Mengapa lensa prima memiliki banyak elemen lensa?

Jika saya mencari spesifikasi lensa 50 mm saya, dikatakan memiliki 8 elemen lensa, dalam 7 kelompok. Mengapa ini, mengapa tidak hanya elemen lensa tunggal dengan jarak fokus 50 mm?

Lensa tunggal dengan ketebalan nyata membiaskan panjang gelombang cahaya yang berbeda pada sudut yang sedikit berbeda. Untuk di mana saja selain dari pusat optik lensa yang tepat, ini menyebabkan efek prismatik yang semakin terlihat ketika seseorang bergerak lebih jauh dari pusat optik lensa. Inilah yang kami sebut sebagai chromatic aberration. Ini bukan satu-satunya penyimpangan optik yang kami temui ketika menggunakan elemen lensa tunggal, tetapi mungkin yang paling terlihat.

Spyglasses awal (teleskop) sangat menderita dari CA dan penyimpangan optik lainnya. Bidang optik dikembangkan untuk mengatasi ketidaksempurnaan ini saat diterapkan pada teleskop jauh sebelum awal fotografi pada pertengahan abad ke-19 sebagai cara melestarikan pemandangan yang diproyeksikan oleh lensa menggunakan bahan kimia sensitif cahaya.

Pada 1600-an, Snellius (asal-usul 'Hukum Snell' ) dan Descartes (pencipta atau geometri Cartesian ) mengkodifikasi hukum refraksi dan refleksi paling awal. Pada 1690 Christiaan Huygens telah menulis 'Traité de la Lumière' atau 'Risalah tentang Cahaya' yang dibangun di atas karya Descartes dan menyajikan teori gelombang cahaya, pertama kali dipresentasikan ke Paris Academy of Sciences pada 1678, berdasarkan matematika. Isaac Newton menerbitkan 'Hipotesis Cahaya' pada tahun 1675 dan 'Optiks'pada tahun 1705 di mana ia menyajikan teori cahaya yang bersaing sebagai sel-sel, atau partikel. Selama seratus tahun ke depan, teori cahaya Newton diterima dan teori gelombang Huygens ditolak. Tidak sampai Augustin-Jean Fresnel mengadopsi prinsip Huygens pada tahun 1821 dan menunjukkan bahwa hal itu dapat menjelaskan propagasi bujursangkar dan efek difraksi cahaya bahwa teori gelombang Huygens 'diterima secara umum. Prinsip ini sekarang dikenal sebagai prinsip Huygens-Fresnel.

Newton juga menunjukkan bahwa sebuah prisma menguraikan cahaya putih menjadi spektrum warna komponennya, dan bahwa sebuah lensa dan prisma kedua dapat digunakan untuk mengomposisi ulang spektrum warna-warni kembali menjadi cahaya putih yang memiliki sifat yang sama seperti cahaya sebelum menabrak prisma pertama. . Meskipun rincian teori sel Newton telah terbukti sebagian besar tidak benar, terobosannya mengenai warna dan refraksi, bersama dengan karya serupa oleh Huygens, adalah apa yang menyebabkan pengembangan lensa majemuk untuk mengoreksi penyimpangan kromatik.

Huygens membangun teleskop komponnya sendiri, tanpa manfaat yang belum dikembangkan lensa akromatik, yang membutuhkan jarak jauh antara elemen depan dan belakang. Newton tidak melakukan pengembangan lensa bias lebih lanjut sendiri. Dia lebih suka mengatasi masalah secara keseluruhan dengan menggunakan cermin reflektif permukaan pertama yang melengkung untuk menghindari penyimpangan yang disebabkan oleh pembiasan. Bahkan, ia terkenal menyatakan bahwa chromatic aberration tidak dapat diperbaiki karena ia gagal mempertimbangkan satu dapat menggunakan dua jenis kaca dengan sifat bias yang berbeda.

_{Senyawa Christiaan Huygens dengan teleskop pembias tubeless dan teleskop pemantul kedua Newton.}

Lensa achromatic pertama dibuat pada tahun 1733. Lensa ini menggunakan dua elemen dengan indeks bias yang berbeda untuk mengoreksi sebagian penyimpangan warna dan memungkinkan teleskop bias dibuat lebih pendek dan lebih fungsional.

Tiga elemen apochromat segera diikuti, yang merupakan perbaikan yang lebih baik dari dua elemen achromat daripada yang telah dilakukan pada lensa sederhana.

Banyak dari apa yang dipelajari oleh pembuat lensa untuk mengoreksi chromatic aberration juga memiliki aplikasi untuk yang lain, monokromatik, penyimpangan optik yang melekat pada lensa sederhana.

Begitu fotografi kimia muncul pada abad ke-19 sebagai cara untuk melestarikan gambar yang diproyeksikan oleh lensa, mereka yang membuat lensa untuk penggunaan fotografi mengambil apa yang telah dipelajari sebelumnya di bidang optik, yang sebagian besar telah diterapkan pada teleskop dan sejenisnya, dan berlari dengannya. Sebuah survei yang baik tentang perkembangan dalam desain lensa fotografi, semua didasarkan pada prinsip-prinsip optik yang ditemukan pada abad ke-17 dan ke-18 yang dibahas di atas, dapat ditemukan dalam artikel 'History of Photographic Lens Design' di Wikipedia. (Terlalu lama dan terlibat untuk menyertakan ringkasan di sini.)

Secara keseluruhan ada tujuh "penyimpangan optik" klasik yang berusaha dikoreksi oleh lensa dengan berbagai tingkat. Perhatikan bahwa penyimpangan ini bukan akibat ketidaksempurnaan dalam konstruksi lensa, tetapi karena sifat cahaya itu sendiri saat melewati bahan bias. Penyimpangan ini akan ada bahkan jika bahan-bahan bias itu secara matematis sempurna.

• Defocus (urutan terendah yang mudah diperbaiki dengan mengubah jarak antara lensa dan bidang gambar)
• Aberasi Bulat
• Koma
• Astigmatisme
• Lengkungan medan
• Distorsi geometris
• Penyimpangan kromatik

Kamu bisa melakukan ini. Gambar Anda, cukup sederhana, tidak akan terlalu bagus.

Telah dipelajari sejak awal dalam optik - jauh di masa Galileo Galilei tentang teleskop dan monokuler refraktor - bahwa elemen kaca tunggal tidak menciptakan gambar yang sangat bagus. Itu cenderung tidak tajam; cenderung memiliki pinggiran warna (karena warna tidak fokus pada titik yang sama); dan cenderung memiliki distorsi.

Jika dilakukan dengan benar, menambahkan elemen tambahan dapat menetralisir sebagian besar hampir semua perilaku buruk ini. Gambar dipertajam; distorsi hilang; warna fokus bersama. Menambahkan lebih banyak elemen memang memiliki masalah sendiri. Setiap permukaan udara-ke-kaca memantulkan sedikit cahaya. Lensa modern memiliki lapisan multicoating untuk meminimalkan hal ini, tetapi jika Anda memiliki elemen yang cukup, hilangnya cahaya mulai terlihat dan dapat secara negatif mempengaruhi gambar Anda dengan menyebabkan suar.

Jadi, sebagai hasilnya, lensa normal (lensa 50-ish mm untuk kamera full-frame khusus) cenderung memiliki antara empat dan delapan elemen (potongan kaca). Dalam banyak kasus, lima hingga enam bekerja sangat baik, tetapi kamera digital lebih sensitif terhadap warna daripada film, sehingga lensa normal kelas atas dapat memiliki lebih banyak elemen daripada ini untuk memaksimalkan koreksi. Multicoating modern membuat ini tidak menjadi masalah sebanyak dua puluh atau tiga puluh tahun yang lalu.

Lensa zoom menangani rentang panjang fokus, jadi perlu koreksi lebih lanjut, sehingga Anda akan melihat sepuluh, lima belas, bahkan dua puluh atau lebih elemen pada lensa tersebut.

Biarkan saya memberikan satu jawaban pendek (dan tidak lengkap) tentang alasan di balik banyak elemen. Dalam setiap elemen Anda memiliki jenis laras / bantalan bantalan dan elemen tambahan "bertarung" dalam beberapa derajat dengan ini.

Juga (sejauh yang saya tahu) lebih baik untuk menempatkan mekanisme aperture antara elemen (kebutuhan untuk mencapai bahkan pencahayaan di seluruh sensor / film pesawat).

Mekanik fokus otomatis harus cukup kuat (f / 2 berarti elemen berdiameter 25 mm) karena kebutuhan untuk memindahkan elemen kaca yang relatif naik.

Dan jika Anda memiliki stabilisasi gambar, ini adalah satu kelompok (satu elemen atau lebih). Jika Anda hanya memiliki satu elemen, konstruksi akan menjadi sangat kompleks dan Anda tidak dapat mencapai tingkat stabilisasi ini. Juga, Anda akan sangat terbatas dalam hal celah terbuka karena Anda perlu memindahkan satu elemen besar.

Beberapa kamera sederhana dapat diperoleh dengan menggunakan lensa elemen tunggal namun gambar yang direalisasikan adalah kelas dua. Saat ini, bahkan kamera relativitas murah dilengkapi dengan sebanyak tujuh elemen lensa individu. Jika lensa kamera adalah tipe elemen tunggal, gambar akan dirusak oleh beberapa cacat yang termasuk dalam judul "aberration".

Salah satu penyimpangan tersebut mengungkapkan warna yang muncul di mana efek pelangi multi-warna terlihat mengelilingi objek menjadi gambar. Apa yang terjadi adalah; masing-masing dari berbagai warna yang membentuk vista dibawa ke fokus pada jarak yang sedikit berbeda dari lensa. Gambar cahaya Violet, yang paling refrangible, menjadi fokus pertama, gambar merah menjadi ler refrangible, menjadi fokus lebih jauh ke hilir. Gambar yang terdiri dari warna lain berada di antara keduanya. Fenomena ini disebut chromatic aberration.

Sekarang semakin jauh dari lensa dan bentuk gambar, semakin besar itu. Dengan kata lain, sebuah lensa yang menderita penyimpangan berwarna memproyeksikan banyak gambar, masing-masing ukuran akan berbeda. Hasilnya adalah warna melemparkan sebagian besar terkait dengan chromatic aberration. Sebenarnya ada dua jenis, longitudinal dan melintang. Kita dapat mengurangi sifat berbahaya penyimpangan kromatik dengan menggunakan doublet (2 elemen lensa). Satu dibuat menggunakan kaca mahkota dan yang lainnya melayang. Yang satu memiliki kekuatan positif yang kuat, yang lain kekuatan negatif yang lemah. Ketika diapit bersama, kombinasi midrat aberasi kromatik. Desain 2 elemen ini mengoreksi hanya dua warna, kita dapat menambahkan lensa ketiga menjadikan sandwich triplet achromatic (akromatik Yunani untuk bebas dari kesalahan warna).

Selain wabah chromatic aberration, ada 6 penyimpangan utama lainnya (disebutkan oleh orang lain di posting ini) yang dapat dikurangi. Secara teknis, masing-masing membutuhkan lensa khusus untuk bentuk dan bahan. Semua ini dan lebih banyak lagi, memaksa perancang lensa untuk membuat lensa multi elemen. Beberapa elemen disemen bersama; beberapa ruang udara, beberapa bergerak sebagai grup saat Anda memperbesar dan fokus.

Intinya: Lensa yang setia belum dibuat. Tutup para ahli kacamata yang menciptakan keajaiban ini untuk kita gunakan dan nikmati!