Soczewka achromatyczna - Achromatic lens

Aberracja chromatyczna pojedynczego obiektywu powoduje, że różne długości fal światła mają różne ogniskowe.
Achromatyczny dublet przynosi czerwone i niebieskie światło w takim samym naciskiem i jest najwcześniejszym przykładem Achromat.
W obiektywie achromatycznym dwie długości fal są ustawiane w tym samym ognisku, tutaj czerwony i niebieski.

Achromatyczny obiektyw lub Achromat jest obiektyw , który jest zaprojektowany, aby ograniczyć skutki chromatycznej i aberracji sferycznej . Soczewki achromatyczne są korygowane, aby ustawić ostrość na dwóch długościach fal (zwykle czerwonej i niebieskiej) na tej samej płaszczyźnie.

Najpopularniejszym typem achromatu jest dublet achromatyczny , który składa się z dwóch pojedynczych soczewek wykonanych ze szkieł o różnej dyspersji . Zazwyczaj jedna soczewka to element negatywowy ( wklęsły ) wykonany ze szkła ołowiowego np. F2, który ma stosunkowo dużą dyspersję, a drugi to element pozytywowy ( wypukły ) wykonany ze szkła koronowego, takiego jak BK7, który ma niższą dyspersję. Soczewki są montowane obok siebie, często ze sobą spojone, i ukształtowane tak, aby aberracja chromatyczna jednego była równoważona przez aberrację drugiego.

W najpowszechniejszym typie (pokazany) dodatnia moc elementu soczewki w kształcie korony nie jest całkowicie równa ujemnej mocy elementu soczewki krzemiennej. Razem tworzą słabą, pozytywną soczewkę, która sprowadza dwie różne długości fal światła do wspólnego ogniska . Ujemne dublety, w których dominuje element negatywnej mocy, są również wykonane.

Historia

Teoretyczne rozważania na temat możliwości skorygowania aberracji chromatycznej były dyskutowane w XVIII wieku po stwierdzeniu Newtona , że taka korekta była niemożliwa (patrz Historia teleskopu ). Za wynalezienie pierwszego dubletu achromatycznego często przypisuje się angielski adwokat i optyk amator Chester Moore Hall . Hall chciał zachować swoją pracę nad soczewkami achromatycznymi w tajemnicy i zlecił produkcję soczewek koronowych i krzemiennych dwóm różnym optykom, Edwardowi Scarlettowi i Jamesowi Mannowi. Oni z kolei zlecili wykonanie pracy tej samej osobie, George'owi Bassowi . Zdał sobie sprawę, że te dwa elementy są przeznaczone dla tego samego klienta i po dopasowaniu obu części zauważył właściwości achromatyczne. Hall użył soczewki achromatycznej do zbudowania pierwszego teleskopu achromatycznego , ale jego wynalazek nie stał się wówczas powszechnie znany.

Pod koniec lat 50. XVIII wieku Bass wspomniał o soczewkach Halla Johnowi Dollondowi , który zrozumiał ich potencjał i był w stanie odtworzyć ich projekt. Dollond złożył wniosek i uzyskał patent na tę technologię w 1758 roku, co doprowadziło do zaciekłych walk z innymi optykami o prawo do wytwarzania i sprzedaży dubletów achromatycznych.

Syn Dollonda, Peter, wynalazł apochromat , ulepszenie achromatu, w 1763 roku.

Rodzaje

Opracowano kilka różnych typów achromatów. Różnią się one kształtem dołączonych soczewek, a także właściwościami optycznymi ich szkła (przede wszystkim dyspersją optyczną lub liczbą Abbego ).

W dalszej części, R oznacza promień tych dziedzinach , które definiują odpowiednie optycznie załamujących powierzchni soczewki. Umownie, R 1 oznacza, że pierwsza powierzchnia soczewki liczony od obiektu. Soczewka dublet ma cztery powierzchnie o promieniu R 1 do R 4 .

Dublet Littrow

Wykorzystuje równowypukłą szklaną soczewkę koronową o R 1 = R 2 i drugą soczewkę ze szkła flint o R 3 = - R 2 . Tył soczewki ze szkła flint jest płaski. Dublet Littrowa może wytworzyć zjawę między R 2 a R 3, ponieważ powierzchnie soczewek dwóch soczewek mają te same promienie.

Dublet Fraunhofera (cel Fraunhofera)

Pierwsza soczewka ma dodatnią moc refrakcyjną, druga negatywną. R 1 jest ustawiony większy niż R 2 i R 2 położony jest w pobliżu, ale nie jest równa, R 3 . R 4 jest zwykle większy niż R 3 . W dublet Fraunhofera Te niepodobne krzywizny R 2 i R 3 są zamontowane blisko, ale nie w kontakcie. Ta konstrukcja zapewnia więcej stopni swobody (jeden wolny promień więcej, długość przestrzeni powietrznej) w celu skorygowania aberracji optycznych .

Clark dublet

Wczesne soczewki Clark są zgodne z projektem Fraunhofera. Po późnych latach sześćdziesiątych XIX wieku zmienili się na wzór Littrow, w przybliżeniu równowypukłą koronę, R 1 = R 2 i krzemień z R 3R 2 i R 4R 3 . O około 1880, soczewki Clark R 3 zestaw nieznacznie krótszy niż R 2 , aby stworzyć niedopasowanie ostrości pomiędzy R 2 i R 3 , unikając w ten sposób zjawy wywołane przez odbicia w przestrzeni powietrznej.

Dublet w przestrzeni olejowej

Zastosowanie oleju pomiędzy koroną a krzemieniem eliminuje efekt ghostingu, szczególnie gdy R 2 = R 3 . Może również nieznacznie zwiększyć przepuszczalność światła i zmniejszyć wpływ błędów w R 2 i R 3 .

Dublet Steinheila

Dublet Steinheil, opracowany przez Carla Augusta von Steinheila , jest dubletem krzemiennym. W przeciwieństwie do dubletu Fraunhofera, ma najpierw soczewkę negatywową, a następnie soczewkę pozytywową. Potrzebuje mocniejszej krzywizny niż dublet Fraunhofera.

Dialit

Soczewki Dialyte mają szeroką przestrzeń powietrzną między dwoma elementami. Zostały one pierwotnie opracowane w XIX wieku, aby umożliwić przepływ znacznie mniejszych elementów ze szkła krzemiennego, ponieważ szkło krzemienne było trudne do wyprodukowania i drogie. Są to również soczewki, w których elementy nie mogą być cementowane, ponieważ R 2 i R 3 mają różne wartości bezwzględne.

Projekt

Projekt pierwszego rzędu achromatu polega na wybraniu całkowitej mocy dubletu i dwóch szkieł, których należy użyć. Wybór szkła daje średni współczynnik załamania światła, często zapisywany jako (dla współczynnika załamania przy długości fali linii widmowej Fraunhofera „d” ) oraz liczbę Abbego (dla odwrotności rozproszenia szkła ). Aby liniowa dyspersja układu wynosiła zero, układ musi spełniać równania

gdzie moc obiektywu jest dla obiektywu z ogniskową . Rozwiązywanie tych dwóch równań dla i daje

Ponieważ , a liczby Abbego mają wartość dodatnią, potęga drugiego elementu w dublecie jest ujemna, gdy pierwszy element jest dodatni.

Dalsza korekcja kolorów

Błąd ostrości dla czterech typów soczewek, w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni.

Konstrukcje soczewek bardziej złożone niż achromatyczne mogą poprawić precyzję kolorowych obrazów poprzez dokładne ustawienie większej liczby długości fal, ale wymagają droższych rodzajów szkła i bardziej ostrożnego kształtowania i rozmieszczania kombinacji prostych soczewek:

soczewki apochromatyczne
przynieść trzy długości fali do wspólnego ostrości i wymaga kosztownych materiałów
soczewki superachromatyczne
skupiają się na czterech długościach fal i muszą być wytwarzane z jeszcze droższego szkła fluorkowego i ze znacznie węższymi tolerancjami

Teoretycznie proces może trwać w nieskończoność: Soczewki złożone stosowane w aparatach zwykle mają sześć lub więcej prostych soczewek (np. obiektyw podwójnego Gaussa ); kilka z tych soczewek może być wykonanych z różnych rodzajów szkła, o nieco zmienionych krzywiznach, aby wyostrzyć więcej kolorów. Ograniczeniem są dodatkowe koszty produkcji i malejące zwroty z ulepszonego obrazu za wysiłek.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne