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

12

Я начинаю изучать камеры и линзы. 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 с разными длинами волн (например, разных цветов) преломляется под разными углами. Поэтому мне кажется, что разные цвета имеют разные фокусные точки.

Габриэле Скарлатти
источник
7
Связанный: Что такое хроматическая аберрация? и все остальное, помеченное хроматической аберрацией . Легко, когда ты знаешь, как это называется, очень тяжело, если не знаешь!
Филипп Кендалл
Спасибо за указание на это. Я отредактирую свой вопрос, чтобы сделать другой. Но я хотел бы оставить первый вопрос в качестве напоминания в конце и ваш комментарий тоже. Это может оказаться полезным для других.
Габриэле Скарлатти

Ответы:

27

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

Да. Разделение света на разные длины волн называется дисперсией . Различные 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 особый показатель просто отражает преломление на одной длине волны. Например, в Списке показателей преломления Википедии многие индексы материалов указаны для длины волны 589,29 нм.

введите описание изображения здесь
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. По DrBob , из Викисклада . 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 продольную хроматическую аберрацию в линзах (см. Также, что такое хроматическая аберрация? ), Так что различные длины волн света фокусируются на разных фокусных расстояниях.

введите описание изображения здесь
Диаграмма, демонстрирующая продольную хроматическую аберрацию, автор 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.

введите описание изображения здесь
Ахроматический дублет, исправляющий хроматическую аберрацию, автор DrBob из Wikimedia Commons . CC BY-SA 3.0

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

scottbb
источник
2
И, конечно же, другая стратегия - полностью отказаться от линз; Это одна из причин, по которой в высококлассных телескопах используются зеркала.
Накопление
2
@ Накапливание действительно. Но очень сложно получить отражающую оптику в таком маленьком корпусе, как смартфон, чтобы сделать хорошие селфи.
scottbb
@scottbb Хотя в зеркальных объективах отражающая оптика делает линзы меньшего размера и легче, чем их преломляющие аналоги. Они были довольно популярны в 70-х и в 80-х годах, но, как правило, страдают от фиксированной диафрагмы (без контроля глубины резкости) и, возможно, неприятного боке ... если только вы не любите весь образ свирли-пончик-беспорядка. ,
J ...
1
@ Накопление, если под «высококлассным» вы подразумеваете то, что используют профессиональные астрономы, основным ограничением является не аберрация, а апертура. Трудно сделать стеклянную линзу такой большой, и она будет сгибаться под собственным весом. (Есть, конечно, некоторые исключения ). Хроматическая аберрация не такая большая проблема в астрономии, потому что большинство изображений получено с помощью фильтров. Из наиболее часто используемых широкие полосы имеют ширину около 100 нм.
Davidmh
21

Свет от дальнего объекта, 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 проецирования красного цвета 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, создав 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.

Алан Маркус
источник
8

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 других примеров).

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».

Пожалуйста, прочитайте мой профиль
источник