Делают ли выпуклые линзы параллельные световые лучи различной длины волны сходящимися в разные точки?

Question

Я начинаю изучать камеры и объективы. Читая объяснения и просматривая видео на выпуклых линзах, я узнал, что они заставляют параллельные световые лучи сходиться к одной точке, называемой фокусной точкой.

Теперь, согласно закону Снелла, свет разных длин волн (например, разных цветов) преломляется под разными углами. Поэтому мне кажется, что разные цвета имеют разные фокусные точки.

Answer 1

Выполняют ли выпуклые линзы параллельные световые лучи различной длины волны, сходящиеся в разные точки?

Да. Разделение различных длин волн света называется дисперсия . Разные длины волн света преломляются под разными углами, поскольку показатель преломления прозрачной среды зависит от частоты . Мы часто описываем различные материалы, такие как коронное стекло, кремниевое стекло, алмаз, вода и т. Д., Как имеющие «коэффициент» преломления, но этот единственный показатель просто отражает преломление на одной длине волны. Например, в Википедии Список показателей преломления , многие индексы материалов указаны для длины волны 589,29 нм.

^{График зависимости показателя преломления от длины волны различных стекол. Дисперсия материала примерно равна наклону линии через показатели преломления на границе затененной области (оптической длины волны) для конкретного материала. DrBob , из Wikimedia Commons . CC BY-SA 3,0}

Одна количественная оценка количества дисперсии в конкретной преломляющей среде называется числом Аббе этого материала. Приблизительно число Аббе представляет собой отношение показателя преломления материала на конкретной длине волны желтого цвета к разнице между показателями преломления на определенных длинах волн синего и красного цветов. Чем выше число Аббе, тем меньше дисперсия материала.

Дисперсия - это то, что вызывает хроматическую аберрацию в линзах (см. Также, Что такое хроматическая аберрация? ), так что фокусируются на разных длинах волн света на разных фокусных расстояниях.

^{Диаграмма объектива с хроматической аберрацией, DrBob из Wikimedia Commons . CC BY-SA 3.0}

Это исправляется путем объединения двух (или более) кусочков стекла с разными номерами Аббе. Например, в ахроматическом дублете используется выпуклый элемент из коронного стекла с вогнутым элементом из кремниевого стекла, чтобы уменьшить изменение фокусных длин оптических световых волн.

^{Ахроматический дублет, исправляющий хроматическую аберрацию, DrBob из Wikimedia Commons . CC BY-SA 3,0}

Существуют и другие корректирующие элементы, такие как апохроматы и суперхроматы .

Answer 2

Свет от удаленного объекта, такого как звезда, попадает на объектив в виде параллельных лучей. Когда они пересекают линзу, они вынуждены изменить свое направление. Они изгибаются внутрь, мы называем это преломление от латинского изгиба назад. Мы можем нарисовать след этих лучей; они прослеживают форму конуса. То, что мы находим, это то, что вершина фиолетового конуса света формируется ближе к линзе, чем зеленый, желтый, оранжевый, красный и т. Д., Другими словами, изображения формируются ниже по течению, но каждый цвет находится на различном расстоянии. В худшем случае наибольшее расстояние красной проекции больше, чем синее изображение. Мы не можем сосредоточиться только на одном цвете за раз. Другие цвета не в фокусе. Мы называем это хроматической аберрацией (ошибка цвета).

То, что я только что описал, называется продольной хроматической аберрацией. Мы можем смягчить это, сконструировав линзу, сложив две линзы вместе, каждая с противоположной хроматической аберрацией. Мы используем ахроматический дублет (английский без цветовой ошибки). Сильная выпуклая (положительная сила) линза в сочетании со слабой отрицательной (вогнутая). Кроме того, используемое стекло будет отличаться для каждого. Такое расположение сближает красные и фиолетовые вершины. Мы не закончили.

Мы объединяем красный и фиолетовый вместе, но их пути через систему линз по-прежнему имеют разную длину, поэтому фокусное расстояние каждого из них незначительно (разное). Это называется поперечной хроматической аберрацией. Результатом этой разницы в фокусном расстоянии, когда мы смотрим на звезду, мы видим объекты, окаймленные радугой цветов.

Теперь мы приступаем к работе, используя еще несколько линз, и мы можем смягчить, но не устранить все хроматические аберрации. Однако у зеркальной линзы есть свое серебрение на внешней стороне стекла. Свету никогда не нужно поперек стекла мощного объектива (основной линзы). Таким образом, они свободны от хроматических аберраций.

Не думай, что это так. В общем, есть еще пять монохромных аберраций.

Answer 3

Да, они делают. Это является причиной хроматической аберрации . На самом деле это происходит двумя способами. Осевая хроматическая аберрация (также известная как продольный CA) происходит потому, что разные длины волн фокусируются на разных расстояниях. Поперечная хроматическая аберрация (или латеральная CA) происходит потому, что различные длины волн по-разному увеличиваются и искажаются.

Но объективы камеры - это не простые объективы - это сложные комбинации различных элементов, специально разработанных для минимизации этой и других аберраций (см. Какие характеристики качества изображения делают объектив хорошим или плохим? для некоторых другие примеры).

Ищите линзы, обозначенные как ахроматические или апохроматические , в качестве индикатора того, что дизайн особенно фокусируется на минимизации хроматической аберрации - иногда с именами линз, содержащими такие вещи, как «APO».