¿Por qué las lentes prime tienen múltiples elementos de lente?
Respuestas:
Las lentes individuales con grosor real refractan las diferentes longitudes de onda de la luz en ángulos ligeramente diferentes. Para cualquier lugar que no sea el centro óptico exacto de la lente, esto causa un efecto prismático que se hace más notable a medida que uno se aleja del centro óptico de la lente. Esto es lo que llamamos aberración cromática. No es la única aberración óptica que encontramos al usar un solo elemento de lente, pero es probablemente la más notable.
Los primeros catalejos (telescopios) sufrieron mucho de CA y las otras aberraciones ópticas. El campo de la óptica se desarrolló para hacer frente a estas imperfecciones, ya que se aplicaron a los telescopios mucho antes del comienzo de la fotografía a mediados del siglo XIX como un medio para preservar una escena proyectada por una lente usando químicos sensibles a la luz.
En los años 1600, Snellius (el origen de la 'Ley de Snell' ) y Descartes (el creador o la geometría cartesiana ) codificaron las primeras leyes de refracción y reflexión. En 1690, Christiaan Huygens había escrito su "Traité de la Lumière" o "Tratado sobre la luz" , que se basó en el trabajo de Descartes y presentó la teoría ondulatoria de la luz, presentada por primera vez a la Academia de Ciencias de París en 1678, basada en las matemáticas. Isaac Newton publicó 'Hipótesis de la luz' en 1675 y 'Optiks'en 1705 en el que presentó una teoría competitiva de la luz como corpúsculos o partículas. Durante los siguientes cien años más o menos, la teoría de la luz de Newton fue aceptada y la teoría de las ondas de Huygens fue rechazada. No fue hasta que Augustin-Jean Fresnel adoptó el principio de Huygens en 1821 y demostró que podía explicar la propagación rectilínea y los efectos de difracción de la luz que la teoría de ondas de Huygens fue generalmente aceptada. Este principio se conoce ahora como el principio de Huygens-Fresnel.
Newton también demostró que un prisma descompone la luz blanca en un espectro de sus colores componentes, y que una lente y un segundo prisma pueden usarse para recomponer el espectro multicolor de nuevo en luz blanca que tenía las mismas propiedades que la luz antes de que golpeara el primer prisma . Aunque se ha demostrado que los detalles de la teoría corpuscular de Newton son en su mayoría incorrectos, sus avances con respecto al color y la refracción, junto con un trabajo similar de Huygens, fueron los que llevaron al desarrollo de lentes compuestas para corregir la aberración cromática.
Huygens construyó sus propios telescopios compuestos, sin el beneficio de lentes acromáticos aún por desarrollar, que requerían largas distancias entre los elementos delantero y trasero. Newton no realizó más desarrollo de lentes refractivas por sí mismo. Prefirió evitar el problema por completo utilizando espejos reflectantes curvados de primera superficie para evitar las aberraciones causadas por la refracción. De hecho, él declaró que la aberración cromática no podía corregirse porque no consideró que se pudieran usar dos tipos de vidrio con diferentes propiedades de refracción.
El telescopio refractor sin cámara compuesto de Christiaan Huygens y el segundo telescopio reflector de Newton.
La primera lente acromática se creó en 1733. Usó dos elementos con diferentes índices de refracción para corregir parcialmente las aberraciones de color y permitió que los telescopios de refracción se hicieran más cortos y más funcionales.
Pronto siguió el apocromático de tres elementos , que fue una mejora aún mejor sobre el acromático de dos elementos que el acromático sobre la lente simple.
Gran parte de lo que los fabricantes de lentes aprendieron al corregir la aberración cromática también tuvo aplicación en las otras aberraciones ópticas monocromáticas inherentes a una lente simple.
Una vez que la fotografía química surgió en el siglo XIX como una forma de preservar una imagen proyectada por una lente, los que fabricaron lentes para uso fotográfico tomaron lo que se había aprendido anteriormente en el campo de la óptica, que se había aplicado principalmente a telescopios y similares, y corrí con eso. Un buen estudio de los desarrollos en el diseño de lentes fotográficas, todo basado en los principios ópticos descubiertos en los siglos XVII y XVIII discutidos anteriormente, se puede encontrar en el artículo 'Historia del diseño de lentes fotográficos' en Wikipedia. (Es demasiado largo y complicado para incluir un resumen aquí).
En total, hay siete aberraciones ópticas "clásicas" que las lentes compuestas intentan corregir en diversos grados. Tenga en cuenta que estas aberraciones no son el resultado de imperfecciones en la construcción de lentes, sino que se deben a la naturaleza de la luz en sí misma a medida que pasa a través de materiales refractivos. Estas aberraciones estarían presentes incluso si esos materiales refractivos fueran matemáticamente perfectos.
- Desenfoque (el orden más bajo que se corrige fácilmente cambiando la distancia entre la lente y el plano de imagen)
- Aberración esférica
- Coma
- Astigmatismo
- Curvatura de campo
- Distorsión geométrica
- Aberración cromática
Puedes hacerlo. Sin embargo, sus imágenes, simplemente, no serán muy buenas.
Se aprendió al principio de la óptica, ya en los días de los telescopios y monoculares refractores de Galileo Galilei, que un solo elemento de vidrio no crea una imagen muy buena. Tiende a no ser agudo; tiende a tener franjas de color (porque los colores no se enfocan en el mismo punto); y tiende a tener distorsión.
Bien hecho, agregar elementos adicionales puede neutralizar la mayoría de casi todos estos malos comportamientos. Las imágenes se agudizan; la distorsión desaparece; Los colores se centran juntos. Sin embargo, agregar más elementos tiene sus propios problemas. Cada superficie de aire a vidrio refleja un poco de luz. Las lentes modernas tienen capas multicapa para minimizar esto, pero si tiene suficientes elementos, la pérdida de luz comienza a ser notable y puede afectar negativamente su imagen al causar destellos.
Por lo tanto, como resultado, las lentes normales (lentes de 50 mm ish para cámaras de fotograma completo específicamente) tienden a tener entre cuatro y ocho elementos (piezas de vidrio). De cinco a seis funciona muy bien en la mayoría de los casos, pero las cámaras digitales son más sensibles a las franjas de color que la película, por lo que las lentes normales de gama alta pueden tener más elementos que esto para maximizar la corrección. La multicapa moderna hace que esto no sea un problema tan grande como lo fue hace veinte o treinta años.
Las lentes con zoom manejan un rango de distancias focales, por lo que necesita aún más corrección, por lo que verá diez, quince, incluso veinte o más elementos en tales lentes a veces.
Permítanme dar una respuesta corta (y no completa) sobre las razones detrás de muchos elementos. En cada elemento tienes una especie de aberración de barril / alfiletero y elementos adicionales "luchan" en algún grado con esto.
Además (hasta donde yo sé) es mejor poner la mecánica de apertura entre los elementos (la necesidad de lograr una iluminación uniforme en todo el sensor / plano de la película).
El mecánico de enfoque automático deberá ser bastante potente (f / 2 significará un diámetro de elemento de 25 mm) debido a la necesidad de mover un elemento de vidrio relativamente pesado.
Y si tiene estabilización de imagen, este es un grupo (de uno o más elementos). Si solo tiene un elemento, la construcción se volverá bastante compleja y no podrá alcanzar este nivel de estabilización. También estará muy limitado en el sentido de aperturas abiertas porque necesitará mover un elemento enorme.
Algunas cámaras simples pueden obtenerse usando una lente de un solo elemento, sin embargo, la imagen realizada es de segunda categoría. Hoy en día, incluso las cámaras económicas de relatividad están equipadas con hasta siete elementos de lente individuales. Si la lente de la cámara es del tipo de elemento único, la imagen se verá afectada por varios defectos que se encuentran bajo el encabezado "aberración".
Una de estas aberraciones revela un cambio de color mediante el cual se ve un efecto multicolor del arco iris que rodea los objetos que son imágenes. Lo que está sucediendo es; Cada uno de los diversos colores que componen la vista se enfocan a distancias ligeramente diferentes de la lente. Las imágenes de luz violeta, siendo las más refrangibles, se enfocan primero, las imágenes rojas son las refrancibles de arrendamiento, se enfocan más abajo. Las imágenes que consisten en otros colores caen en algún punto intermedio. Este fenómeno se llama aberración cromática.
Ahora, cuanto más lejos de la lente se forme una imagen, más grande será. En otras palabras, una lente que sufre de aberración cromática proyecta múltiples imágenes, cada una tendrá un tamaño diferente. El resultado es el cambio de color más asociado con la aberración cromática. En realidad hay dos tipos, longitudinal y transversal. Podemos reducir las propiedades nocivas de la aberración cromática mediante el uso de un doblete (lente de 2 elementos). Uno está hecho con vidrio de corona y el otro flit. Uno tiene un fuerte poder positivo y el otro débil poder negativo. Cuando se intercalan, la combinación midra la aberración cromática. Este diseño de 2 elementos corrige solo dos colores, podemos agregar una tercera lente haciendo del sándwich un triplete acromático (griego acromático sin errores de color).
Además de la plaga de la aberración cromática, hay otras 6 aberraciones importantes (mencionadas por otros en esta publicación) que pueden mitigarse. Técnicamente, cada uno requiere una lente especializada en cuanto a forma y material. Todo esto y más obliga al diseñador de lentes a construir una lente de elementos múltiples. Algunos de los elementos están cementados juntos; algunos son espacios aéreos, algunos se mueven en grupo a medida que haces zoom y enfocas.
En pocas palabras: la lente fiel aún no se ha hecho. ¡Felicitaciones a los ópticos que crean estas maravillas para nuestro uso y disfrute!