Bokeh vân hành - nỗi khổ không chỉ riêng ai

Từ khi khái niệm bokeh (đọc là bô kêy) để chỉ vùng chi tiết không được lấy nét trong một tấm hình được ra đời, người ta thường chỉ phân biệt bokeh có mịn hay không, tức là các chi tiết bokeh có đường viền xác định rõ ràng với khu vực xung quanh hay không, bokeh có tròn hay không, hay bokeh có xoáy hay không... nhưng càng về sau, khi nhắc tới các ống kính hiện đại hơn người ta lại nhắc thêm tới một loại bokeh nữa rất oái oăm, là bokeh ... vân hành, hay bokeh củ hành ( onion ring bokeh ). Đây là dạng bokeh có những đường vân xoáy hoặc đường tròn đồng tâm nằm trong bóng bokeh, rất giống các đường vân của củ hành khi thái ngang (như ở hình đầu tiên). Không phải ống kính nào cũng tạo ra dạng bokeh vân hành như thế này và cũng trong những điều kiện độ sáng và bóng tròn bokeh lớn nhất định thì chúng ta mới có thể thấy rõ, nhưng rõ ràng phần lớn mọi người đều không thích sự xuất hiện của những đường vân này trong khung hình của mình.

Hình bên dưới, nếu các bạn còn nhớ, là hình mình so sánh bokeh của hai ống kính SLR Magic 35mm f/1.2 và Samyang 35mm f/1.4 có dạng bokeh rất khác nhau, trong đó bokeh của Samyang có dạng vân hành rất rõ, còn tuyệt nhiên ống kính SLR Magic không tạo ra bokeh dạng này. Điểm khác biệt quan trọng giữa hai ống kính này là SLR Magic không sử dụng thấu kính phi cầu trong thiết kế, còn Samyang có sử dụng 1 thấu kính phi cầu ( Aspherical hay ASPH ) như phần màu vàng nhạt trong bản vẽ thiết kế.

Bokeh vân hành là nỗi khổ không chỉ riêng ai vì tất cả các hãng sản xuất ống kính, từ bình dân tới cao cấp, đều gặp phải vấn đề này mỗi khi phải dùng thấu kính phi cầu (aspherical hay ASPH) trong thiết kế. Ngay cả ống kính thuộc hàng chất lượng cao nhất bây giờ như Zeiss Otus 85mm f/1.4 T* cũng bị bokeh vân hành (như ở hình dưới), hay các ống kính "huyền thoại" Noctilux 50mm f/1.2 và f/0.95 của Leica cũng không tránh khỏi, mặc dù mức độ rõ của vân hành không cao ở những ống kính này. Bokeh vân hành cũng được nhắc tới nhiều hơn ở các ống kính hiện đại vì thấu kính phi cầu mới được bắt đầu sử dụng trong ngành công nghiệp chế tạo ống kính SLR từ 1973 (trong ống kính Canon FD 55mm f/1.2 AL S.S.C. ).

Vây có phải đặc tính nào đó của thấu kính phi cầu đã dẫn tới hiện tượng này? Và nếu vậy, tại sao các nhà sản xuất vẫn phải phụ thuộc nhiều vào thấu kính phi cầu đến vậy?

Một vấn đề lớn của hệ thấu kính với các thấu kính có bề mặt cong dạng cầu là cầu sai ( spherical aberration ). Nếu theo lý thuyết thì một thấu kính lý tưởng sẽ hội tụ các tia sáng tại cùng một điểm trên mặt phẳng nét. Tuy nhiên trong thực tế, do độ dày của thấu kính ở vùng gần tâm và gần rìa thấu kính là khác nhau nên mức độ khúc xạ của các tia sáng đi qua các vị trí này là khác nhau và chúng sẽ hội tụ ở các điểm khác nhau (hình dưới bên trái). Do cầu sai nên ảnh sẽ bị giảm độ nét, đặc biệt là độ nét ở rìa hình và giảm độ tương phản. Phát minh thấu kính phi cầu (aspherical) có bề mặt không cong theo một phần của hình cầu mà điều chỉnh độ cong khác nhau trên bề mặt có thể làm hạn chế rất nhiều hiện tượng cầu sai và điều chỉnh hướng đi của các tia sáng về cùng một điểm. Việc điều chỉnh này làm tăng độ nét và độ tương phản từ tâm tới rìa hình .

Việc sử dụng thấu kính phi cầu không chỉ đơn giản làm hạn chế cầu sai mà còn có một số tác dụng khác như sau:

• Một thấu kính phi cầu có thể thay cho một cụm thấu kính cầu dùng để chữa quang sai (chủ yếu là cầu sai) nên thiết kế ống kính có thể đơn giản hơn, nhỏ hơn, nhẹ hơn và giảm chi phí sản xuất.
  
• Do giảm số thấu kính cần thiết nên việc dùng thấu kính phi cầu còn làm giảm số bề mặt tiếp xúc giữa khoảng không và thấu kính (air to glass surface) nên cũng làm giảm số bề mặt phải tráng phủ , tăng hiệu quả truyền sáng với chi phí thấp hơn.
  
• Ngoài chữa cầu sai, các ống kính góc rộng với thấu kính phi cầu còn có thể làm giảm méo hình hiệu quả .

Hiện nay có 3 loại thấu kính phi cầu: thấu kính mài ( grounded ), thấu kính đúc ( molded ) và thấu kinh lai ( hybrid ). Thấu kính lai chỉ đơn giản là ép một bề mặt phi cầu (bằng nhựa) lên một thấu kính cầu nên rất dễ và rẻ để sản xuất, nhưng đồng thời hiệu quả chữa cầu sai cũng là kém nhất trong ba loại. Thấu kính mài được chế tạo bằng các máy mài độ chính xác cao để gọt và mài nhẵn phôi thủy tinh theo hình dạng được thiết kế nên cũng là loại thấu kính phi cầu chất lượng cao nhất, khó làm nhất và đắt nhất. Loại thứ ba - thấu kính đúc - là loại thấu kính phổ biến nhất hiện nay, được chế tạo bằng cách ép phôi thủy tinh theo một khuôn kim loại dưới điều kiện nhiệt độ cao. Thấu kính đúc do có chất lượng đồng đều (hoàn toàn bằng thủy tinh) và các công đoạn chế tạo có thể tự động và lặp lại chính xác nên được ứng dụng thành công trong sản xuất công nghiệp và có giá thành phải chăng để sử dụng nhiều trong các ống kính hạng trung. Và đây cũng là yếu tố trực tiếp gây ra hiện tượng bokeh vân hành.

Quy trình đúc thấu kính phi cầu phổ biến hiện nay được gọi là Precision Glass Molding (Đúc thủy tinh chính xác - PGM) như miêu tả ở hình trên. Quá trình gia nhiệt làm thủy tinh mềm và có thể được ép theo khuôn kim loại. Vấn đề là nếu khuôn kim loại này có độ nhẵn tuyệt đối thì bề mặt của thấu kính cũng nhẵn tuyệt đối và chúng ta đã không phải thấy bokeh vân hành. Trong thực tế, mặc dù khuôn kim loại này được chế tạo với độ chính xác rất cao bằng máy mài dùng đầu kim cương, nhưng trong quá trình di chuyển theo đường tròn, đầu kim cương nãy vẫn tạo các rãnh với độ sâu dưới 100 nm (tức là xấp xỉ kích thước virus HIV!). Hệ quả là bề mặt không hoàn toàn phẳng này được tái tạo trên tất cả các thấu kính y hệt như nhau và thể hiện dấu vết qua chi tiết trên bokeh .

Việc sử dụng thấu kính đúc là yếu tố rất quan trọng để đạt chất lượng hình ảnh tốt mà không đẩy giá thành lên quá cao. Leica đã từng sử dụng thấu kính phi cầu mài trong ống kính 35mm Summilux nhưng sau khi chế tạo khoảng 1000-2000 bản đã phải dừng sản xuất để thay đổi công nghệ do giá thành quá cao. Chính vì thế, mặc dù có điểm khiếm khuyết ở dạng bokeh nhưng trong một thời gian dài các nhà sản xuất vẫn phải dựa vào phương pháp chế tạo thấu kinh phi cầu này để làm ống kính.

Cho tới 2014, Panasonic đã đi tiên phong trong nghiên cứu khắc phục dạng bokeh khó chịu này. Sau khoảng 2 năm nghiên cứu, Panasonic đã đạt được độ nhẵn đáng kinh ngạc của khuôn đúc thấu kính tới mức 20 nm (hình bên trái ở dưới), tức là chỉ bằng 1/25 độ dài bước sóng của tia màu xanh lục. Hiệu quả của nghiên cứu này là gần như không còn dấu vết gì của bokeh vân hành trong thử nghiệm của công ty. Mặc dù toàn bộ quy trình không được Panasonic tiết lộ nhưng hãng cũng nhắc tới công đoạn đánh bóng mài nhẵn khuôn thủ công là một bước quan trọng để loại bỏ các rãnh này.

Sau khi thử nghiệm thành công, Panasonic đã ứng dụng công nghệ này vào sản xuất ống kính Nocticron 42.5mm f/1.2 (hợp tác với Leica) và như các bạn thấy ở hình dưới, bokeh vân hành đã biến mất. Đây cũng là ống kính đầu tiên sử dụng thấu kính phi cầu đúc mà có thể loại bỏ được bokeh vân hành.

Tuy nhiên cho tới nay, Panasonic không còn là công ty duy nhất thành công trong hướng phát triển này. Năm 2017, Sony lần đầu công bố chế tạo thành công thấu kính XA ( Extreme Aspherical , hay gọi là thấu kính Siêu phi cầu ) và sử dụng trong ống kính FE GM 85mm f/1.4 . Thay vì sử dụng quá trình mài thủ công như Panasonic, Sony đã thiết kế hệ thống chế tạo khuôn đúc thấu kính riêng với công nghệ mới có thể đạt độ nhẵn tới 0,01 micron (tức là 10 nm, bằng một nửa chiều sâu rãnh theo phương pháp của Panasonic ) và có hiệu quả công nghiệp cao toàn bộ quá trình được tự động hóa. Sony cũng thiết kế được chương trình giả lập bokeh để có thể xác định đặc tính bokeh của ống kính mà không cần phải tạo ra ống kính thật. Những hỗ trợ từ công nghệ cao này giúp Sony có thể thiết kế chuẩn xác các đặc tính bokeh theo nhu cầu của thị trường.

Như vậy, khi đã xác định được điểm yếu của quá trình chế tạo dẫn tới hiệu ứng bokeh không mong muốn, các nhà sản xuất đã bắt tay vào khắc phục và đã có những thành phẩm đầu tiên, mặc dù những công nghệ mới này của Panasonic và Sony mới chỉ được dùng ở các dòng ống kính cao cấp của hãng. Hy vọng trong tương lai gần, phương pháp chế tạo sẽ còn được cải tiến giảm giá thành hơn nữa để áp dụng vào các dòng ống kính bình dân và chúng ta có thể vĩnh viễn chia tay những vân hành khó chịu này.