of the rest of the system, and even the subject.  Nevertheless, for
  128. 35mm work c=.03mm is generally agreed on as the diameter of the
  129. acceptable circle of confusion.  Another rule of thumb is c=1/1730 of
  130. the diagonal of the frame, which comes to .025mm for 35mm film.
  131. (Zeiss and Sinar are known to be consistent with this rule.)
  132.  
  133.  
  134. Q9.  What is hyperfocal distance?
  135.  
  136. A.  The closest distance that is in acceptable focus when the lens is
  137. focused at infinity.  (See below for a variant use of this term.)
  138.  
  139.         h = f^2/(N*c)
  140.  
  141. Q10.  What are the closest and farthest points that will be in
  142. acceptably sharp focus?
  143.  
  144. A.  Sclose = h * So / (h + (So - f))
  145.     Sfar   = h * So / (h - (So - f))
  146.  
  147. or, we can define a "hyperfocal ratio", hr = h/(So - f), or roughly the
  148. ratio of the hyperfocal distance to the object distance.  Then
  149.  
  150.     Sclose = So * hr/(hr+1)
  151.     Sfar   = So * hr/(hr-1)
  152.  
  153. These formulas are also correct when hr is defined as hr = h/So and
  154. the N used in computing h is actually Ne.
  155.  
  156. If the denominator is zero or negative, Sfar is infinity.
  157.  
  158. Q11.  What is depth of field?
  159.  
  160. A.  It is convenient to think of a rear depth of field and a front
  161. depth of field.  The rear depth of field is the distance from the
  162. object to the farthest point that is sharp and the front depth of
  163. field is the distance from the closest point that is sharp to the
  164. object.  Sometimes the term depth of field is used for the combination
  165. of these two, i.e. the distance from the closest point that is sharp
  166. to the farthest point that is sharp.
  167.  
  168. frontdepth = So - Sclose
  169. frontdepth = Ne*c/(M^2 * (1 + (So-f)/h))
  170. frontdepth = Ne*c/(M^2 * (1 + (N*c)/(f*M)))
  171. frontdepth = So /(hr + 1)
  172.  
  173. reardepth = Sfar - So
  174. reardepth = Ne*c/(M^2 * (1 - (So-f)/h))
  175. reardepth = Ne*c/(M^2 * (1 - (N*c)/(f*M)))
  176. reardepth = So/(hr - 1)
  177.  
  178. In the last three, if the denominator is zero or negative, reardepth is
  179. infinity.  
  180.  
  181. These formulas using hyperfocal distance can be used as
  182. follows.  Suppose I know that the object distance, So, is 1/8th of the
  183. hyperfocal distance.  Then the range of distances that is acceptably
  184. sharp is from 8/9 of So to 8/7 of So.  The front and rear depths of
  185. field are 1/9 So and 1/7 So.
  186.  
  187.  
  188. Q12.  What is Depth of Field Preview?
  189.  
  190. A.  It is a feature on higher quality SLR cameras that allows you to
  191. stop down the lens while looking though the viewfinder.  Ostensibly
  192. it allows you to "preview" the depth of field.  Of course, since this
  193. stops down the aperture, the image also gets dimmer.  
  194.  
  195. Most people find it difficult to judge from a dim viewfinder image
  196. whether some part of the image will appear sharp in a slide or print.
  197. However, in many cases photographers will select a large aperture to
  198. deliberately blur background or foreground objects. DOF preview lets
  199. you see just what the effect will be.
  200.  
  201. Q13.  Where should I focus my lens so I will get everything from some
  202. close point to infinity in focus?
  203.  
  204. A.  At approximately the hyperfocal distance.  More precisely, at 
  205. So = h + f.  In this condition the closest point that will be in focus
  206. is at half the object distance.  (Some authorities use this as the
  207. definition of hyperfocal distance.)
  208.  
  209.  
  210. Q14.  Are there some simpler approximate formulas for depth of field?
  211.  
  212. A.  Yes.  When the object distance is small with respect to the
  213. hyperfocal distance, the front and rear depth of field are almost
  214. equal and depend only on the magnification and effective f-stop and
  215. the following approximate formulas can be used.
  216.  
  217. frontdepth = reardepth = Ne*c/M^2
  218. frontdepth = reardepth = So/hr
  219.  
  220. In non-macro situations Ne is the same as the marked f-number.
  221.  
  222. Q15. I have heard that one should use a long lens to get a shallow depth
  223. of field and a short lens to get a large depth of field.  Is this
  224. true?
  225.  
  226. A.  Assuming that you frame the subject the same way, and that the
  227. object (subject) distance is small compared with the hyperfocal
  228. distance for the shortest focal length being considered, the front and
  229. rear depths of field are approximately equal and constant regardless
  230. of focal length.  (See Question 14.)
  231.  
  232. However, there are two situations in which focal length does matter.  
  233.  
  234. First, when the focal length is short enough, the hyperfocal distance,
  235. which varies with the square of the focal length, will not be many
  236. times longer than the object distance, violating the condition above.
  237. In this case the front depth of field is smaller and the rear depth of
  238. field is larger, with the latter extending to infinty about when the
  239. hyperfocal distance is less than the object distance.
  240.  
  241. Second, the focal length of the lens also has a big effect on how
  242. fuzzy very distant points appear.  Specifically, if the lens is
  243. focused on some nearby object rendered with magnification M, a point
  244. at infinity will be rendered as a circle of diameter c, given by
  245.  
  246. c = f M / N
  247.  
  248. which shows that the distant background point will be fuzzed out in
  249. direct proportion to the focal length.  (See the lens tutorial for
  250. some graphs that may make this more intuitive.)  
  251.  
  252.  
  253. Q16.  If I focus on some point, and then recompose with that point not
  254. in the center, will the focus be off?
  255.  
  256. A.  Yes, but maybe only a little bit.  If the object is far enough
  257. away, the depth of field will cover the shift in distance.
  258.  
  259. An approximate formula for the minimum distance such that the error
  260. will be covered by depth of field is given by 
  261.  
  262. d = w^2/(2 N c)
  263.  
  264. where
  265.     d = minimum distance to make the point be sharply rendered
  266.         d is measured from the film plane
  267.     w = distance image point on the film is from center of the image
  268.  
  269. For the 35mm format w^2/(2 c) is 5.4 meters, so you can recompose the
  270. image with the subject at the edge of the frame and still have it be
  271. sharp if the subject distance (at the center) was at least 5.4 meters
  272. (18 feet) divided by the f-number.  See the technical notes at the end
  273. for a bunch of assumptions.
  274.  
  275.  
  276. Q17.  If I get glasses (or bifocals) will my focusing be off?
  277.  
  278. A.  No.  The focusing screen is a diffusing plane in the same optical
  279. position as the film.  If the image is sharp on the focusing screen,
  280. it will also be sharp on the film.  Many single lens reflex cameras
  281. have a split image focusing aid.  In effect one half causes the eye to
  282. see through the left side of the lens and the other half causes the
  283. eye to see through the right side of the lens.  Objects appear to be
  284. in the same position in both halves only if the image plane coincides
  285. with the plane of the focusing screen and thus with film plane, and
  286. hence are in sharp focus.  All your glasses do is enable you to see
  287. the focusing screen or focusing aid better.
  288.  
  289.  
  290. Q18.  What are vignetting and light falloff?  
  291.  
  292. A.  Vignetting is a reduction in light falling on the film far from
  293. the center of the image that is caused by physical obstructions.
  294. Light falloff is a reduction of light far from the center because of
  295. fundamental optical reasons: First, an off-axis object sees a
  296. foreshortened apparent aperture (entrance pupil) so less light is
  297. collected.  This results in a cos(theta) falloff, where theta is the
  298. angle off axis.  Second, in a rectilinear lens the solid-angle-to-area
  299. magnification increases with cos^3(theta), spreading the light from a
  300. patch near the edge over more film than if the patch had been near the
  301. center.  (The patch is presumed to face the camera at a constant very
  302. large distance.)  As a result there is an overall cos^4(theta)
  303. falloff.  The optical designer can compensate for these effects by
  304. making the entrance pupil enlarge and tip when viewed from off the
  305. optical axis.  An alternative approach is to compensate by using a
  306. filter whose density varies appropriately with distance from the
  307. center.
  308.  
  309.  
  310. Q19.  How can I tell if a lens has vignetting, or if a filter is
  311. causing vignetting?
  312.  
  313. A.  Open the back and, if necessary, trick the camera into opening the
  314. shutter and stopping down.  Imagine putting your eye right in the
  315. corner of the frame and looking at the diaphragm.  Or course, you
  316. really can't do this, so you have to move your head and sight through
  317. the corner of the frame, trying to imagine what you would see.  If you
  318. "see" the entire opening in the diaphragm and through it to object
  319. space, there is no vignetting.  However, at wide apertures in most
  320. lenses the edge of the rear element or the edge of the front element
  321. or filter ring will obstruct your vision.  This indicates vignetting.
  322. Try to estimate the fraction of the area of the diaphragm that is
  323. obstructed.  Log base two of this fraction is the falloff in f-stops
  324. at the corner.
  325.  
  326. You can also do this from the front.  With SLRs hold the camera a fair
  327. distance away with a fairly bright area behind the viewfinder hole.
  328. With non-SLRs open the back and arrange so a reasonably bright area is
  329. behind the camera.  Look through the lens, and rotate the camera until
  330. you are looking right at one corner of the viewing screen or frame.
  331. (If you are using the mirror-down technique with an SLR, choose an
  332. upper corner of the frame, i.e. look from below the axis.)  Now for
  333. the hard part.  Look at the aperture you see.  If there is vignetting
  334. you see something about the shape of an American football.  If the
  335. filter is causing the vignetting, one of the edges of the football is
  336. formed by the filter ring.
  337.  
  338. A third way to detect vignetting is to aim the camera at a small
  339. bright spot surrounded by a fairly dark background.  (A distant street
  340. light at night would serve well.)  Deliberately defocus the image some
  341. and observe the shape of the spot, particularly in the corners.  If it
  342. is round there is no vignetting.  If it looks like the intersection of
  343. some arcs (i.e. like an American football), then there is vignetting.
  344. Note that near top of the image the top of the circle may get clipped
  345. a bit.  This is because in many cameras some light (from the top part
  346. of the image) misses the bottom of the mirror.  This affects only the
  347. viewfinder, not the film.  You can use depth of field preview (if your
  348. camera has it) to determine the f-stop at which the spot becomes
  349. round.  With wide-angle lenses the circle of confusion may not get
  350. large enough for this technique to be useful.
  351.  
  352.  
  353. Q20.  For panoramic pictures, where is the best place to pivot the
  354. camera?
  355.  
  356. A.  The axis of the pivot should pass through the entrance pupil.  The
  357. entrance pupil is the virtual image of the aperture as seen through
  358. the front of the lens.
  359.  
  360. When you've got it right, the entrance pupil will not shift relative
  361. to fixed objects as you rotate the camera. (Stop down the lens so you
  362. can see the diaphragm and aperture.)
  363.  
  364. There is a whole different type of panoramic camera in which the lens
  365. is rotated relative to the film.  In this type of camera the lens
  366. rotates around the rear nodal point (for objects at infinity).  See
  367. the lens tutorial for an explanation of nodal points.
  368.  
  369. Q21.  What is diffraction?
  370.  
  371. A.  When a beam of light passes through any aperture it spreads out.
  372. This effect limits how sharp a lens can possibly be.  
  373.  
  374. The diffraction is caused by the limiting of the beam to the size of
  375. the aperture, not primarily by sharp edges of the aperture.  Even if
  376. one made a "soft edged" aperture that faded slowly from clear to
  377. opaque, there would still be diffraction, and the size of the central
  378. part of the diffraction pattern would not change much compared with
  379. the sharp-edged case.
  380.  
  381.  
  382. Q22.  What is the diffraction limit of a lens.
  383.  
  384. A.  All lenses are diffraction limited to no more than about 1500/N to
  385. 1800/N line pairs per mm.  See below under the question "What is
  386. MTF?".
  387.  
  388.  
  389. Q23.  What are aberrations?
  390.  
  391. A.  Aberrations are image defects that result from limitations in the
  392. way lenses can be designed.  Better lenses have smaller aberrations,
  393. but aberrations can never be completely eliminated, just reduced.
  394.  
  395. The classic aberrations are:
  396.  
  397. * Spherical aberration.  Light passing through the edge of the lens is
  398. focused at a different distance (closer in simple lenses) than light
  399. striking the lens near the center.  
  400.  
  401. * Coma.  Off axis points are rendered with tails, reminiscent of
  402. comets, hence the name.  It can be shown that coma must occur if the
  403. image formed by rays passing near the edge of the lens has a different
  404. magnification than the image formed by rays passing near the center of
  405. the lens.
  406.  
  407. * Astigmatism.  Off-axis points are blurred in their the radial or
  408. tangential direction, and focusing can reduce one at the expense of
  409. the other, but cannot bring both into focus at the same time.  Think
  410. of it as the focal length as varying around the circumference of the
  411. lens.  (Optometrists apply the word "astigmatism" to a defect in the
  412. human eye that causes *on-axis* points to be similarly blurred.  That
  413. astigmatism is not quite the same as astigmatism in photographic
  414. lenses.)
  415.  
  416. * Curvature of field.  Points in a plane get focused sharply on a
  417. curved surface, rather than a plane (the film).  Or equivalently, the
  418. set of points in the object space that are brought to sharp focus on
  419. the film plane form a curved surface rather than a plane.  With a
  420. plane subject or a subject at infinite distance the net effect is that
  421. when the center is in focus the edges are out of focus, and if the
  422. edges are in focus the center is out of focus.
  423.  
  424. * Distortion (pincushion and barrel).  The image of a square object
  425. has sides that curve in or out.  (This should not be confused with the
  426. natural perspective effects that become particularly noticeable with
  427. wide angle lenses.)  This happens because the magnification is not a
  428. constant, but rather varies with the angle from the axis.
  429.  
  430. * Chromatic aberration.  The position (forward and back) of sharp focus 
  431. varies with the wavelength.
  432.  
  433. * Lateral color.  The magnification varies with wavelength.
  434.  
  435.  
  436. Q24. Can I eliminate these aberrations by stopping down the lens?
  437.  
  438. A.  The effect of all aberrations except distortion and lateral color
  439. is reduced by stopping down.  The amount of field curvature is not
  440. affected by stopping down, but its effect on the film is.  But note
  441. that stopping down also increases diffraction.
  442.  
  443.  
  444. Q25.  Why do objects look distorted when photographed with a wide
  445. angle lens?
  446.  
  447. A. This is because the size of the image of an object depends on the
  448. distance the object is from the lens.  This is not a defect in the
  449. lens---even pinhole cameras with no lens at all exhibit this
  450. perspective effect.
  451.  
  452. For image calculation purposes, think of the lens as being a pinhole
  453. one focal length in front of the film, and centered over the center of
  454. the film.  (If the lens is not focussed at infinity, the distance from
  455. the film will be somewhat larger.)  Then the image of an object point
  456. can be found by drawing a straight line from the object point through
  457. the pinhole and finding its intersection with the film. That line
  458. represents one light ray. (Diffraction and out-of-focus conditions
  459. have been ignored here, since they are irrelevant to this effect.)
  460.  
  461. If you do this, you'll find that the image of a nearby object will be
  462. larger than the image of the same object farther away, by the ratio of
  463. the distances.  You'll also find that any straight line in object
  464. space, no matter at what angle or position, will be rendered as a
  465. straight line on the film. (Proof outline: a line, and a point not on
  466. the line define a plane.  All rays from the object line will stay in
  467. the plane defined by the line and the pinhole, and the intersection of
  468. that plane with the film plane is a straight line.)  But parallel
  469. lines in object space are not necessarily parallel on the film.
  470.  
  471. Q26. How does focal length affect perspective?
  472.  
  473. A.  It doesn't; it is subject distance that affects perspective.
  474. However, a longer lens provides more subject magnification at a given
  475. distance, so you can get farther from your subject without having the
  476. image be too small.  By moving back, you make the magnification ratio
  477. between the front and back of your subject smaller, because the
  478. distance ratio is closer to one.  So, in a portrait, instead of a nose
  479. that's magnified much more than the rest of the head, the nose is
  480. magnified only very slightly more than the rest of the head, and the
  481. picture looks more pleasing.
  482.  
  483. You can get the same perspective with a shorter focal length lens by
  484. simply moving back, and enlarging the central portion of the image. Of
  485. course, this magnifies grain as well, so it's better to use a longer
  486. lens if you have one.
  487.  
  488.  
  489. Q27. What is "MTF".
  490.  
  491. A.  MTF is an abbreviation for Modulation Transfer Function.  It is
  492. the normalized spatial frequency response of film or an optical
  493. system.  The spatial frequency is usually measured in cycles per
  494. millimeter.  For an ideal lens and ignoring diffraction, the MTF would
  495. be a constant 1 at all spatial frequencies.  For all practical lenses
  496. lenses, the MTF starts out near 1 and falls off at increasing
  497. frequencies.  MTFs vary with the aperture, the distance the image
  498. region is from the center, the direction of the pattern (along a
  499. radius or 90 degrees to that), the wavelength of the light, and the
  500. subject distance.
  501.  
  502. Even for an ideal lens, diffraction effects fundamentally force the
  503. MTF be be zero at spatial frequencies beyond 1/(lambda*N) cycles per
  504. mm, where lambda is the wavelength of the light.  For lambda = 555nm,
  505. the peak of the eye's response, this is very close to 1800/N cycles
  506. per mm.
  507.  
  508. The MTF of a system is the product of the properly scaled MTFs of each
  509. of its components, as long as there are not two consecutive
  510. non-diffusing components.  (Thus with proper scaling you can multiply
  511. camera lens MTF by film MTF by enlarger lens MTF by paper MTF, but
  512. usually not a telescope objective MTF by an eyepiece MTF.  There are
  513. also some other obscure conditions under which MTFs can be
  514. multiplied.)
  515.  
  516. Note that although MTF is usually thought of as the spatial frequency
  517. response function and is plotted with spatial frequency as the
  518. abscissa, some manufacturers (e.g. Canon) publish plots of the MTF at
  519. specific spatial frequencies with distance from the center of the
  520. image as the abscissa.
  521.  
  522. Q28.  What is SQF?
  523.  
  524. SQF is an abbreviation for Subjective Quality Factor.  SQF was
  525. developed by Ed Grainger of Eastman Kodak as an objective measurement
  526. that correlated well with subjective rankings of print quality.
  527. Somewhat simplified, it is just the MTF in the print (or referred to a
  528. designated print size or magnification) averaged from .5 to 2 cycles
  529. per mm.  See the technical notes.  One well-known popular magazine
  530. reports lens test results in terms of what they claim to be SQF, but
  531. they apparently use some other definition of SQF, despite showing Ed
  532. Grainger's picture and referring readers to his original SQF paper.
  533.  
  534.  
  535. Q29. What are "elements" and "groups", and are more better?
  536.  
  537. A. The number of elements is the number of pieces of glass used in the
  538. lens.  Single uncemented elements or two or more elements cemented
  539. together are called a group.  Thus a lens that has 8 elements in 7
  540. groups has 8 pieces of glass with 2 cemented together.  It is
  541. impossible to completely correct all aberrations.  Each additional
  542. element the designer has at his/her disposal gives a few more degrees
  543. of freedom to design out an aberration.  So one would expect a 6 
  544. element lens to be better than a 3 element lens.  However, each
  545. surface also reflects a little light, causing flare.  So too many
  546. elements is not good either.  Note that an unscrupulous manufacturer
  547. could slap together 13 pieces of glass and claim to have a 13 element
  548. lens, but it might be terrible.  So by itself the number of elements
  549. is no guarantee of quality.
  550.  
  551. Q30.  What is "low dispersion glass".
  552.  
  553. A.  Low dispersion glass is specially formulated to have a small
  554. variation of index of refraction with wavelength.  This makes it
  555. easier for the designer to reduce chromatic aberration and lateral
  556. color.  This kind of glass is most often used in long lenses.
  557. Marketing designators such as ED and SLD hint at the use of
  558. low-dispersion glass.
  559.  
  560. Q31. What do APO and Apochromatic mean?
  561.  
  562. A.  The distance behind the lens at which monochromatic light (light
  563. of a single wavelength) comes to focus varies as a smooth function of
  564. the wavelength.  If this function has a zero derivative in the visible
  565. range, and hence if there are two wavelengths at which the light comes
  566. to focus in the same plane, the lens is called achromatic.  If there
  567. is a higher order correction, usually with the result that 3 or more
  568. visible wavelengths come to focus at the same distance, the lens is
  569. called apochromatic.  Some authorities add more conditions.
  570. Apochromatic lenses often contain special low-dispersion glasses.  APO
  571. is an abbreviation for apochromatic.
  572.  
  573. It is frequently asserted in the rec.photo.* newsgroups that
  574. marketeers use the terms apochromatic and APO rather loosely.
  575.  
  576. Q32.  What is an "aspheric element"?
  577.  
  578. A.  It a lens element in which the radius of curvature varies slightly
  579. with angle off axis.  Aspheric elements give the lens designer more
  580. degrees of freedom with which to correct aberrations.  They are most
  581. often used in wide angle and zoom lenses.
  582.  
  583. Q33. What is a teleconverter?
  584.  
  585. A. A teleconverter is a device that enlarges the center portion of
  586. the normal frame to fill the whole frame.  In 35mm systems where the
  587. frames are 24x36 millimeters, a 2X teleconverter expands the central
  588. 12x18 mm to fill the full 24x36mm frame.
  589.  
  590. Q34.  How does a teleconverter affect exposure, focusing, depth of
  591. field and image quality?
  592.  
  593. A.  A lens of focal length f and f-number N with a teleconverter of
  594. magnification K attached will behave in all respects like a lens of
  595. focal length K*f and f_number K*N.  
  596.  
  597. If the aperture diameter and focus are left untouched and an ideal
  598. teleconverter is attached, the lens will focus at the same distance,
  599. the image, including the diffraction effects and lens aberration
  600. effects, will be K times as large, the exposure will need to be K^2
  601. times longer, the hyperfocal distance will be multiplied by K and the
  602. depth of field will be divided by K.  A practical teleconverter will
  603. also contribute some of its own aberrations.  (See the technical
  604. notes.)
  605.  
  606. On the other hand, if you open the aperture to keep the same effective
  607. f-number and hence the same exposure time, the image will be enlarged
  608. by K, the diffraction will be unchanged, the depth of field will be
  609. divided by K^2 and the hyperfocal distance multiplied by K^2.  The
  610. aberrations are increased by three effects: the lens is opened to a
  611. larger aperture, the teleconverter multiplies those (probably larger)
  612. aberrations by K, and then combines them with some of its own.
  613.  
  614. Since the focusing is unchanged, the minimum focusing distance is the
  615. same whether or not a teleconverter is attached.  (See the technical
  616. notes.)
  617.  
  618. Q35.  What is the difference between using a teleconverter at the time
  619. the picture is exposed vs. enlarging more in the printing process?
  620.  
  621. A.  Assuming the aperture diameter is the same in the two cases, the
  622. teleconverter case will require K^2 times the exposure while the
  623. enlarging case will enlarge the grain in the film K times as much.
  624. The teleconverter adds some aberrations of its own, while enlarging
  625. more will make aberrations in the enlarging lens more apparent.  All
  626. other effects are identical.  In 35mm format, grain is usually the
  627. dominate factor in image quality.
  628.  
  629.  
  630. Q36.  How can I take "close up" pictures.  
  631.  
  632. A.  There are several ways.  
  633.     a.  Use a true macro lens.
  634.     b.  Move the lens farther from the film with extension tubes
  635.             or bellows.
  636.     c.  Screw on "diopter lenses" or closeup "filters".
  637.     d.  Use the macro setting on many zoom lenses.
  638.  
  639. A true macro lens generally gives the best quality.  The f-number
  640. needs to be corrected according to the formulas above, unless metering
  641. is done through the lens.  Most macro lenses go from infinity to 1:1
  642. or 1:2 (mag = 1 or 1/2).  Some that go to 1:2 come with an accessory
  643. screw-on lens that gets to 1:1.
  644.  
  645. Extension tubes and bellows move the lens farther from the film,
  646. allowing it to focus closer.  All lenses are optimized for specific
  647. situations, and using extension tubes or bellows makes the lens
  648. operate out of the region for which it was designed, possibly
  649. compromising the quality a bit.  You can compute the magnification
  650. from the extension using the formulas above.  If the magnification
  651. exceeds one, it is best to reverse the lens with an adapter.
  652. Extending the lens also changes the effective f-number.  See the
  653. formulas above.  However, if you meter through the lens, the meter is
  654. affected in exactly the same way, so you don't need to do any
  655. calculation.  Lenses on some modern electronic cameras require
  656. electrical connections to the body, complicating the construction of
  657. these devices.
  658.  
  659. Add-on lenses shorten the effective focal length of the lens and
  660. reduce the working distance.  Single element add-on lenses are of
  661. inadequate quality for critical work.  Many photographers report good
  662. results using 2-element lenses at small apertures.  No correction is
  663. required to the effective f-number.
  664.  
  665. Some zoom lenses have special macro ranges.  However, few zoom lenses
  666. get larger magnification than 1:4, and in many lenses the macro
  667. feature operates only at the short focal length end of the zoom.  This
  668. is not for really serious work.
  669.  
  670. If you are photographing flat objects, such as postage stamps, freedom
  671. from distortion is important, as is a reasonably flat field.  
  672.  
  673. Working distance is the distance from the front of the lens to the
  674. subject at a particular magnification.  For nature work, a reasonably
  675. long working distance is important because working farther away is
  676. less likely to frighten insects, etc., and shadows are less likely to
  677. fall on the subject.
  678.  
  679.  
  680. Q37: What is the optimum aperture for a pinhole camera?
  681.  
  682. A.  d = .036 sqrt(Si), where d is the diameter of the pinhole in
  683. millimeters and Si is the distance from the pinhole to the film in
  684. millimeters.  See the technical notes.
  685.  
  686. Q38.  How can I use my photographic light meter or camera to measure
  687. illumination?  
  688.  
  689. A.  Take an exposure reading with an incident meter or a reflected
  690. meter pointed at an 18% gray subject (gray card).  (Meters built into
  691. cameras are reflected meters.  If the lens is a variable aperture
  692. zoom, be sure it is zoomed to where the aperture reading is correct.
  693. Turn off special intelligent or evaluative metering modes.)  Then use
  694. one of the following formulas, where E is illuminance.
  695.  
  696. E_in_foot_candles =  25 N^2 / (ISO * exposure_time_in_seconds)
  697. E_in_lux          = 269 N^2 / (ISO * exposure_time_in_seconds)
  698.  
  699. See the technical notes.
  700.  
  701.  
  702. Technical notes:
  703.  
  704. The object distance, So, as used in the formulas is measured from the
  705. object to the lens's front principal point.  More commonly one hears
  706. of the front nodal point.  These two points are equivalent if the
  707. front medium and rear medium are the same, e.g. air.  They are the
  708. effective position of the lens for measurements to the front.  In a
  709. simple lens the front nodal/principal point is very near the center of
  710. the lens.  If you know the focal length of the lens, you can easily
  711. find the front nodal point by taking the lens off the camera and
  712. forming an image of a distant object with the light going through the
  713. lens backwards.  Find the point of sharp focus, then measure one focal
  714. length back (i.e. toward the distant object).  That is the position of
  715. the front nodal point.
  716.  
  717. On most cameras the focusing scale is calibrated to read the distance
  718. from the object to the film plane.  There is no easy way to precisely
  719. convert between the focusing scale distance and So.  
  720.  
  721. The formulas presented here all assume that the aperture looks the
  722. same size front and rear.  If it does not, use the front diameter and
  723. note that the formulas for bellows correction and depth of field will
  724. not be correct at macro distances.  Formulas for this situation are
  725. given in the lens tutorial, posted separately.
  726.  
  727. The formula for angle of coverage applies to rectilinear lenses. An
  728. alternative form, 2*arctan(X/(2*Si)), applies to both rectilinear
  729. lenses and pinholes.  (Rectilinear lenses give the same projection as
  730. a pinhole.)  These formulas do not usually apply to fisheye lenses,
  731. and can't possibly apply to a fisheye lens that covers 180 degrees or
  732. more.
  733.  
  734. The conditions under which the formula for the minimum distance at
  735. which the effect of focusing and re-composing will be covered by depth
  736. of field are:
  737.  
  738. 1.  w is no more than the focal length of the lens.  At the edge
  739. w=18mm for 35mm, so this will very seldom be a problem.  2.  The
  740. lens's two nodal points are not very widely separated.  But if the
  741. front nodal point is in front of the rear nodal point, which I think
  742. is the more common case, the formula is too conservative, so this is
  743. not a problem either.  3.  The camera is rotated about the front nodal
  744. point.  Almost always the camera will be rotated about an axis behind
  745. the front nodal point which again makes the formula too conservative.
  746. The guide number given assumes c=.03mm.
  747.  
  748. The SQF is the weighted average of the MTF over the range .5 to 2
  749. lines per mm referred to a designated print size or magnification.
  750. The weighting function is 1/spf, where spf is the spatial frequency.
  751. It turns out that this is equivalent to just a simple "visual" average
  752. when the MTF is plotted against the log of the spatial frequency.  A
  753. further mean is taken between the the saggital (optics-speak for
  754. radial) and tangential components.  It appears to this author that an
  755. additional, probably weighted, averaging must be done over regions of
  756. the image (center, edges, corners).  When I find out the specifics of
  757. this weighting I will add it to the lens FAQ.
  758.  
  759. Note that the section on teleconverters in several places assumed that
  760. the aperture diameter was left unchanged.  On lenses with mechanical
  761. aperture setting levers or rings this will happen naturally if the
  762. aperture setting is not changed.  However, beware that fancy
  763. electronic cameras may compensate for the presence of the
  764. teleconverter.  
  765.  
  766. Most camera systems have focusing scales that read from some reference
  767. mark on the body, usually at the film plane.  With a teleconverer
  768. attached, they read from a point the thickness of the teleconverter in
  769. front of this reference mark.
  770.  
  771. The optimum aperture for a pinhole camera depends on what criteria is
  772. used.  The formula given maximizes the spatial frequency at which the
  773. MTF for 555nm light will be 20%.
  774.  
  775. There is no universal agreement on the constant in the relation
  776. between exposure, film speed, and illumination.  This document
  777. tentatively shows 25 for the foot-candles case, which I reverse
  778. engineered from a Gossen Lunasix meter, but one can find values from
  779. 18 to 30 in the literature or by reverse engineering other meters.
  780. The constant for lux is 10.7639 (the number of square feet in a square
  781. meter) times the value for foot-candles.
  782.  
  783. Acknowledgements
  784.  
  785. Thanks to Bill Tyler for contributing the section on perspective
  786. effects.  The technique for detecting vignetting in the viewfinder was
  787. suggested by Maohai Huang.
  788.