Obiektyw - Lens

Soczewka dwuwypukła
Soczewki mogą służyć do skupiania światła

Soczewka jest przepuszczalny optyczne urządzenie, które skupia się lub rozprasza się wiązkę światła za pomocą załamania . Prosty soczewka składa się z pojedynczego kawałka materiału przezroczystego , natomiast soczewka związek składa się z kilku prostych soczewek ( elementy ), zazwyczaj rozmieszczone wzdłuż wspólnej osi . Soczewki są wykonane z materiałów takich jak szkło czy plastik i są szlifowane i polerowane lub formowane w żądany kształt. Soczewka może skupiać światło, tworząc obraz , w przeciwieństwie do pryzmatu , który załamuje światło bez ogniskowania. Urządzenia, które podobnie skupiać się lub rozpraszać promieniowanie i fale inne niż światło widzialne są również nazywane soczewek, takich jak mikrofalowe soczewek soczewki elektronowej , soczewek akustycznych lub soczewek wybuchowych .

Soczewki są używane w różnych urządzeniach do obrazowania, takich jak teleskopy , lornetki i aparaty fotograficzne . Są również używane jako pomoce wizualne w okularach do korekcji wad wzroku, takich jak krótkowzroczność i nadwzroczność .

Historia

Światło załamywane przez kulisty szklany pojemnik wypełniony wodą. Roger Bacon , XIII wiek
Soczewka do LSST , planowanego teleskopu do pomiarów nieba

Słowo „ soczewka” pochodzi od lēns , łacińskiej nazwy soczewicy , ponieważ podwójnie wypukła soczewka ma kształt soczewicy. Roślina soczewicy daje swoją nazwę również figurze geometrycznej .

Niektórzy uczeni twierdzą, że dowody archeologiczne wskazują, że soczewki były szeroko stosowane w starożytności przez kilka tysiącleci. Tak zwana soczewka Nimruda to artefakt z kryształu górskiego datowany na VII wiek pne, który mógł być lub nie był używany jako szkło powiększające lub płonące. Inni sugerowali, że niektóre egipskie hieroglify przedstawiają „proste szklane soczewki meniskalne”.

Najstarsza pewna wzmianka o użyciu soczewek pochodzi ze sztuki Arystofanesa The Clouds (424 pne) wspominającej o płonącym szkle. Pliniusz Starszy (I wiek) potwierdza, że ​​płonące okulary były znane w okresie rzymskim. Pliniusz ma również najwcześniejsze znane odniesienie do używania soczewek korekcyjnych, kiedy wspomina, że Neron miał oglądać igrzyska gladiatorów za pomocą szmaragdu (prawdopodobnie wklęsłego, aby skorygować krótkowzroczność , chociaż odniesienie to jest niejasne). Zarówno Pliniusz, jak i Seneka Młodszy (3 pne-65 ne) opisali powiększający efekt szklanej kuli wypełnionej wodą.

Ptolemeusz (II wiek) napisał książkę o optyce , która jednak przetrwała tylko w tłumaczeniu na łacinę z niepełnego i bardzo ubogiego tłumaczenia arabskiego. Książka została jednak przyjęta przez średniowiecznych uczonych w świecie islamskim i skomentowana przez Ibn Sahla (X wiek), którego z kolei poprawił Alhazen ( Księga Optyki , XI wiek). Arabski przekład Optyki Ptolemeusza stał się dostępny w przekładzie łacińskim w XII wieku ( Eugeniusz z Palermo 1154). Między XI a XIII wiekiem wynaleziono „ kamyki do czytania ”. Były to prymitywne soczewki płasko-wypukłe wykonane początkowo przez przecięcie szklanej kuli na pół. Średniowieczne (XI lub XII wiek) soczewki z kryształu górskiego Visby mogły, ale nie musiały być przeznaczone do użytku jako okulary do palenia.

Okulary zostały wynalezione jako udoskonalenie „kamieni do czytania” okresu średniowiecza w północnych Włoszech w drugiej połowie XIII wieku. Był to początek przemysłu optycznego szlifowania i polerowania soczewek do okularów, najpierw w Wenecji i Florencji pod koniec XIII wieku, a później w ośrodkach produkcji okularów w Holandii i Niemczech . Twórcy okularów stworzyli ulepszone typy soczewek do korekcji wzroku w oparciu bardziej o wiedzę empiryczną uzyskaną z obserwacji efektów soczewek (prawdopodobnie bez wiedzy o elementarnej dzisiejszej teorii optycznej). Praktyczny rozwój i eksperymenty z soczewkami doprowadziły do ​​wynalezienia złożonego mikroskopu optycznego około 1595 roku i teleskopu refrakcyjnego w 1608 roku, które pojawiły się w centrach produkcji okularów w Holandii .

Wraz z wynalezieniem teleskopu i mikroskopu w XVII i na początku XVIII wieku przeprowadzono wiele eksperymentów z kształtami soczewek przez tych, którzy próbowali korygować błędy chromatyczne widoczne w soczewkach. Optycy próbowali konstruować soczewki o różnych formach krzywizny, błędnie zakładając, że błędy wynikają z wad kształtu kulistego ich powierzchni. Teoria optyczna dotycząca refrakcji i eksperymentów wykazała, że ​​żaden jednoelementowy obiektyw nie jest w stanie wyostrzyć wszystkich kolorów. Doprowadziło to do wynalezienia złożonej soczewki achromatycznej przez Chestera Moore'a Halla w Anglii w 1733 r., wynalazku, który również zastrzegł jego rodak, Anglik John Dollond w patencie z 1758 r.

Budowa prostych soczewek

Większość soczewek to soczewki sferyczne : ich dwie powierzchnie są częściami powierzchni sfer. Każda powierzchnia może być wypukła (wybrzuszona na zewnątrz soczewki), wklęsła (wciśnięta w soczewkę) lub płaska (płaska). Linia łącząca środki sfer tworzących powierzchnie soczewki nazywana jest osią soczewki. Zazwyczaj oś obiektywu przechodzi przez fizyczny środek obiektywu ze względu na sposób ich wykonania. Soczewki po wyprodukowaniu mogą być przycinane lub szlifowane, aby nadać im inny kształt lub rozmiar. Oś soczewki może wtedy nie przechodzić przez fizyczny środek soczewki.

Soczewki toryczne lub sferocylindryczne mają powierzchnie o dwóch różnych promieniach krzywizny w dwóch prostopadłych płaszczyznach. Mają różną moc ogniskowania w różnych meridianach. Tworzy to soczewkę astygmatyczną . Przykładem są soczewki okularowe, które służą do korygowania astygmatyzmu w czyimś oku.

Rodzaje prostych soczewek

Rodzaje soczewek

Soczewki są klasyfikowane według krzywizny dwóch powierzchni optycznych. Soczewka jest dwuwypukła (lub podwójnie wypukła , lub po prostu wypukła ), jeśli obie powierzchnie są wypukłe . Jeśli obie powierzchnie mają ten sam promień krzywizny, soczewka jest równowypukła . Soczewka o dwóch powierzchniach wklęsłych jest dwuwklęsła (lub po prostu wklęsła ). Jeśli jedna z powierzchni jest płaska, soczewka jest płasko-wypukła lub płasko -wklęsła w zależności od krzywizny drugiej powierzchni. Soczewka z jedną stroną wypukłą i jedną wklęsłą jest wypukło-wklęsła lub menisk . To właśnie ten typ soczewki jest najczęściej używany w soczewkach korekcyjnych .

Jeśli soczewka jest dwuwypukła lub płasko-wypukła, skolimowana wiązka światła przechodząca przez soczewkę zbiega się do punktu ( ogniska ) za soczewką. W tym przypadku soczewka nazywana jest soczewką dodatnią lub zbieżną . W przypadku cienkiej soczewki w powietrzu odległość od soczewki do plamki to ogniskowa soczewki, którą na wykresach i równaniach zwykle przedstawia się jako f . Rozszerzony obiektyw półkulisty to specjalny rodzaj soczewki płasko-wypukły, w którym soczewka jest zakrzywiona powierzchnia jest pełna półkula, a obiektyw jest znacznie grubsza niż promień krzywizny.

Soczewka dwuwypukła
Duża wypukła soczewka.jpg

Jeśli soczewka jest dwuwklęsła lub płasko-wklęsła, skolimowana wiązka światła przechodząca przez soczewkę jest rozbieżna (rozproszona); soczewka jest zatem nazywana soczewką negatywową lub rozbieżną . Wiązka po przejściu przez soczewkę wydaje się emanować z określonego punktu na osi przed soczewką. W przypadku cienkiej soczewki w powietrzu odległość od tego punktu do soczewki jest ogniskową, chociaż jest ona ujemna w stosunku do ogniskowej soczewki skupiającej.

Soczewka dwuwklęsła
Soczewka wklęsła.jpg

Soczewki wypukło-wklęsłe (meniskowe) mogą być dodatnie lub ujemne, w zależności od względnych krzywizn obu powierzchni. Ujemny menisk soczewka ma strome powierzchnie wklęsłe i jest cieńszy w środku niż na obrzeżu. I odwrotnie, pozytywna soczewka łąkotki ma bardziej stromą wypukłą powierzchnię i jest grubsza w środku niż na obwodzie. Idealna cienka soczewka o dwóch powierzchniach o równej krzywiźnie miałaby zerową moc optyczną , co oznacza, że ​​nie będzie ani zbiegała, ani nie rozbiegała światła. Wszystkie rzeczywiste soczewki mają jednak niezerową grubość, co sprawia, że ​​prawdziwa soczewka o identycznych zakrzywionych powierzchniach jest nieco dodatnia. Aby uzyskać dokładnie zerową moc optyczną, soczewka meniskowa musi mieć nieco nierówne krzywizny, aby uwzględnić wpływ grubości soczewki.

Równanie Lensmakera

Symulacja wpływu soczewek o różnych krzywiznach dwóch faset na skolimowaną wiązkę Gaussa.
Pozycja ogniska soczewki sferycznej zależy od promieni krzywizny dwóch faset.

Ogniskową soczewki w powietrzu można obliczyć z równania producenta soczewek :

gdzie

to ogniskowa obiektywu,
jest współczynnikiem załamania materiału soczewki,
jest promień krzywizny (ze znakiem, patrz poniżej) powierzchni soczewki bliżej źródła światła,
to promień krzywizny powierzchni soczewki dalej od źródła światła, oraz
to grubość soczewki (odległość wzdłuż osi soczewki między dwoma wierzchołkami powierzchni ).

Ogniskowa f jest dodatnia dla soczewek skupiających i ujemna dla soczewek rozpraszających. Odwrotność długości ogniskowej, 1 / f , jest moc optyczna soczewki. Jeśli ogniskowa jest w metrach, daje to moc optyczną w dioptriach (metry odwrotne).

Soczewki mają taką samą ogniskową, gdy światło przechodzi od tyłu do przodu, jak wtedy, gdy światło przechodzi z przodu do tyłu. Inne właściwości obiektywu, takie jak aberracje, nie są takie same w obu kierunkach.

Konwencja znaków dla promieni krzywizny R 1 i R 2

Znaki promieni krzywizny soczewki wskazują, czy odpowiednie powierzchnie są wypukłe czy wklęsłe. Konwencję, używane do reprezentowania tych różna, lecz w tym artykułu dodatni R oznacza centrum Surface za krzywizny jest dalej wzdłuż w kierunku biegu promieni (z prawej na załączonych wykresach), zaś ujemne R oznacza, że promienie osiągnięciu powierzchni minęły już środek krzywizny. W związku z tym, na zewnętrznej powierzchni soczewki w diagramu powyżej, R 1 > 0 i R 2 <0 wskazuje wypukłe powierzchnie (stosowane zbiegają światła w dodatniej soczewki), a R 1 <0 i R 2 > 0 wskazuje wklęsłe powierzchnie. Odwrotność promienia krzywizny nazywa się krzywizną . Płaska powierzchnia ma zerową krzywiznę, a jej promień krzywizny wynosi nieskończoność .

Cienkie przybliżenie soczewki

Jeśli d jest mała w porównaniu z R 1 i R 2 , wówczas soczewka cienka przybliżenie może być wykonane. Dla soczewki w powietrzu f jest wtedy podane przez

Właściwości obrazowania

Jak wspomniano powyżej, soczewka dodatnia lub skupiająca w powietrzu skupia skolimowaną wiązkę przemieszczającą się wzdłuż osi soczewki do punktu (znanego jako ognisko ) w odległości f od soczewki. I odwrotnie, punktowe źródło światła umieszczone w ognisku jest przekształcane przez soczewkę w skolimowaną wiązkę. Te dwa przypadki są przykładami powstawania obrazu w obiektywach. W pierwszym przypadku obiekt znajdujący się w nieskończonej odległości (reprezentowanej przez skolimowaną wiązkę fal) jest ogniskowany na obrazie w ognisku soczewki. W tym ostatnim obiekt znajdujący się w odległości ogniskowej od obiektywu jest obrazowany w nieskończoności. Płaszczyzna prostopadła do osi soczewki znajdująca się w odległości f od soczewki nazywana jest płaszczyzną ogniskowania .

Jeżeli odległości od obiektu do soczewki i od soczewki do obrazu wynoszą odpowiednio S 1 i S 2 , dla soczewki o niewielkiej grubości ( cienka soczewka ), w powietrzu, odległości są związane wzorem cienkiej soczewki :

Można to również umieścić w formie „newtonowskiej”:

gdzie i .

Obiektyw kamery tworzy rzeczywisty obraz odległego obiektu.

Zatem jeśli obiekt znajduje się w odległości S 1 > f od soczewki dodatniej o ogniskowej f , zgodnie z tym wzorem znajdziemy odległość obrazu S 2 . Jeśli ekran jest umieszczony w odległości S 2 po przeciwnej stronie soczewki, powstaje na nim obraz. Ten rodzaj obrazu, który może być wyświetlany na ekranie lub czujniku obrazu , jest znany jako obraz rzeczywisty . Alternatywnie, ten rzeczywisty obraz może być również oglądany przez ludzkie oczy , jak pokazano na poniższym obrazku (z podpisem „Soczewka wypukła ( fS 1 ) tworząca rzeczywisty, odwrócony obraz ...”).

Tworzenie wirtualnego obrazu za pomocą soczewki pozytywowej jako szkła powiększającego.

To jest zasada działania aparatu i ludzkiego oka . Ogniskowanie nastawianie dopasowywania aparatu S 2 , a za pomocą różnych odległościach od obrazu wymaganego w niniejszym wzorze wytwarza nieostre (rozmyty) obrazu dla przedmiotu w odległości S 1 z kamerą. Innymi słowy, modyfikacja S 2 powoduje, że obiekty w innym S 1 stają się idealnie ostre.

W niektórych przypadkach S 2 jest ujemny, co wskazuje, że obraz powstaje po przeciwnej stronie soczewki, od której te promienie są brane pod uwagę. Ponieważ rozbieżne promienie świetlne emanujące z soczewki nigdy nie są ogniskowane, a promienie te nie są fizycznie obecne w punkcie, w którym wydają się tworzyć obraz, nazywa się to obrazem wirtualnym . W przeciwieństwie do rzeczywistych obrazów, wirtualny obraz nie może być wyświetlany na ekranie, ale wydaje się obserwatorowi patrzącemu przez obiektyw tak, jakby był rzeczywistym obiektem w miejscu tego wirtualnego obrazu. Podobnie wydaje się kolejnej soczewce tak, jakby była obiektem w tym miejscu, tak że druga soczewka może ponownie skupić to światło na rzeczywistym obrazie, a następnie S 1 jest mierzony od wirtualnego położenia obrazu za pierwszą soczewką do drugiej soczewki . To jest dokładnie to, co robi oko patrząc przez szkło powiększające . Szkło powiększające tworzy (powiększony) wirtualny obraz za szkłem powiększającym, ale te promienie są następnie ponownie obrazowane przez soczewkę oka, aby stworzyć prawdziwy obraz na siatkówce .

Negatywny obiektyw wytwarza demagnified wirtualny obraz.
Soczewka Barlowa (B) reimages do wirtualnego przedmiotu (Focus czerwonej ścieżce ray) na powiększonym obrazie rzeczywistym (zielone promienie w skrócie)

Używając dodatniego obiektywu o ogniskowej f , wirtualny obraz powstaje, gdy S 1 < f , a zatem obiektyw jest używany jako szkło powiększające (zamiast S 1 >> f jak w aparacie). Użycie soczewki ujemnej ( f < 0 ) z obiektem rzeczywistym ( S 1 > 0 ) może wytworzyć tylko obraz wirtualny ( S 2 < 0 ), zgodnie z powyższym wzorem. Jest również możliwe, że odległość obiektu S 1 jako negatywne, w tym przypadku soczewki widzi tzw wirtualnego obiektu . Dzieje się tak, gdy soczewka jest umieszczona w zbieżnej wiązce (została zogniskowana przez poprzednią soczewkę) przed położeniem jej rzeczywistego obrazu. W takim przypadku nawet soczewka negatywowa może rzutować rzeczywisty obraz, tak jak robi to soczewka Barlowa .

Rzeczywisty obraz lampy jest wyświetlany na ekranie (odwrócony). Widoczne są odbicia lampy od obu powierzchni dwuwypukłej soczewki.
Soczewka wypukła ( fS 1 ) tworząca rzeczywisty, odwrócony obraz (jako obraz tworzony przez soczewkę obiektywu teleskopu lub lornetki) zamiast pionowego, wirtualnego obrazu widzianego przez szkło powiększające ( f > S 1 ). Ten prawdziwy obraz można również oglądać po umieszczeniu na ekranie.

Dla soczewka cienka , odległości S 1 i S 2 mierzy się od przedmiotu i obrazu do położenia soczewki, jak opisano powyżej. Gdy grubość soczewki jest niewiele mniejsza niż S 1 i S 2 lub istnieje wiele elementów soczewki ( soczewka złożona ), należy zamiast tego mierzyć od obiektu i obrazu do głównych płaszczyzn soczewki. Jeśli odległości S 1 lub S 2 przechodzą przez medium inne niż powietrze lub próżnia, wymagana jest bardziej skomplikowana analiza.

Powiększenie

Liniowe powiększenie systemu obrazowania przy użyciu pojedynczej soczewki jest podane przez

gdzie M jest współczynnikiem powiększenia zdefiniowanym jako stosunek rozmiaru obrazu do rozmiaru obiektu. Konwencja znaku mówi tutaj, że jeśli M jest ujemne, tak jak w przypadku obrazów rzeczywistych, obraz jest odwrócony w stosunku do przedmiotu. W przypadku obrazów wirtualnych M jest dodatnie, więc obraz jest prosty.

Ta formuła powiększenia zapewnia dwa proste sposoby rozróżnienia soczewek zbieżnych ( f > 0 ) i rozbieżnych ( f < 0 ): Dla obiektu bardzo blisko soczewki ( 0 < S 1 < |f| ), soczewka skupiająca tworzyłaby powiększenie (większy) wirtualny obraz, podczas gdy rozbieżna soczewka utworzyłaby obraz w powiększeniu (mniejszy); W przypadku obiektu bardzo oddalonego od soczewki ( S 1 > |f| > 0 ), soczewka skupiająca utworzyłaby obraz odwrócony, podczas gdy soczewka rozpraszająca utworzyłaby obraz pionowy.

Powiększenie liniowe M nie zawsze jest najbardziej użyteczną miarą mocy powiększania. Na przykład, charakteryzując lunetę lub lornetkę, które wytwarzają tylko obraz wirtualny, bardziej interesuje nas powiększenie kątowe — które wyraża, o ile większy odległy obiekt pojawia się przez teleskop w porównaniu z gołym okiem. W przypadku aparatu fotograficznego można by przytoczyć skalę kliszy , która porównuje pozorną (kątową) wielkość odległego obiektu z wielkością rzeczywistego obrazu wytwarzanego w ognisku. Skala płytki jest odwrotnością ogniskowej obiektywu aparatu; Obiektywy są klasyfikowane jako obiektywy o długiej ogniskowej lub obiektywy szerokokątne zgodnie z ich ogniskową.

Użycie niewłaściwego pomiaru powiększenia może być formalnie poprawne, ale daje bezsensowną liczbę. Na przykład, użycie lupy o ogniskowej 5 cm, trzymanej 20 cm od oka i 5 cm od obiektu, daje wirtualny obraz w nieskończoności o nieskończonej wielkości liniowej: M = ∞ . Jednak powiększenie kątowe wynosi 5, co oznacza, że ​​obiekt wydaje się 5 razy większy niż bez soczewki. Robiąc zdjęcie księżyca aparatem z obiektywem 50 mm, nie przejmujemy się powiększeniem liniowym M−50mm /380 000  km =-1,3 × 10 -10 . Skala kliszy aparatu wynosi raczej około 1°/mm, z czego można wywnioskować, że obraz 0,5 mm na kliszy odpowiada kątowemu rozmiarowi księżyca widzianego z Ziemi około 0,5°.

W skrajnym przypadku, gdy obiekt znajduje się w nieskończonej odległości, S 1 = ∞ , S 2 = f i M = − f /∞= 0 , co wskazuje, że obiekt zostanie zobrazowany w jednym punkcie na płaszczyźnie ogniskowej. W rzeczywistości średnica rzutowanej plamki nie jest w rzeczywistości równa zeru, ponieważ dyfrakcja nakłada dolną granicę na rozmiar funkcji rozproszenia punktów . Nazywa się to granicą dyfrakcji .

Obrazy czarnych liter w cienkiej soczewce wypukłej o ogniskowej f są pokazane na czerwono. Wybrane promienie są pokazane dla liter E , I i K odpowiednio w kolorze niebieskim, zielonym i pomarańczowym. Zauważ, że E (przy 2 f ) ma jednakowy rozmiar, rzeczywisty i odwrócony obraz; I (w f ) ma swój obraz w nieskończoności ; a K (przy f /2) ma dwukrotnie większy, wirtualny i pionowy obraz.

Aberracje

Aberracja optyczna
Nieostry obraz celu szprychy..svg Rozogniskowanie

HartmannShack 1lenslet.svg Pochylenie Aberracja sferyczna Astygmatyzm Koma Zniekształcenie Krzywizna pola Petzvala Aberracja chromatyczna
Aberracja sferyczna 3.svg
Astygmatyzm.svg
Obiektyw coma.svg
Barrel distortion.svg
Krzywizna pola.svg
Aberracja chromatyczna diagram obiektywu.svg

Soczewki nie tworzą doskonałych obrazów, a obiektyw zawsze wprowadza pewien stopień zniekształcenia lub aberracji, co sprawia, że ​​obraz jest niedoskonałą repliką obiektu. Staranne zaprojektowanie systemu soczewek do konkretnego zastosowania minimalizuje aberrację. Na jakość obrazu wpływa kilka rodzajów aberracji, w tym aberracja sferyczna, koma i aberracja chromatyczna.

Aberracja sferyczna

Aberracja sferyczna występuje, ponieważ powierzchnie sferyczne nie są idealnym kształtem dla obiektywu, ale są zdecydowanie najprostszym kształtem, do którego można szlifować i polerować szkło , a więc są często używane. Aberracja sferyczna powoduje, że wiązki równoległe do osi obiektywu, ale odległe od niej, są ogniskowane w nieco innym miejscu niż wiązki bliskie osi. Objawia się to rozmyciem obrazu. Aberrację sferyczną można zminimalizować przy normalnych kształtach soczewek, starannie dobierając krzywizny powierzchni do konkretnego zastosowania. Na przykład soczewka plano-wypukła, która służy do ogniskowania skolimowanej wiązki, wytwarza ostrzejszą ogniskową, gdy jest używana wypukłą stroną w kierunku źródła wiązki.

Obiektyw5.svg

Śpiączka

Śpiączka , czy aberracja comatic , wywodzi swoją nazwę od komety -Jak wyglądem aberracją obrazu. Koma występuje, gdy obrazowany jest obiekt znajdujący się poza osią optyczną soczewki, gdzie promienie przechodzą przez soczewkę pod kątem do osi θ. Promienie przechodzące przez środek soczewki o ogniskowej f skupiają się w punkcie o odległości f tan θ od osi. Promienie przechodzące przez zewnętrzne brzegi soczewki skupiają się w różnych punktach, albo dalej od osi (koma dodatnia), albo bliżej osi (koma ujemna). Ogólnie wiązka równoległych promieni przechodzących przez soczewkę w stałej odległości od środka soczewki skupia się na obrazie w kształcie pierścienia w płaszczyźnie ogniskowej, zwanym kołem komatycznym . Suma wszystkich tych kręgów daje w wyniku rozbłysk w kształcie litery V lub komety. Podobnie jak w przypadku aberracji sferycznej, komę można zminimalizować (a w niektórych przypadkach wyeliminować), dobierając krzywiznę dwóch powierzchni soczewki odpowiednio do zastosowania. Soczewki, w których minimalizowana jest zarówno aberracja sferyczna, jak i koma, nazywane są soczewkami bestform .

Obiektyw-coma.svg

Aberracja chromatyczna

Aberracja chromatyczna jest spowodowane dyspersji obiektywu materiału ze zmienności jego współczynnika załamania , n , o długości fali światła. Ponieważ z powyższych wzorów f zależy od n , wynika z tego, że światło o różnych długościach fali jest skupiane w różnych pozycjach. Aberracja chromatyczna soczewki jest widoczna jako kolorowe obwódki wokół obrazu. Można go zminimalizować, stosując dublet achromatyczny (lub achromat ), w którym dwa materiały o różnej dyspersji są połączone ze sobą, tworząc pojedynczą soczewkę. Zmniejsza to ilość aberracji chromatycznej w pewnym zakresie długości fal, chociaż nie zapewnia idealnej korekcji. Zastosowanie achromatów było ważnym krokiem w rozwoju mikroskopu optycznego. Apochromat jest soczewka lub układ soczewek jeszcze lepiej korekcja aberracji chromatycznej, w połączeniu z poprawą aberracji sferycznej korekty. Apochromaty są znacznie droższe niż achromaty.

W celu zminimalizowania aberracji chromatycznej można również stosować różne materiały soczewek, takie jak specjalistyczne powłoki lub soczewki wykonane z fluorytu krystalicznego . Ta naturalnie występująca substancja ma najwyższą znaną liczbę Abbego , co wskazuje, że materiał ma niską dyspersję.

Aberracja chromatyczna diagram obiektywu.svg Obiektyw6b-pl.svg

Inne rodzaje aberracji

Inne rodzaje aberracji obejmują krzywiznę pola , dystorsję beczkowatą i poduszkowatą oraz astygmatyzm .

Dyfrakcja apertury

Nawet jeśli obiektyw jest zaprojektowany tak, aby minimalizować lub eliminować aberracje opisane powyżej, jakość obrazu jest nadal ograniczona przez dyfrakcję światła przechodzącego przez skończoną aperturę obiektywu . Dyfrakcji ograniczony obiektyw jest taki, w którym aberracje zostały zredukowane do punktu, gdzie jakość obrazu jest ograniczona głównie przez dyfrakcję w warunkach projektowych.

Soczewki złożone

Proste soczewki podlegają omówionym powyżej aberracjom optycznym . W wielu przypadkach aberracje te można w dużym stopniu skompensować, stosując kombinację prostych obiektywów z aberracjami uzupełniającymi. Soczewki związek jest zbiorem prostych soczewek o różnych kształtach i wykonane z materiałów o różnych współczynnikach załamania, umieszczone jeden za drugim we wspólnej osi.

Najprostszym przypadkiem jest kontakt soczewek: jeśli soczewki o ogniskowych f 1 i f 2 są „ cienkie ”, łączna ogniskowa f soczewek jest dana wzorem

Ponieważ 1/ f jest mocą soczewki, można zauważyć, że moce stykających się cienkich soczewek sumują się.

Jeśli dwie cienkie soczewki są oddzielone w powietrzu o pewną odległość d , ogniskowa dla układu złożonego jest wyrażona wzorem

Odległość od przedniego ogniska łączonych soczewek do pierwszego obiektywu nazywana jest przednią ogniskową (FFL):

Podobnie odległość od drugiego obiektywu do tylnego ogniska połączonego systemu to tylna ogniskowa (BFL):

Ponieważ d dąży do zera, ogniskowe mają tendencję do wartości f podanej dla stykających się cienkich soczewek.

Jeśli odległość separacji jest równa sumie ogniskowych ( d  =  f 1  +  f 2 ), FFL i BFL są nieskończone. Odpowiada to parze soczewek, które przekształcają wiązkę równoległą (skolimowaną) w inną wiązkę skolimowaną. Ten typ systemu nazywany jest systemem afokalnym , ponieważ nie wytwarza netto zbieżności ani rozbieżności wiązki. Dwie soczewki w tej separacji tworzą najprostszy typ teleskopu optycznego . Chociaż system nie zmienia rozbieżności skolimowanej wiązki, zmienia szerokość wiązki. Powiększenie takiego teleskopu podaje

czyli stosunek szerokości wiązki wyjściowej do szerokości wiązki wejściowej. Zwróć uwagę na konwencję znaku: teleskop z dwiema soczewkami wypukłymi ( f 1 > 0, f 2 > 0) wytwarza ujemne powiększenie, co wskazuje na odwrócony obraz. Soczewka wypukła i wklęsła ( f 1 > 0 > f 2 ) dają dodatnie powiększenie i obraz jest prosty. Aby uzyskać więcej informacji na temat prostych teleskopów optycznych, patrz Teleskop załamujący § Konstrukcje teleskopów załamujących .

Typy niesferyczne

Soczewka asferyczna dwuwypukła.

Soczewki cylindryczne mają krzywiznę tylko w jednej osi. Służą do skupiania światła w linii lub do przekształcania światła eliptycznego z diody laserowej na okrągłą wiązkę. Stosowane są również w anamorficznych obiektywach filmowych .

Soczewki asferyczne mają co najmniej jedną powierzchnię, która nie jest ani sferyczna, ani cylindryczna. Bardziej skomplikowane kształty pozwalają takim soczewkom tworzyć obrazy z mniejszą aberracją niż standardowe proste soczewki, ale są trudniejsze i droższe w produkcji. Wcześniej były one skomplikowane w produkcji i często bardzo drogie, ale postęp technologiczny znacznie obniżył koszty produkcji takich soczewek.

Zbliżenie płaskiej soczewki Fresnela .

Soczewki Fresnela ma swoją powierzchnię optyczną podzielone na wąskie pierścienie, co umożliwia, że soczewka jest znacznie cieńszy i lżejszy niż w przypadku konwencjonalnych szkieł. Trwałe soczewki Fresnela mogą być formowane z plastiku i są niedrogie.

Soczewki lentikularne to układy mikrosoczewek, które są używane w druku soczewkowym do tworzenia obrazów, które mają iluzję głębi lub zmieniają się podczas oglądania pod różnymi kątami.

Obiektyw dwuogniskowy ma dwie lub więcej lub stopniowaną ogniskową zaszlifowaną w soczewce.

Soczewki wskaźnik gradientu ma płaskie powierzchnie optyczne, ale ma promieniową lub osiową zmianę współczynnika załamania światła, które powoduje, że światło przechodzące przez soczewkę być skoncentrowany.

Axicon ma stożkową powierzchnię optyczną. IT obrazom źródeł punktowych w linii wzdłuż tej osi optycznej , lub przekształca się wiązkę laserową w pierścieniu.

Dyfrakcyjne elementy optyczne mogą pełnić funkcję soczewek.

Supersoczewki są wykonane z metamateriałów o ujemnym indeksie i twierdzą, że mogą wytwarzać obrazy w rozdzielczościach przestrzennych przekraczających limit dyfrakcji . Pierwsze supersoczewki zostały wykonane w 2004 roku przy użyciu takiego metamateriału do mikrofal. Ulepszone wersje zostały stworzone przez innych badaczy. Od 2014 roku supersoczewka nie została jeszcze zademonstrowana w zakresie widzialnym lub bliskiej podczerwieni .

Opracowano prototyp płaskiej ultracienkiej soczewki bez krzywizny.

Zastosowania

Pojedyncza soczewka wypukła zamontowana w oprawce z uchwytem lub podstawką to szkło powiększające .

Soczewki są używane jako protezy do korekcji wad refrakcji, takich jak krótkowzroczność , dalekowzroczność , starczowzroczność i astygmatyzm . (Patrz soczewki korygujące , soczewek kontaktowych , okularów ). Większość szkła używane do innych celów ma ścisłej symetrii osiowej ; soczewki okularowe są tylko w przybliżeniu symetryczne. Zwykle są ukształtowane tak, aby pasowały do ​​mniej więcej owalnej, a nie okrągłej ramy; centra optyczne są umieszczone nad gałkami ocznymi ; ich krzywizna może nie być osiowo symetryczna, aby skorygować astygmatyzm . Soczewki okularów przeciwsłonecznych są zaprojektowane tak, aby tłumić światło; Soczewki przeciwsłoneczne, które również korygują wady wzroku, mogą być wykonane na zamówienie.

Inne zastosowania to systemy obrazowania, takie jak monokulary , lornetki , teleskopy , mikroskopy , kamery i projektory . Niektóre z tych instrumentów wytwarzają wirtualny obraz po nałożeniu na ludzkie oko; inne tworzą rzeczywisty obraz, który można uchwycić na kliszy fotograficznej lub czujniku optycznym lub wyświetlić na ekranie. W tych urządzeniach są czasami soczewek w połączeniu z krzywych zwierciadeł dokonać catadioptric systemu gdzie aberracja sferyczna soczewki koryguje aberrację przeciwnym zwierciadła (na przykład Schmidt i menisku korektorów).

Soczewki wypukłe wytwarzają obraz obiektu w nieskończoności w ich ognisku; jeśli obrazowane jest słońce , znaczna część światła widzialnego i podczerwonego padającego na soczewkę jest skoncentrowana na małym obrazie. Duża soczewka zapewnia wystarczającą intensywność, aby spalić łatwopalny przedmiot w ognisku. Ponieważ zapłon można osiągnąć nawet przy źle wykonanej soczewce, soczewki były używane jako płonące okulary od co najmniej 2400 lat. Nowoczesnym zastosowaniem jest zastosowanie stosunkowo dużych soczewek do koncentracji energii słonecznej na stosunkowo małych ogniwach fotowoltaicznych , pozyskujących więcej energii bez konieczności stosowania większych i droższych ogniw.

Radioastronomia i systemy radarowe często używają soczewek dielektrycznych , powszechnie nazywanych antenami soczewkowymi do załamywania promieniowania elektromagnetycznego w antenie kolektora.

Soczewki mogą się porysować i ścierać. Dostępne są powłoki odporne na ścieranie, które pomagają to kontrolować.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Symulacje