ทำไมเลนส์เดี่ยวถึงมีองค์ประกอบเลนส์หลายแบบ?

ถ้าฉันดูข้อมูลจำเพาะของเลนส์ 50 มม. มันบอกว่ามันมีองค์ประกอบเลนส์ 8 ชิ้นใน 7 กลุ่ม ทำไมจึงเป็นเช่นนั้นทำไมไม่เพียงองค์ประกอบเลนส์เดี่ยวที่มีระยะโฟกัส 50 มม.

เลนส์เดี่ยวที่มีความหนาจริงจะหักเหความยาวคลื่นที่แตกต่างของแสงในมุมต่างกันเล็กน้อย สำหรับที่อื่นที่ไม่ใช่ศูนย์กลางออพติคอลที่แน่นอนของเลนส์นี่จะทำให้เกิดเอฟเฟกต์แท่งปริซึมที่เห็นได้ชัดเจนมากขึ้นเมื่อเคลื่อนไปไกลจากศูนย์กลางออปติคัลของเลนส์ นี่คือสิ่งที่เราเรียกว่าความคลาดสี มันไม่ได้เป็นความผิดปกติทางแสงเพียงอย่างเดียวที่เราพบเมื่อใช้องค์ประกอบเลนส์เดียว

Spyglasses ที่เก่าแก่ที่สุด (กล้องโทรทรรศน์) ได้รับความเดือดร้อนอย่างมากจาก CA และความผิดปกติทางแสงอื่น ๆ สาขาทัศนศาสตร์พัฒนาขึ้นเพื่อจัดการกับความไม่สมบูรณ์เหล่านี้เนื่องจากนำไปใช้กับกล้องโทรทรรศน์ได้ดีก่อนที่จะเริ่มการถ่ายภาพในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 เพื่อใช้ในการรักษาฉากที่ฉายด้วยเลนส์โดยใช้สารเคมีที่ไวต่อแสง

ใน 1600's, Snellius (ที่มาของ'Snell's Law' ) และ Descartes (ผู้สร้างหรือเรขาคณิตคาร์ทีเซียน ) ประมวลกฎหมายแรกของการหักเหและการสะท้อนกลับ โดย 1,690 Christiaan Huygens ได้เขียน'Traité de la Lumière' ของเขาหรือ'Treatise on Light'ที่สร้างขึ้นในงาน Descartes 'และนำเสนอทฤษฎีคลื่นของแสงนำเสนอครั้งแรกเพื่อปารีส Academy of Sciences ใน 1,678 ตามคณิตศาสตร์. Isaac Newton เผยแพร่'Hypothesis of Light'ในปี 1675 และ'Optiks'ใน 1,705 ซึ่งเขานำเสนอทฤษฎีการแข่งขันของแสงเป็น corpuscles หรืออนุภาค. ในอีกร้อยปีข้างหน้าทฤษฎีของแสงของนิวตันได้รับการยอมรับและทฤษฎีคลื่น Huygens ถูกปฏิเสธ มันไม่ได้จนกว่า Augustin-Jean Fresnel นำหลักการของ Huygens มาใช้ในปี ค.ศ. 1821 และแสดงให้เห็นว่ามันสามารถอธิบายการแพร่กระจายของเส้นตรงและผลการเลี้ยวเบนของแสงที่ทฤษฎีคลื่นของ Huygens ได้รับการยอมรับโดยทั่วไป หลักการนี้เป็นที่รู้จักในฐานะหลักการ Huygens – Fresnel

นิวตันยังแสดงให้เห็นว่าปริซึมสลายแสงสีขาวให้เป็นสเปกตรัมขององค์ประกอบสีและเลนส์และปริซึมที่สองสามารถนำมาใช้เพื่อรวมสเปกตรัมหลายสีกลับคืนสู่แสงสีขาวซึ่งมีคุณสมบัติเช่นเดียวกับแสงก่อนที่จะเกิดปริซึมแรก . แม้ว่ารายละเอียดของทฤษฎี corpuscular ของนิวตันได้แสดงให้เห็นว่าไม่ถูกต้องส่วนใหญ่ความก้าวหน้าของเขาเกี่ยวกับสีและการหักเหพร้อมกับงานที่คล้ายกันโดย Huygens เป็นสิ่งที่นำไปสู่การพัฒนาของเลนส์คอมโพสิตเพื่อแก้ไขความคลาดสี

Huygens สร้างกล้องโทรทรรศน์แบบผสมของตัวเองโดยไม่ได้รับประโยชน์จากการพัฒนาเลนส์ไม่มีสีซึ่งต้องใช้ระยะทางไกลระหว่างองค์ประกอบด้านหน้าและด้านหลัง นิวตันไม่ได้พัฒนาเลนส์หักเหใด ๆ เพิ่มเติมด้วยตนเอง เขาต้องการแก้ไขปัญหาทั้งหมดโดยใช้กระจกสะท้อนแสงผิวโค้งแรกเพื่อหลีกเลี่ยงความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากการหักเหของแสง ในความเป็นจริงเขาประกาศว่าชื่อเสียงความผิดปกติของสีไม่สามารถแก้ไขได้เนื่องจากเขาล้มเหลวในการพิจารณาว่าสามารถใช้กระจกสองชนิดที่มีคุณสมบัติการหักเหของแสงที่แตกต่างกัน

_{กล้องโทรทรรศน์หักเหแสงแบบไม่มีร่องของ Christiaan Huygens และกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงดวงที่สองของนิวตัน}

เลนส์achromatic ตัวแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1733 โดยใช้สององค์ประกอบที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันเพื่อแก้ไขความคลาดสีบางส่วนและอนุญาตให้กล้องโทรทรรศน์หักเหนั้นสั้นและทำงานได้มากขึ้น

ในไม่ช้าองค์ประกอบสามapochromatซึ่งเป็นการปรับปรุงที่ดียิ่งขึ้นกว่าสององค์ประกอบ achromat กว่า achromat มากกว่าเลนส์ธรรมดา

สิ่งที่ผู้ผลิตเลนส์ได้เรียนรู้การแก้ไขความผิดเพี้ยนของสีก็มีการนำไปประยุกต์ใช้กับความผิดปกติทางแสงสีเดียวและสีอื่นที่มีอยู่ในเลนส์ธรรมดา

เมื่อการถ่ายภาพทางเคมีเกิดขึ้นในศตวรรษที่ 19 เพื่อรักษาภาพที่ฉายโดยเลนส์ผู้ที่ทำเลนส์เพื่อใช้ในการถ่ายภาพได้ใช้สิ่งที่ได้เรียนรู้มาก่อนหน้านี้ในสาขาทัศนศาสตร์ซึ่งส่วนใหญ่ถูกนำไปใช้กับกล้องโทรทรรศน์และสิ่งที่คล้ายกัน และวิ่งไปกับมัน จากการสำรวจพัฒนาการที่ดีของการออกแบบเลนส์ถ่ายภาพโดยอาศัยหลักการทางแสงที่ค้นพบในศตวรรษที่ 17 และ 18 ที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถพบได้ในบทความ'ประวัติการออกแบบเลนส์ถ่ายภาพ'ที่ Wikipedia (ยาวเกินไปและเกี่ยวข้องกับการรวมที่นี่)

ในภาพรวมนั้นมีความผิดปรกติออปติคอล "คลาสสิก" เจ็ดประการที่เลนส์ประกอบพยายามแก้ไของศาที่แตกต่าง โปรดทราบว่าความผิดปกติเหล่านี้ไม่ได้เป็นผลมาจากความไม่สมบูรณ์ในการสร้างเลนส์ แต่เนื่องมาจากลักษณะของแสงในขณะที่ผ่านวัสดุหักเห ความผิดปกติเหล่านี้จะเกิดขึ้นแม้ว่าวัสดุหักเหเหล่านั้นจะสมบูรณ์แบบทางคณิตศาสตร์

• ปรับโฟกัส (ลำดับที่ต่ำที่สุดซึ่งแก้ไขได้ง่ายโดยเปลี่ยนระยะห่างระหว่างเลนส์และระนาบการถ่ายภาพ)
• ความผิดปกติของทรงกลม
• อาการโคม่า
• อาการตาพร่า
• ความโค้งของสนาม
• ความผิดเพี้ยนทางเรขาคณิต
• ความผิดปกติของสี

คุณสามารถทำได้ รูปภาพของคุณค่อนข้างง่ายจะไม่ดีมาก

มันเรียนรู้ตั้งแต่ช่วงต้นเกี่ยวกับเลนส์ - ย้อนกลับไปในยุคกาลิเลโอกาลิลีในช่วงเวลาที่กล้องโทรทรรศน์หักเหและ monoculars ซึ่งองค์ประกอบแก้วเดียวไม่ได้สร้างภาพลักษณ์ที่ดีมาก มันไม่แหลมคม มันมีแนวโน้มที่จะมีแนวสี (เพราะสีไม่ได้โฟกัสที่จุดเดียวกัน); และมันก็มักจะมีการบิดเบือน

ถูกต้องการเพิ่มองค์ประกอบเพิ่มเติมสามารถทำให้พฤติกรรมที่ไม่ดีเหล่านี้เกือบทั้งหมดใช้งานได้ ภาพคมชัด; การบิดเบือนหายไป; สีเน้นเข้าด้วยกัน แม้ว่าการเพิ่มองค์ประกอบเพิ่มเติมจะมีปัญหาของตัวเอง พื้นผิวแต่ละแบบจากอากาศถึงกระจกสะท้อนแสงเล็กน้อย เลนส์ที่ทันสมัยมีชั้นแบบหลายชั้นเพื่อลดสิ่งนี้ แต่ถ้าคุณมีองค์ประกอบเพียงพอการสูญเสียของแสงจะเริ่มสังเกตเห็นได้และอาจส่งผลเสียต่อภาพของคุณโดยทำให้เกิดแสงแฟลร์

ดังนั้นเลนส์ปกติ (เลนส์ 50-ish mm สำหรับกล้องฟูลเฟรมโดยเฉพาะ) จึงมีองค์ประกอบระหว่างสี่ถึงแปดองค์ประกอบ (ชิ้นส่วนของกระจก) ในกรณีส่วนใหญ่ห้าถึงหกใช้งานได้ดี แต่กล้องดิจิตอลมีความไวต่อการเกิดสีมากกว่าฟิล์มดังนั้นเลนส์ปกติระดับไฮเอนด์จึงมีองค์ประกอบมากกว่านี้เพื่อเพิ่มการแก้ไขสูงสุด การทำให้ทันสมัยหลายอย่างทำให้ไม่เป็นปัญหาเหมือนเมื่อยี่สิบหรือสามสิบปีที่แล้ว

เลนส์ซูมจัดการกับช่วงความยาวโฟกัสดังนั้นจำเป็นต้องมีการแก้ไขให้มากขึ้นดังนั้นคุณจะเห็นองค์ประกอบสิบสิบห้าหรือยี่สิบชิ้นในเลนส์ดังกล่าวตลอดเวลา

ให้ฉันให้คำตอบสั้น ๆ (ไม่เต็ม) เกี่ยวกับเหตุผลเบื้องหลังองค์ประกอบหลายอย่าง ในทุกองค์ประกอบคุณจะมีความผิดเพี้ยนของบาร์เรล / เบาะและองค์ประกอบเพิ่มเติม "ต่อสู้" ในระดับหนึ่งด้วยสิ่งนี้

ยิ่งไปกว่านั้น (เท่าที่ฉันรู้) จะดีกว่าที่จะวางกลศาสตร์รูรับแสงระหว่างองค์ประกอบ (จำเป็นที่จะต้องได้รับความสว่างแม้แต่บนระนาบเซ็นเซอร์ / ฟิล์มทั้งหมด)

ช่างออโต้โฟกัสจะต้องทรงพลังมาก (f / 2 จะหมายถึงองค์ประกอบของเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มม.) เนื่องจากต้องการย้ายองค์ประกอบกระจกที่ค่อนข้างแน่น

และถ้าคุณมีระบบป้องกันภาพสั่นไหวนี่เป็นหนึ่งกลุ่ม (ขององค์ประกอบอย่างน้อยหนึ่งองค์ประกอบ) หากคุณมีองค์ประกอบเดียวการก่อสร้างจะค่อนข้างซับซ้อนและคุณไม่สามารถไปถึงระดับการรักษาเสถียรภาพนี้ได้ นอกจากนี้คุณจะถูก จำกัด อย่างมากในแง่ของการเปิดรูรับแสงเพราะคุณจะต้องย้ายองค์ประกอบขนาดใหญ่หนึ่งรายการ

กล้องง่าย ๆ บางตัวสามารถใช้เลนส์แบบองค์ประกอบเดียวได้ แต่ภาพที่รับรู้นั้นเป็นอัตราที่สอง ทุกวันนี้กล้องสัมพัทธภาพราคาไม่แพงนั้นมาพร้อมกับองค์ประกอบเลนส์มากถึงเจ็ดชิ้น หากเลนส์กล้องเป็นประเภทองค์ประกอบเดียวภาพจะถูกทำลายด้วยข้อบกพร่องหลายประการที่อยู่ภายใต้หัวข้อ "ความผิดปกติ"

หนึ่งความผิดปกติดังกล่าวเผยให้เห็นการเหวี่ยงสีโดยมีเอฟเฟกต์สีรุ้งหลายสีให้เห็นโดยรอบวัตถุที่เป็นภาพ สิ่งที่เกิดขึ้นคือ; แต่ละสีที่หลากหลายซึ่งประกอบไปด้วย vista นั้นจะถูกนำไปโฟกัสที่ระยะทางที่แตกต่างกันเล็กน้อยจากเลนส์ ภาพแสงสีม่วงซึ่งเป็นสิ่งที่หักล้างได้มากที่สุดมาถึงจุดโฟกัสก่อนภาพสีแดงเป็นรูปแบบที่ไม่อาจปฏิเสธได้ตามสัญญาเช่า ภาพที่ประกอบด้วยสีอื่น ๆ จะอยู่ที่ใดที่หนึ่ง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าความผิดปกติของสี

ตอนนี้ยิ่งอยู่ห่างจากเลนส์มากเท่าไหร่ภาพก็ยิ่งใหญ่เท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่งเลนส์ที่ทุกข์ทรมานจากความคลาดเคลื่อนสีฉายภาพหลายภาพแต่ละภาพจะมีขนาดแตกต่างกัน ผลที่ได้คือการเหวี่ยงสีที่เกี่ยวข้องมากที่สุดกับความผิดปกติของสี จริงๆแล้วมีสองประเภทคือแนวยาวและแนวขวาง เราสามารถลดคุณสมบัติที่เป็นอันตรายของความคลาดเคลื่อนสีได้ด้วยการใช้ doublet (2 element lens) หนึ่งทำโดยใช้มงกุฎแก้วและโผอื่น ๆ หนึ่งมีพลังบวกที่แข็งแกร่งพลังลบอื่น ๆ ที่อ่อนแอ เมื่อรวมเข้าด้วยกันการรวมกันจะลดความคลาดเคลื่อนของสี การออกแบบองค์ประกอบ 2 ชิ้นนี้แก้ไขเพียงสองสีเราสามารถเพิ่มเลนส์ตัวที่สามที่ทำให้แซนวิชกลายเป็น triplet ที่ไม่มีสี (กรีกไม่มีสีเพราะไม่มีข้อผิดพลาดของสี)

นอกเหนือจากภัยพิบัติของความผิดปกติของสีแล้วยังมีความผิดปกติที่สำคัญอีก 6 ประการ (ที่กล่าวถึงในโพสต์นี้) ที่สามารถบรรเทาได้ ในทางเทคนิคแล้วแต่ละคนต้องการเลนส์พิเศษเพื่อรูปร่างและวัสดุ ทั้งหมดนี้และอื่น ๆ บังคับให้นักออกแบบเลนส์สร้างเลนส์องค์ประกอบหลายชิ้น องค์ประกอบบางส่วนถูกยึดเข้าด้วยกัน บางส่วนเป็นช่องว่างอากาศบางห้องเคลื่อนที่เป็นกลุ่มเมื่อคุณซูมและโฟกัส

บรรทัดล่าง: เลนส์ที่ซื่อสัตย์ยังไม่ได้ทำ ถอดหมวกที่จะสร้างสิ่งมหัศจรรย์เหล่านี้เพื่อการใช้งานและความเพลิดเพลินของเรา!