Por que as lentes prime têm vários elementos?

Se eu procurar as especificações da minha lente de 50 mm, ela diz que possui 8 elementos de lente, em 7 grupos. Por que isso, por que não apenas um único elemento de lente com uma distância focal de 50 mm?

Lentes únicas com espessura real refratam os diferentes comprimentos de onda da luz em ângulos ligeiramente diferentes. Para outro local que não seja o centro óptico exato da lente, isso causa um efeito prismático que se torna mais perceptível à medida que alguém se afasta do centro óptico da lente. Isto é o que chamamos de aberração cromática. Não é a única aberração óptica que encontramos ao usar um único elemento de lente, mas é provavelmente o mais perceptível.

Os primeiros óculos de sol (telescópios) sofreram muito com a CA e as outras aberrações ópticas. O campo da óptica foi desenvolvido para lidar com essas imperfeições quando aplicadas aos telescópios bem antes do início da fotografia em meados do século XIX, como forma de preservar uma cena projetada por uma lente usando produtos químicos sensíveis à luz.

Nos anos 1600, Snellius (a origem da 'Lei de Snell' ) e Descartes (o criador ou geometria cartesiana ) codificaram as primeiras leis de refração e reflexão. Em 1690, Christiaan Huygens havia escrito seu 'Traité de la Lumière' ou 'Tratado sobre a Luz', que se baseava no trabalho de Descartes e apresentava a teoria das ondas da luz, apresentada pela primeira vez à Academia de Ciências de Paris em 1678, com base na matemática. Isaac Newton publicou 'Hipótese da Luz' em 1675 e 'Optiks'em 1705, na qual ele apresentou uma teoria concorrente da luz como corpúsculos ou partículas. Nos cem anos seguintes, a teoria da luz de Newton foi aceita e a teoria das ondas de Huygens foi rejeitada. Somente em Augustin-Jean Fresnel adotou o princípio de Huygens em 1821 e mostrou que ele poderia explicar os efeitos retilíneos de propagação e difração da luz que a teoria das ondas de Huygens era geralmente aceita. Este princípio é agora conhecido como o princípio de Huygens-Fresnel.

Newton também demonstrou que um prisma decompõe a luz branca em um espectro de suas cores componentes e que uma lente e um segundo prisma podem ser usados ​​para recompor o espectro multicolorido de volta à luz branca que tinha as mesmas propriedades da luz antes de atingir o primeiro prisma. . Embora os detalhes da teoria corpuscular de Newton tenham sido mostrados principalmente incorretos, suas descobertas em relação à cor e refração, juntamente com trabalhos semelhantes de Huygens, foram o que levou ao desenvolvimento de lentes compostas para corrigir aberrações cromáticas.

Huygens construiu seus próprios telescópios compostos, sem o benefício de ainda serem desenvolvidas lentes acromáticas, que exigiam longas distâncias entre os elementos dianteiro e traseiro. Newton não fez mais nenhum desenvolvimento de lente refrativa. Ele preferiu solucionar o problema usando espelhos refletivos curvos da primeira superfície para evitar as aberrações causadas pela refração. De fato, ele declarou que a aberração cromática não podia ser corrigida porque não considerava que se poderia usar dois tipos de vidro com propriedades refrativas diferentes.

_{O telescópio refrator sem câmara de ar composto de Christiaan Huygens e o segundo telescópio refletor de Newton.}

A primeira lente acromática foi criada em 1733. Utilizou dois elementos com diferentes índices de refração para corrigir parcialmente as aberrações de cores e permitiu que os telescópios de refração fossem mais curtos e funcionais.

O apocromático de três elementos logo se seguiu, o que foi uma melhoria ainda melhor em relação ao acromático de dois elementos do que o acromático em relação às lentes simples.

Muito do que os fabricantes de lentes aprenderam a corrigir aberrações cromáticas também se aplicava a outras aberrações monocromáticas e ópticas inerentes a uma lente simples.

Depois que a fotografia química surgiu no século 19 como uma maneira de preservar uma imagem projetada por uma lente, aqueles que criaram lentes para uso fotográfico pegaram o que havia sido aprendido anteriormente no campo da óptica, que era principalmente aplicada a telescópios e similares, e correu com ele. Uma boa pesquisa sobre os desenvolvimentos no design de lentes fotográficas, todos baseados nos princípios ópticos descobertos nos séculos XVII e XVIII discutidos acima, pode ser encontrada no artigo 'História do design de lentes fotográficas' na Wikipedia. (É muito longo e envolve incluir um resumo aqui.)

Ao todo, existem sete aberrações ópticas "clássicas" que as lentes compostas tentam corrigir em graus variados. Observe que essas aberrações não são o resultado de imperfeições na construção das lentes, mas são devidas à natureza da própria luz que passa por materiais refrativos. Essas aberrações estariam presentes mesmo se esses materiais refrativos fossem matematicamente perfeitos.

• Desfocagem (a ordem mais baixa que é facilmente corrigida alterando a distância entre a lente e o plano da imagem)
• Aberração esférica
• Coma
• Astigmatismo
• Curvatura do campo
• Distorção geométrica
• Aberração cromática

Você consegue fazer isso. Suas imagens, simplesmente, não serão muito boas.

Foi aprendido no início da ótica - nos tempos de Galileo Galilei de telescópios refratários e monoculares - que um único elemento de vidro não cria uma imagem muito boa. Tende a não ser afiado; tende a ter franjas de cores (porque as cores não se concentram no mesmo ponto); e tende a ter distorção.

Feito corretamente, a adição de elementos adicionais pode neutralizar quase todos esses comportamentos ruins. Imagens afiadas; distorção desaparece; cores focam juntas. A adição de mais elementos tem seus próprios problemas. Cada superfície ar-vidro reflete um pouco de luz. As lentes modernas têm camadas de multicoating para minimizar isso, mas se você tiver elementos suficientes, a perda de luz começa a ser perceptível e pode afetar negativamente sua imagem causando reflexos.

Portanto, como resultado, as lentes normais (lentes de 50 mm ish para câmeras full-frame especificamente) tendem a ter entre quatro e oito elementos (pedaços de vidro). Cinco a seis funcionam muito bem na maioria dos casos, mas as câmeras digitais são mais sensíveis às cores do que o filme, então as lentes normais de ponta podem ter mais elementos do que isso para maximizar a correção. A multicamada moderna torna isso não tão problemático quanto vinte ou trinta anos atrás.

As lentes zoom lidam com uma variedade de distâncias focais, portanto, é necessário ainda mais correção, para que você possa ver dez, quinze, até vinte ou mais elementos nessas lentes.

Deixe-me dar uma resposta curta (e não completa) sobre as razões por trás de muitos elementos. Em todos os elementos, você tem um tipo de aberração barril / almofada de alfinetes e elementos adicionais "lutam" em algum grau com isso.

Também (até onde eu sei) é melhor colocar a mecânica de abertura entre os elementos (a necessidade de obter iluminação uniforme em todo o sensor / plano do filme).

O mecanismo de foco automático precisará ser bastante poderoso (f / 2 significará 25 mm de diâmetro do elemento) por causa da necessidade de mover o elemento de vidro relativamente elevado.

E se você tiver estabilização de imagem, este é um grupo (de um ou mais elementos). Se você tiver apenas um elemento, a construção se tornará bastante complexa e você não poderá atingir esse nível de estabilização. Além disso, você será muito limitado no sentido de aberturas abertas, pois precisará mover um elemento enorme.

Algumas câmeras simples podem usar uma lente de elemento único, mas a imagem realizada é de segunda categoria. Atualmente, até as câmeras de baixo custo com relatividade são equipadas com até sete elementos de lente individuais. Se a lente da câmera for do tipo de elemento único, a imagem será manchada por vários defeitos que se enquadram na rubrica “aberração”.

Uma dessas aberrações revela um arremesso de cores, pelo qual um efeito arco-íris multicolorido é visto ao redor dos objetos sendo imagens. O que está acontecendo é; cada uma das várias cores que compõem a vista é focalizada a distâncias ligeiramente diferentes da lente. As imagens de luz violeta, sendo as mais refrangíveis, focalizam primeiro, as imagens vermelhas sendo a locação refrangível, ficam mais focadas a jusante. As imagens que consistem em outras cores ficam em algum lugar no meio. Esse fenômeno é chamado de aberração cromática.

Agora, quanto mais longe a lente se formar, maior será a imagem. Em outras palavras, uma lente que sofre de aberração cromática projeta várias imagens, cada uma com tamanho diferente. O resultado é o arremesso de cores mais associado à aberração cromática. Na verdade, existem dois tipos, longitudinal e transversal. Podemos reduzir as propriedades nocivas da aberração cromática usando um dubleto (lente de 2 elementos). Um é feito com vidro de coroa e o outro flit. Um tem forte poder positivo e o outro fraco poder negativo. Quando imprensadas, a combinação seca a aberração cromática. Como o design de 2 elementos corrige apenas duas cores, podemos adicionar uma terceira lente, tornando o sanduíche um trigêmeo acromático (grego acromático sem erros de cor).

Além da praga da aberração cromática, existem outras 6 aberrações importantes (mencionadas por outros neste post) que podem ser atenuadas. Tecnicamente, cada um requer uma lente especializada quanto à forma e material. Tudo isso e muito mais, força o designer de lentes a construir uma lente de múltiplos elementos. Alguns dos elementos são cimentados juntos; alguns são espaços aéreos, outros se movem em grupo à medida que você aumenta o zoom e o foco.

Conclusão: a lente fiel ainda não foi fabricada. Tiremos o chapéu dos oculistas que criam essas maravilhas para nosso uso e diversão!