Dlaczego soczewki podstawowe mają wiele elementów?
Odpowiedzi:
Pojedyncze soczewki o rzeczywistej grubości załamują różne długości fali światła pod nieco innymi kątami. W przypadku dowolnego miejsca poza dokładnym środkiem optycznym soczewki powoduje to efekt pryzmatyczny, który staje się bardziej zauważalny, gdy osoba porusza się dalej od optycznego środka soczewki. To właśnie nazywamy aberracją chromatyczną. Nie jest to jedyna aberracja optyczna, z jaką spotykamy się podczas korzystania z pojedynczego elementu soczewki, ale jest to prawdopodobnie najbardziej zauważalna.
Najwcześniejsze okulary szpiegowskie (teleskopy) znacznie ucierpiały z powodu CA i innych aberracji optycznych. Dziedzina optyki rozwinęła się, aby poradzić sobie z tymi niedoskonałościami, gdy zastosowały się one do teleskopów na długo przed rozpoczęciem fotografii w połowie XIX wieku jako środek do zachowania sceny wyświetlanej przez obiektyw przy użyciu chemikaliów wrażliwych na światło.
W 1600 roku Snellius (pochodzenie „Prawa Snell'a” ) i Kartezjusz (twórca lub geometria kartezjańska ) skodyfikowali najwcześniejsze prawa załamania światła i odbicia. Do 1690 roku Christiaan Huygens napisał swoją „Traité de la Lumière” lub „Traktat o świetle”, który opierał się na pracy Kartezjusza i przedstawił falową teorię światła, po raz pierwszy zaprezentowaną Paryskiej Akademii Nauk w 1678 r., Opartą na matematyce. Isaac Newton opublikował „Hipotezę światła” w 1675 r. I „Optiks”w 1705 r. przedstawił konkurencyjną teorię światła jako ciałek lub cząstek. Przez następne sto lat teoria światła Newtona była akceptowana, a teoria fal Huygensa została odrzucona. Dopiero Augustin-Jean Fresnel przyjął zasadę Huygensa w 1821 r. I wykazał, że może wyjaśnić efekty propagacji prostoliniowej i dyfrakcyjne światła, ogólnie przyjęta teoria fal Huygensa. Zasada ta jest obecnie znana jako zasada Huygensa-Fresnela.
Newton wykazał również, że pryzmat rozkłada białe światło na spektrum kolorów składowych oraz że soczewka i drugi pryzmat mogą być użyte do ponownego skomponowania wielokolorowego spektrum z powrotem na białe światło, które miało takie same właściwości jak światło, zanim uderzyło w pierwszy pryzmat . Chociaż szczegóły teorii korpuskularnej Newtona okazały się w większości niepoprawne, jego przełomy w odniesieniu do koloru i załamania światła, wraz z podobną pracą Huygensa, doprowadziły do opracowania soczewek złożonych do korekcji aberracji chromatycznej.
Huygens zbudował swoje własne teleskopy złożone, bez korzyści, które nie zostały jeszcze opracowane, soczewki achromatyczne, które wymagały dużych odległości między przednim a tylnym elementem. Newton sam nie dokonał dalszego rozwoju soczewki refrakcyjnej. Wolał całkowicie obejść ten problem, używając zakrzywionych luster odbijających na pierwszej powierzchni, aby uniknąć aberracji spowodowanych załamaniem. W rzeczywistości słyszał, że aberracji chromatycznej nie można skorygować, ponieważ nie wziął pod uwagę, że można użyć dwóch rodzajów szkła o różnych właściwościach refrakcyjnych.
Złożony bezdętkowy teleskop refrakcyjny Christiaana Huygensa i drugi teleskop refleksyjny Newtona.
Pierwsza soczewka achromatyczna została stworzona w 1733 roku. Wykorzystała ona dwa elementy o różnych współczynnikach załamania światła, aby częściowo skorygować aberracje kolorów i pozwoliła na skrócenie i zwiększenie funkcjonalności teleskopów refrakcyjnych.
Cała trójka elementem Apochromat wkrótce potem, co było jeszcze lepszą poprawę w stosunku do Achromat dwóch elementów niż Achromat był nad zwykłą soczewkę.
Wiele z tego, czego twórcy soczewek nauczyli się korygować aberrację chromatyczną, miało również zastosowanie do innych, monochromatycznych, aberracji optycznych związanych z prostym obiektywem.
Gdy fotografia chemiczna pojawiła się w XIX wieku jako sposób na zachowanie obrazu wyświetlanego przez obiektyw, ci, którzy wykonali soczewki do użytku fotograficznego, wykorzystali to, czego wcześniej nauczył się w dziedzinie optyki, która była głównie stosowana w teleskopach i tym podobnych, i pobiegłem z tym. Dobre badanie zmian w projektowaniu obiektywów fotograficznych, oparte na zasadach optycznych odkrytych w XVII i XVIII wieku omówionych powyżej, można znaleźć w artykule „Historia projektowania obiektywów fotograficznych” na Wikipedii. (Jest o wiele za długi i wymaga przedstawienia tutaj streszczenia).
We wszystkich jest siedem „klasycznych” aberracji optycznych, które soczewki złożone próbują korygować w różnym stopniu. Zwróć uwagę, że te aberracje nie są wynikiem niedoskonałości konstrukcji soczewek, ale wynikają z natury samego światła przechodzącego przez materiały refrakcyjne. Te aberracje byłyby obecne, nawet gdyby te materiały refrakcyjne były matematycznie doskonałe.
- Nieostrość (najniższa kolejność, którą można łatwo poprawić, zmieniając odległość między obiektywem a płaszczyzną obrazowania)
- Aberracja sferyczna
- Śpiączka
- Astygmatyzm
- Krzywizna pola
- Zniekształcenie geometryczne
- Aberracja chromatyczna
Możesz to zrobić. Twoje zdjęcia po prostu nie będą jednak bardzo dobre.
Nauczyliśmy się na wczesnym etapie optyki - w czasach teleskopów i lunet refraktorowych Galileo Galilei - że pojedynczy szklany element nie tworzy bardzo dobrego obrazu. Zwykle nie jest ostry; zwykle ma kolorową obwódkę (ponieważ kolory nie skupiają się w tym samym punkcie); i ma tendencję do zniekształceń.
Zrobione dobrze, dodanie dodatkowych elementów może zneutralizować większość z prawie wszystkich tych złych zachowań. Obrazy wyostrzają; zniekształcenie znika; kolory skupiają się razem. Dodanie większej liczby elementów ma jednak swoje własne problemy. Każda powierzchnia powietrze-szkło odbija trochę światła. Nowoczesne soczewki mają wielowarstwowe warstwy, aby to zminimalizować, ale jeśli masz wystarczającą liczbę elementów, utrata światła zaczyna być zauważalna i może negatywnie wpłynąć na obraz, powodując odblask.
W rezultacie normalne obiektywy (w szczególności obiektywy 50-mm mm dla pełnoklatkowych aparatów) mają zwykle od czterech do ośmiu elementów (kawałki szkła). Pięć do sześciu działa naprawdę dobrze w większości przypadków, ale aparaty cyfrowe są bardziej wrażliwe na kolorowe obramowanie niż film, więc wysokiej klasy zwykłe obiektywy mogą mieć więcej elementów, aby zmaksymalizować korekcję. Nowoczesne wielopowłokowe sprawia, że nie jest to tak duży problem, jak jeszcze dwadzieścia czy trzydzieści lat temu.
Obiektywy zmiennoogniskowe obsługują zakres ogniskowych, dlatego potrzebna jest jeszcze większa korekta, aby w takich obiektywach było czasami dziesięć, piętnaście, a nawet dwadzieścia lub więcej elementów.
Pozwolę sobie podać jedną krótką (i niepełną) odpowiedź na temat przyczyn wielu elementów. W każdym elemencie masz coś w rodzaju aberracji lufy / poduszki i dodatkowe elementy „walczą” z tym w pewnym stopniu.
Ponadto (o ile wiem) lepiej jest umieścić mechanikę apertury między elementami (potrzeba osiągnięcia równomiernego oświetlenia całej płaszczyzny czujnika / filmu).
Mechanika autofokusa będzie musiała być dość mocna (f / 2 będzie oznaczać średnicę elementu 25 mm) z uwagi na konieczność przesunięcia względnie wysokiego elementu szklanego.
A jeśli masz stabilizację obrazu, jest to jedna grupa (jednego lub więcej elementów). Jeśli masz tylko jeden element, konstrukcja stanie się dość złożona i nie będziesz w stanie osiągnąć tego poziomu stabilizacji. Będziesz także bardzo ograniczony w sensie otwartych otworów, ponieważ będziesz musiał przenieść jeden ogromny element.
Niektóre proste aparaty można uzyskać za pomocą obiektywu jednoelementowego, jednak realizowany obraz jest drugorzędny. W dzisiejszych czasach nawet niedrogie aparaty względne są wyposażone w aż siedem pojedynczych elementów obiektywu. Jeśli obiektyw aparatu jest typu jednoelementowego, obraz będzie zniekształcony kilkoma defektami objętymi nagłówkiem „aberracja”.
Jedna z takich aberracji ujawnia migotanie kolorów, dzięki czemu widoczny jest wielokolorowy efekt tęczy otaczający obiekty będące obrazami. Co się dzieje; każdy z różnych kolorów tworzących perspektywę jest ustawiany na ostrość w nieco innych odległościach od soczewki. Obrazy w świetle fioletowym, które są najbardziej reflektywne, skupiają się na pierwszym planie, czerwone obrazy, będące przedmiotem leasingu, skupiają się na dalszych etapach. Obrazy składające się z innych kolorów mieszczą się gdzieś pomiędzy. Zjawisko to nazywa się aberracją chromatyczną.
Im dalej od obiektywu powstaje obraz, tym większy będzie. Innymi słowy, soczewka cierpiąca na aberrację chromatyczną wyświetla wiele obrazów, z których każdy będzie różny pod względem wielkości. Rezultatem jest flingowanie kolorów najbardziej kojarzone z aberracją chromatyczną. W rzeczywistości istnieją dwa typy, podłużny i poprzeczny. Możemy ograniczyć szkodliwe właściwości aberracji chromatycznej, stosując dublet (soczewka 2-elementowa). Jeden jest wykonany przy użyciu szkła koronowego, a drugi flit. Jedna ma silną moc dodatnią, a druga słabą moc ujemną. Po połączeniu, kombinacja miduje aberrację chromatyczną. Ten 2-elementowy projekt koryguje tylko dwa kolory, możemy dodać trzeci obiektyw, dzięki czemu kanapka jest achromatyczną trypletem (achromatyczna grecka bez błędów koloru).
Oprócz plagi aberracji chromatycznej istnieje 6 innych głównych aberracji (wspomnianych przez innych w tym poście), które można złagodzić. Technicznie każdy wymaga specjalistycznej soczewki co do kształtu i materiału. Wszystko to i więcej zmusza projektanta soczewek do zbudowania soczewki wieloelementowej. Niektóre elementy są cementowane razem; niektóre to przestrzenie powietrzne, niektóre poruszają się jako grupa podczas powiększania i ustawiania ostrości.
Konkluzja: Wierny obiektyw jeszcze nie został stworzony. Czapki z głów przed optykami, którzy tworzą te cuda dla naszego użytku i przyjemności!