Lens Design: อะไรคือ “X Elements in Y Group”

หลังจากตั้ง New Year Resolution ว่าจะเขียนเรื่องเกี่ยวกับการถ่ายภาพ ไม่ว่าจะเป็นรีวิวอุปกรณ์ การใช้งานอุปกรณ์ ข่าวต่างๆ หรือความรู้เชิงเทคนิค อย่างน้อยสัปดาห์ละ 1 บทความ … สัปดาห์ก่อนก็เขียนเรื่อง Nikon Df: Impression, Review, Feeling, and More! ไปล่ะ แต่สัปดาห์นี้จนวันนี้ก็ยังนึกไม่ออกว่าจะเขียนเรื่องอะไรดี

และแล้วเสียงสวรรค์ก็มาโปรด เมื่อมีคนถามผมใน Message หลังไมค์บท Facebook Page Photographed by Rawitat Pulam ว่า:


fbmessage.jpg

ก็เลยได้เรื่องเขียนล่ะ ต้องขอบคุณผู้ถามมาตรงนี้ด้วยนะครับ … และ เอาล่ะ เข้าเรื่องกันเลยดีกว่า

คนที่สนใจเล่นกล้องลองเลนส์ทั้งหลายก็คงจะคุ้นเคยกับ Spec ของเลนส์กันอยู่บ้าง ที่ผู้ผลิตเลนส์จะบอกอยู่เสมอว่า โครงสร้างของเลนส์ประกอบด้วยกี่ชิ้นเลนส์ (Elements) ในกี่กลุ่มเลนส์ (Groups) และพวกนี้มันมีไปทำไม ตัวเลขพวกนี้บ่งบอกอะไร ตัวเลขมากหรือน้อยดีกว่ากัน ทำไมเลนส์บางตัวมีโครงสร้างที่ดูไม่ค่อยซับซ้อนเลย แต่บางตัวซับซ้อนมาก ทำไมบางตัวที่คนเขาว่าดีๆ กัน กลับมีตัวเลขพวกนี้ดูน้อยกว่า เรียบง่ายกว่าตัวที่ตลาดๆ หลายตัวซะอีก แต่บางตัวก็ตัวเลขสูงมากมาย ฯลฯ

Back to Basic: What is a Lens and What does it do?

ก่อนอื่นเรามาดูกันก่อนครับว่า “เลนส์” คืออะไร แล้วมันต้องหน้าที่อะไร ซึ่งอันนี้ผมขอไม่สาธยายอะไรมากไปกว่าข้อสรุปสั้นๆ ว่าเลนส์ก็คือตาของกล้อง ทำหน้าที่รับแสงจากสิ่งที่อยู่ข้างหน้ามัน หักเหเส้นทางเดินของแสง จนกระทั่งลำแสงเหล่านั้นไปถึงยังตัวบันทึก (ฟิล์มหรือ Digital Image Sensor)

ประเด็นสำคัญของมันก็คือ “การหักเหเส้นทางเดินของแสง” น่ะแหละครับ ที่เป็นหัวใจสำคัญในการสร้างเลนส์ที่องศารับภาพต่างๆ กันได้ คือจะให้แสงเดินทางจากเส้นไหนได้บ้าง แล้วหักเหอย่างไรได้บ้าง ซึ่งถ้าเรายิ่งต้องการเลนส์ที่รับภาพได้ต่างจากองศารับภาพปกติแบบง่ายๆ (แสงมายังไง ไปยังงั้น นึกถึงกล้องรูเข็ม หรือ Pinhole Camera นะครับ) เท่าไหร่ เราก็จะต้องเล่นกับแสงเท่านั้น




หลักการทำงานของกล้องรูเข็ม (ภาพ: Wikipedia)

โดยพื้นฐานแล้ว ความยุ่งยากจะเริ่มเกิดขึ้นกับเลนส์มุมกว้าง ซึ่งแสงที่มาจากองศารับภาพที่กว้างมากจะถูกใช้ในการสร้างภาพด้วย (ดังนั้นจะเห็นปัญหามากๆ กับเลนส์มุมกว้าง โดยเฉพาะเรื่องขอบภาพ ขอบไม่คม ขอบเบลอ ขอบยืดแบบเบลอๆ แปลกๆ ฯลฯ) ส่วนในกรณีของเลนส์ทางยาว (Telephoto) นี่จะค่อนข้างง่ายกว่าเลนส์มุมกว้างมากอยู่ ซึ่งปัจจัยอื่นๆ นอกเหนือจากองศารับภาพแล้ว ความไวแสงของเลนส์ก็ทำให้การเล่นกับแสงยากขึ้นไปอีกเยอะ

ความไวแสงเกี่ยวอะไรด้วย … ลองคิดง่ายๆ เปรียบเทียบแสงเป็นน้ำนะครับ (ธรรมชาติแล้วมันเป็นคลื่นเหมือนกัน) ถ้าน้ำมาเยอะๆ กับน้ำมาน้อยๆ อะไรควบคุมง่ายกว่ากันครับ ฉันใดก็ฉันนั้น แสงเยอะก็ควบคุมเส้นทางการหักเหมันยากกว่าแสงน้อยอยู่แล้ว


DSC_1944.jpg

การออกแบบเลนส์มุมกว้าง ให้คมจรดขอบ ที่รูรับแสงกว้างสุด ไม่ง่ายเลย

Nikon 14-24mm f/2.8 N, 14 Elements/11 Groups

จะเห็นว่าเราสรุปได้ว่า พื้นฐานการสร้างเลนส์นั้น เราจะต้องเล่นกับแสง เพื่อให้ได้ภาพจากองศารับภาพ และความไวแสง (ปริมาณแสงมากสุดที่จะต้องจัดการได้) ที่ต้องการ …. ซึ่งการควบคุมแสงการหักเหแสงพวกนี้ เป็นหน้าที่ของ “ชิ้นเลนส์” ครับ

หน้าที่ของชิ้นเลนส์ภายใน: Elements & Groups

เมื่อเลนส์ชิ้นหน้าสุด (Front Element) รับแสงเข้ามาแล้ว และทำการจัดการกับการหักเหแสงในเบื้องต้นแล้ว เราก็จะได้ “แสงวัตถุดิบของภาพ” ล่ะ (ไม่รู้จะเรียกว่าอะไร) เพราะนี่คือแสงทั้งหมดที่เข้ามาจากองศารับภาพตามที่ชิ้นเลนส์แรกมันรับเข้ามาได้ แต่ไอ้เจ้าวัตถุดิบเนี่ย มันมักจะยังต้องแก้โน่นแก้นี่อีกเยอะแยะมากมาย ไม่ว่าจะเป็นความบิดความเบี้ยวต่างๆ (Distortion) ความคลาดเคลื่อน ความผิดปกติต่างๆ (พวก Aberration ทั้งหลาย)

ซึ่งเจ้าพวกชิ้นเลนส์ภายในเนี่ยแหละครับ เป็นตัวทำหน้าที่นี้ เจ้าพวกนี้จะแก้ความผิดปกติเหล่านี้ให้มากที่สุดเท่าที่จะมากได้ โดยที่ยังคงปริมาณแสงให้มากพอที่จะทำให้ภาพดีอยู่ (แน่นอนครับ … ยิ่งผ่านตัวกลางมากเท่าไหร่ ยิ่งเสียแสงมากเท่านั้น เราลองเอากระจกใสๆ มาวางซ้อนๆ กันหลายๆ ชั้นแล้วส่องไฟฉายผ่าน จากนั้นเอากระดาษไปรับก็ได้ครับ ยิ่งมากชั้นก็ยิ่งเข้มน้อยลง)

ดังนั้นการเลือกใช้ชิ้นเลนส์ภายในเหล่านี้ ก็จะมีประเด็นเรื่องของคุณภาพของเลนส์ ที่รักษาคุณภาพของแสงไว้ตามมาครับ (มันก็เลยมีเรื่อง “ชิ้นเลนส์พิเศษ” ที่ใช้กระจกหรือพลาสติกแบบชื่อประหลาดๆ ไม่ว่าจะเป็น ED, ASPH, LD ฯลฯ อะไรพวกนี้ตามมา รวมถึงพวก Coating ที่จะช่วยเรื่องพวกนี้ตามมาด้วย)

โดยหลักการปกติแล้ว ชิ้นเลนส์แต่ละชิ้นก็จะแก้ปัญหาของแสงต่างกันไปชิ้นละปัญหา แต่ก็จะมีบางกรณีที่ชิ้นเลนส์มากกว่า 1 ชิ้น ถูกประกอบไว้ติดกัน เพื่อทำหน้าที่แก้ปัญหา 1 ปัญหาร่วมกัน ก็จะเรียกว่า Group ดังนั้นถ้าพูดกันง่ายๆ (แบบโคตร Simplified นะครับ) แล้วจำนวน Group ก็จะแสดงให้เห็นถึงจำนวน Optical Correction ที่เกิดขึ้น

เรื่องต่อมาก็คือ “เลนส์ซูม” จะออกแบบยากกว่ามากมาย เพราะว่า Front Element จะต้องรับแสงได้จากองศารับภาพมากที่สุดที่มันจะทำได้ จากนั้นชิ้นเลนส์ภายในของมันจะต้องมาจัดการต่อเอาเอง ไม่ว่าจะเป็นการทำ “Optical Crop” ในระยะต่างๆ แล้วมาแก้ปัญหานี่นั่นโน่น ที่ระยะต่างๆ มันก็เกิดปัญหาต่างกันอีก (บางระยะเกิด Distortion แบบ Barrel บางระยะเกิดแบบ Pincushion ไม่แน่ไม่นอน — แก้ไปแก้มาดันเกิด Wavy/Complex Distortion)


Dancing in Golden Dawn

Nikon 70-200 f/2.8 N VRII มีโครงสร้างซับซ้อนมากขนาด 21 Elements/16 Groups และมีชิ้นเลนส์ ED ถึง 7 ชิ้น

ทุกวันนี้ดีกว่าเมื่อก่อนนะครับ เพราะว่าเรามีซอฟต์แวร์และระบบคอมพิวเตอร์พอจะช่วยได้อีกชั้นหนึ่ง มี Lens Profile ว่าแต่ละตัวมีความบิดเบี้ยวเท่าไหร่ มีความผิดปกติต่างๆ อย่างไร แล้วให้ซอฟต์แวร์ (เช่น Lightroom/ACR) หรือตัวกล้อง (JPEG Engine) ทำการแก้ไขพวกนี้ให้ เราจะเห็นว่าเวลาเราถ่าย RAW มา แล้วใช้ Profile Correction กับไม่ใช้ ยังต่างกันพอสมควร ทั้งเรื่องขอบมืด หรือว่าเรื่องความบิดเบี้ยวต่างๆ ลองคิดว่าในอดีตเราไม่มีพวกนี้ แล้วเราต้องออกแบบเลนส์ให้มันแก้พวกนี้ให้เยอะที่สุดครับ ทุกวันนี้ก็เถอะ ถึงซอฟต์แวร์จะช่วยแก้เรื่องความบิดเบี้ยวหรือขอบมืดอะไรพวกนี้ได้จริง แต่ก็ยังแก้อาการขอบไม่คมหรือขอบยืดผิดปกติโดยธรรมชาติของเลนส์ไม่ได้อยู่ดี


profile_corrected.jpg

เลนส์ดีไซน์เก่า (Nikon AF 24mm f/2.8D), ซ้าย = Profile Corrected, ขวา = ไม่ Corrected

Myth: More Number = Better Quality

ทีนี้พออธิบายแบบนั้น ก็จะเกิดเรื่องเข้าใจผิดได้ง่ายขึ้น ก็คือ “งั้นจำนวน Elements/Groups เยอะกว่า ก็แปลว่าแก้มากกว่า ก็แปลว่าดีกว่าน่ะสิ!!”

จริงๆ แล้วมันไม่ง่ายขนาดนั้นน่ะสิครับ มันเป็น Design Compromise ซะมากกว่า เพราะว่าอย่างที่บอกไปแล้วว่าจำนวนของชิ้นเลนส์ มันส่งผลโดยตรงกับการเสียแสง และบางทีการแก้กันไปแก้กันมา นอกจากจะทำให้เสียแสงมากขึ้นแล้ว ยังอาจทำให้มีความผิดพลาดประหลาดๆ เกิดขึ้นได้อีกด้วย (เช่น ภาพที่เกิด Wavy/Complex Distortion ซึ่งแก้ยากมาก)

ที่สำคัญมากสำหรับหลายๆ คน ก็คือถ้ายิ่งไปแก้ Spherical aberration มากเท่าไหร่ ยิ่งอาจทำให้ลักษณะของ Bokeh (ส่วนที่ไม่อยู่ในโฟกัส) แย่เท่านั้น ทำให้เลนส์บางตัวทิ้งเรื่องนี้ไว้ไม่ได้ไปแก้มันซะด้วยซ้ำ


L1004470.jpg

Leica Summilux 50mm f/1.4: เลนส์ที่ผมชอบ Bokeh มากที่สุด มี 8 Elements/5 Groups

แถมให้หน่อย บางเลนส์ถึงขนาดเอาเรื่อง Spherical aberration มาใช้ประโยชน์กันเลยทีเดียว เช่นเลนส์ตระกูล DC (Defocus Control) ของ Nikon เป็นต้น แม้ว่าโดยปกติแล้ว Spherical aberration จะไม่ใช่สิ่งที่อยากให้มันมีในภาพเราสักเท่าไหร่นักก็ตาม


DSC_0180.jpg

เลนส์อย่าง Nikon 105mm f/2 DC และ 135mm f/2 DC มี 6 Elements/6 Groups และ 7 Elements/6 Groups ตามลำดับ

เท่านั้นยังไม่พอ …. อย่างที่บอกว่ายิ่งมี Elements/Groups มากเท่าไหร่ ก็อาจเกิดปัญหาได้เท่านั้น (แก้ไปแก้มา ยิ่งเกิดปัญหาใหม่) เช่นการเกิด Flare ที่เกิดจากการเดินทางของแสงที่ไม่ได้ตั้งใจไว้ (เพราะการคำนวนโครงสร้างเลนส์ จะคำนวนจากภาพและแสงที่ตั้งใจให้เกิดภาพเป็นหลัก) ดังนั้นกับเลนส์ที่โครงสร้างซับซ้อน การมี Coating หรือชิ้นเลนส์ที่โดยธรรมชาติสามารถช่วยลดพวกนี้ได้ก็จำเป็นยิ่งขึ้น

Conclusion

จริงๆ จำนวนของชิ้นเลนส์/กลุ่มเลนส์ ก็เช่นเดียวกับชิ้นเลนส์พิเศษครับ ที่มีหน้าที่ควบคุมการเดินทางของแสง และช่วยลดปัญหาจากการควบคุมแสงเป็นหลัก ดังนั้นเลนส์บางตัวอาจจะมีหรือไม่มีก็ขึ้นกับการออกแบบเลนส์เป็นหลัก ว่าต้องการมันหรือไม่ ซึ่งการออกแบบเลนส์มันเป็นอะไรที่ต้อง Compromise กันทุกอย่างอยู่แล้ว ไม่ว่าจะเป็นขนาด คุณภาพของภาพที่ได้ การต่อสู้กับข้อผิดพลาดต่างๆ และแน่นอน “ราคา”

บางครั้งเราจะเห็นเลนส์บางตัวมีโครงสร้างเรียบง่าย ในขณะที่เลนส์ตัวอื่นมีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่า ก็ไม่ได้แปลว่าเลนส์โครงสร้างเรียบง่ายจะแย่กว่าเสมอไป เพราะมันอาจจะใช้ Front Element ที่ดีจัด หรือเล่นกับองศารับภาพที่ง่าย ทำให้มีอะไรต้องแก้น้อยลง ในขณะที่เลนส์ที่โครงสร้างซับซ้อนหรือชิ้นเลนส์พิเศษ อาจจะต้องแก้โน่นแก้นี่ภายในเยอะแยะ เพราะสิ่งที่รับมาแย่กว่าตั้งแต่ต้นก็ได้ (เข้าทำนอง Input ไม่ค่อยดี ก็ต้อง Process เยอะ/เหนื่อยมากขึ้น) แต่บางตัวก็รับมาดีอยู่แล้ว และยิ่งปรับปรุงให้มันดีขึ้นไปอีก


DSC_0534.jpg

Nikon AF-S 58mm f/1.4G N, เลนส์ Normal ที่ผมชอบที่สุดตัวหนึ่ง 9 Elements/6 Groups

ยิ่งโจทย์ยิ่งยาก …. ไม่ว่าจะเป็นช่วงซูมที่ต้องเยอะขึ้น (เลนส์ซูมออกแบบยากกว่าเลนส์ Prime) ความไวแสงที่ต้องเพิ่มขึ้น ความคมทีต้องมากขึ้น น้ำหนักที่ต้องน้อยลง Bokeh ที่ต้องสวยขึ้น ไหนเลยจะเรื่องราคาอีก …. ก็ยิ่งต้อง Compromise ทุกอย่างกันมากขึ้น … ไม่งั้นอาจจะออกมาแบบ Zeiss Otus ตัวใหม่ครับ ที่เอา Optical ดีที่สุด และไม่ Compromise เรื่องขนาดและราคา

ก็สรุปอีกรอบว่า อย่าใช้ตัวเลขพวกนี้มาเป็นองค์ประกอบในการตัดสินใจเลือกเลนส์ครับ ยิ่งถ้าเราไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญด้าน Optical Physics หรือ Optical Engineering แล้วมันแทบจะบอกอะไรเราไม่ได้ถึง “คุณภาพของภาพที่ได้” ไม่ว่าจะเป็นคุณภาพที่วัดได้ หรือคุณภาพที่วัดยาก เพราะปัจจัยนอกเหนือจากเรื่องโครงสร้างหรือจำนวนชิ้นเลนส์มันเยอะมาก มันเพียงแค่บอกความซับซ้อนของ Optical Correction ที่มันทำให้เราเท่านั้นครับ

Post Navigation