Почему простые линзы имеют несколько линз?

Если я посмотрю характеристики моего 50-мм объектива, он говорит, что он имеет 8 элементов объектива в 7 группах. Почему, а не просто линзовым элементом с фокусным расстоянием 50 мм?

Одиночные линзы с реальной толщиной преломляют световые волны различной длины под немного разными углами. В любом другом месте, кроме точного оптического центра объектива, это вызывает призматический эффект, который становится все более заметным по мере удаления от оптического центра объектива. Это то, что мы называем хроматической аберрацией. Это не единственная оптическая аберрация, с которой мы сталкиваемся при использовании одного линзового элемента, но, вероятно, она наиболее заметна.

Самые ранние spyglasses (телескопы) сильно пострадали от CA и других оптических аберраций. Область оптики развивалась, чтобы справиться с этими недостатками, поскольку они применялись к телескопам задолго до начала фотографии в середине 19-го века как средство сохранения сцены, спроектированной линзой, с использованием светочувствительных химикатов.

В 1600-х годах Снеллиус (происхождение «закона Снелла» ) и Декарт (создатель или декартова геометрия ) кодифицировали самые ранние законы преломления и отражения. К 1690 году Кристиан Гюйгенс написал свой «Traité de la Lumière» или «Трактат о свете», который основывался на работе Декарта и представил волновую теорию света, впервые представленную в 1678 году Парижской академией наук на основе математики. Исаак Ньютон опубликовал «Гипотезу света» в 1675 году и «Оптикс»в 1705 году, в котором он представил конкурирующую теорию света в виде корпускул или частиц. В течение следующих ста лет теория света Ньютона была принята, а волновая теория Гюйгенса была отвергнута. Только в 1821 году Августин-Жан Френель принял принцип Гюйгенса и показал, что он может объяснить прямолинейные эффекты распространения и дифракции света, что волновая теория Гюйгенса была общепринятой. Этот принцип теперь известен как принцип Гюйгенса-Френеля.

Ньютон также продемонстрировал, что призма разлагает белый свет на спектр его составляющих цветов, и что линза и вторая призма могут быть использованы для преобразования многоцветного спектра обратно в белый свет, который имел те же свойства, что и свет, прежде чем ударил первую призму. , Хотя детали корпускулярной теории Ньютона, как было показано, в основном неверны, его прорывы в отношении цвета и преломления, наряду с аналогичной работой Гюйгенса, привели к разработке сложных линз для коррекции хроматической аберрации.

Гюйгенс построил свои собственные составные телескопы, но при этом еще не были разработаны ахроматические линзы, которые требовали больших расстояний между передним и задним элементами. Ньютон больше не занимался разработкой рефракционных линз. Он предпочел полностью обойти эту проблему, используя отражающие зеркала с первой криволинейной поверхностью, чтобы избежать аберраций, вызванных преломлением. Фактически, он классно заявил, что хроматическую аберрацию нельзя исправить, потому что он не учел, что можно использовать два типа стекла с разными преломляющими свойствами.

_{Составной бескамерный преломляющий телескоп Кристиана Гюйгенса и второй отражающий телескоп Ньютона.}

Первая ахроматическая линза была создана в 1733 году. В ней использовались два элемента с различными показателями преломления для частичной коррекции цветовых аберраций и позволяла делать рефракционные телескопы короче и более функциональными.

Вскоре последовал трехэлементный апохромат , который был еще лучше по сравнению с двухэлементным ахроматом, чем ахромат по сравнению с простой линзой.

Многое из того, что производители линз узнали, исправляя хроматическую аберрацию, также применимо к другим, монохроматическим, оптическим аберрациям, присущим простой линзе.

Как только химическая фотография появилась в 19 веке как способ сохранить изображение, проецируемое линзой, те, кто делал линзы для фотографического использования, взяли то, что было изучено ранее в области оптики, которая в основном применялась для телескопов и тому подобного, и побежал с этим. Хороший обзор разработок в области дизайна фотографических линз, основанных на оптических принципах, открытых в 17 и 18 веках, о которых говорилось выше, можно найти в статье «История дизайна фотографических линз» в Википедии. (Это слишком долго и сложно включать резюме здесь.)

Всего существует семь «классических» оптических аберраций, которые сложные линзы пытаются исправить в разной степени. Обратите внимание, что эти аберрации не являются результатом несовершенства конструкции линз, а связаны с природой самого света, который проходит через преломляющие материалы. Эти аберрации будут присутствовать, даже если эти преломляющие материалы будут математически совершенными.

• Расфокусировка (самый низкий порядок, который легко корректируется путем изменения расстояния между объективом и плоскостью изображения)
• Сферическая аберрация
• кома
• Астигматизм
• Кривизна поля
• Геометрическое искажение
• Хроматическая аберрация

Ты можешь сделать это. Впрочем, ваши изображения будут не очень хорошими.

В оптике рано стало известно - еще во времена Галилео Галилея с телескопами и монокулярами - что один стеклянный элемент не создает очень хорошего изображения. Это имеет тенденцию не быть острым; это имеет тенденцию иметь цветную окантовку (потому что цвета не сосредотачиваются в той же самой точке); и это имеет тенденцию иметь искажение.

Если все сделано правильно, добавление дополнительных элементов может нейтрализовать почти все эти плохие поведения. Изображения резкость; искажение уходит; цвета сосредоточены вместе. Однако добавление большего количества элементов имеет свои проблемы. Каждая поверхность воздух-стекло отражает немного света. Современные линзы имеют многослойные слои, чтобы минимизировать это, но если у вас достаточно элементов, потеря света начинает быть заметной и может негативно повлиять на ваше изображение, вызывая блики.

Таким образом, в результате нормальные объективы (объективы 50-мм мм для полнокадровых камер) имеют тенденцию иметь от четырех до восьми элементов (кусочки стекла). В большинстве случаев от пяти до шести работает очень хорошо, но цифровые камеры более чувствительны к бахроме, чем пленка, поэтому у высококачественных обычных объективов может быть больше элементов, чем это, чтобы максимизировать коррекцию. Современное многослойное покрытие делает это не такой большой проблемой, как это было даже двадцать или тридцать лет назад.

Зум-объективы работают с целым рядом фокусных расстояний, поэтому требуется еще большая коррекция, чтобы вы иногда видели в таких объективах десять, пятнадцать, даже двадцать или более элементов.

Позвольте мне дать один короткий (и не полный) ответ о причинах многих элементов. В каждом элементе у вас есть своего рода аберрация ствола / подушечка и дополнительные элементы в некоторой степени «борются» с этим.

Также (насколько я знаю) лучше разместить механику диафрагмы между элементами (необходимость достижения равномерного освещения по всей плоскости датчика / пленки).

Механика автофокуса должна быть достаточно мощной (f / 2 будет означать диаметр элемента 25 мм) из-за необходимости перемещения относительно тяжелого стеклянного элемента.

И если у вас есть стабилизация изображения, это одна группа (из одного или нескольких элементов). Если у вас есть только один элемент, конструкция станет довольно сложной, и вы не сможете достичь этого уровня стабилизации. Также вы будете очень ограничены в смысле открытых отверстий, потому что вам нужно будет перемещать один огромный элемент.

Некоторые простые камеры могут получить с помощью одноэлементного объектива, однако полученное изображение является второсортным. В настоящее время даже относительные недорогие камеры оснащены семью отдельными элементами объектива. Если объектив камеры относится к одноэлементному типу, изображение будет испорчено несколькими дефектами, которые попадают под заголовок «аберрация».

Одна из таких аберраций обнаруживает изменение цвета, благодаря чему разноцветный эффект радуги окружает объекты, являющиеся изображениями. Что происходит, каждый из различных цветов, составляющих перспективу, фокусируется на несколько разных расстояниях от объектива. Изображения с фиолетовым светом, будучи наиболее рефрагментируемыми, в первую очередь обращают на себя внимание, а красные изображения, являющиеся арендуемыми для аренды, фокусируются еще ниже. Изображения, состоящие из других цветов, находятся где-то посередине. Это явление называется хроматической аберрацией.

Теперь, чем дальше от линзы образуется изображение, тем больше оно будет. Другими словами, объектив, страдающий от хроматической аберрации, проецирует несколько изображений, каждое из которых будет различаться по размеру. Результатом является изменение цвета, наиболее связанное с хроматической аберрацией. На самом деле есть два типа, продольный и поперечный. Мы можем уменьшить вредные свойства хроматической аберрации с помощью дублета (2-элементная линза). Один изготовлен с использованием коронного стекла, а другой - флит. У одного сильная положительная сила, у другого слабая отрицательная сила. При наложении друг на друга комбинация усугубляет хроматическую аберрацию. Этот двухэлементный дизайн корректирует только два цвета, мы можем добавить третью линзу, делающую бутерброд ахроматическим триплетом (ахроматический греческий язык без ошибок цвета).

В дополнение к чуме хроматической аберрации, есть еще 6 основных аберраций (упомянутых другими на этом посту), которые можно смягчить. Технически каждый требует специальной линзы как по форме, так и по материалу. Все это и многое другое вынуждает дизайнера линз создавать линзу из нескольких элементов. Некоторые элементы склеены вместе; некоторые - воздушные пространства, некоторые перемещаются как группа, когда вы масштабируете и фокусируете.

Итог: верный объектив еще предстоит сделать. Снимаю шляпу у оптиков, которые создают эти чудеса для нашего использования и удовольствия!