Czy wypukłe soczewki powodują, że równoległe promienie świetlne o różnej długości fali zbiegają się w różnych punktach?

Zaczynam studiować aparaty i obiektywy. Czytając wyjaśnienia i oglądając filmy na wypukłych soczewkach, dowiedziałem się, że powodują one, że równoległe promienie świetlne zbiegają się w jeden punkt zwany punktem centralnym.

Teraz, zgodnie z prawem Snella, światło o różnych długościach fal (takich jak różne kolory) załamuje się pod różnymi kątami. Wydaje mi się więc, że różne kolory mają różne punkty centralne.

Czy wypukłe soczewki powodują, że równoległe promienie świetlne o różnej długości fali zbiegają się w różnych punktach?

Tak. Oddzielenie różnych długości fali światła nazywa się dyspersją . Różne długości fali światła załamują się pod różnymi kątami, ponieważ współczynnik załamania przezroczystego ośrodka zależy od częstotliwości . Często opisujemy różne materiały, takie jak szkło koronowe, szkło krzemienne, diament, woda itp., Które mają „współczynnik załamania światła”, ale ten pojedynczy wskaźnik jest po prostu reprezentatywny dla załamania światła na jednej długości fali. Na przykład, na Wikipedii, lista współczynników załamania światła , wiele wskaźników materiałów jest podanych przy długości fali 589,29 nm.

^{Wykres współczynnika załamania światła w funkcji długości fali różnych szkieł. Dyspersja materiału jest z grubsza nachyleniem linii przez współczynniki załamania światła na granicy zacienionego obszaru (długości fali optycznej) dla określonego materiału. Autor: DrBob , z Wikimedia Commons . CC BY-SA 3.0}

Jeden ilościowa ilości dyspersji w konkretnym środowisku załamania nazywa się liczba Abbego tego materiału. Z grubsza liczba Abbe jest stosunkiem współczynnika załamania światła dla konkretnej długości fali żółtej do różnicy między współczynnikami załamania światła dla poszczególnych długości fali niebieskiej i czerwonej. Im wyższa liczba Abbe, tym mniej dyspersji wykazuje materiał.

Dyspersja powoduje wzdłużną aberrację chromatyczną w soczewkach (patrz także Co to jest aberracja chromatyczna? ), Tak że różne długości fali światła są ustawiane na ogniskowanie przy różnych ogniskowych.

^{Schemat przedstawiający podłużną aberrację chromatyczną, autorstwa DrBob z Wikimedia Commons . CC BY-SA 3.0}

Koryguje się to poprzez połączenie dwóch (lub więcej) kawałków szkła o różnych liczbach Abbe. Na przykład, dublet achromatyczny wykorzystuje wypukły szklany element koronowy z wklęsłym elementem ze szkła krzemowego, aby zmniejszyć zmiany ogniskowych długości fal światła optycznego.

^{Dublet achromatyczny korygujący aberrację chromatyczną, autor: DrBob z Wikimedia Commons . CC BY-SA 3.0}

Istnieją inne elementy korekcyjne, takie jak apochromat i superachromat .

Światło z odległego obiektu, takiego jak gwiazda, dociera do soczewki w postaci równoległych promieni. Podczas przechodzenia przez soczewkę są zmuszeni zmienić kierunek. Zginają się do wewnątrz, nazywamy to załamanie od łaciny, aby się wygiąć do tyłu. Możemy narysować ślad tych promieni; wykreślają kształt stożka. Widzimy, że wierzchołek fioletowego stożka światła tworzy się bliżej soczewki, a następnie zielony, żółty, pomarańczowy, czerwony itd., Innymi słowy, obrazy powstają poniżej, ale każdy kolor w innej odległości. Co najgorsze, odległość projekcji czerwonej, która jest największa, jest większa niż niebieski obraz. Nie możemy skupiać się tylko na jednym kolorze na raz. Pozostałe kolory są więc nieostre. Nazywamy to aberracją chromatyczną (błąd koloru).

To, co właśnie opisałem, nazywa się podłużną aberracją chromatyczną. Możemy temu zaradzić, konstruując soczewkę, łącząc ze sobą dwie soczewki, każda o przeciwnej aberracji chromatycznej. Używamy dubletu achromatycznego (angielski bez błędu koloru). Mocna wypukła (dodatnia moc) soczewka w połączeniu ze słabym ujemnym (wklęsłe). Dodatkowo zastosowane szkło będzie różne dla każdego z nich. Taki układ łączy ze sobą czerwone i fioletowe wierzchołki. Nie jesteśmy skończeni.

Łączymy czerwony i fioletowy razem, ale ich ścieżki przez system soczewek wciąż mają różne długości, więc ogniskowe każdego z nich są znikome (różne). Nazywa się to poprzeczną aberracją chromatyczną. W wyniku tej różnicy ogniskowej, kiedy patrzymy na gwiazdę, widzimy obiekty otoczone tęczą kolorów.

Teraz przystępujemy do pracy przy użyciu kilku dodatkowych soczewek i możemy łagodzić, ale nie eliminować wszystkich aberracji chromatycznych. Jednak soczewka lustrzana ma srebrzenie na zewnętrznej stronie szkła. Światło nigdy nie musi przecinać szkła mocnego obiektywu (soczewki głównej). Dlatego są wolne od aberracji chromatycznych.

Nie myśl, że o to chodzi. W sumie jest jeszcze pięć aberracji monochromatycznych.

Tak, robią. To jest przyczyną aberracji chromatycznej . W rzeczywistości dzieje się to na dwa sposoby. Osiowa aberracja chromatyczna (znana również jako podłużna CA) ma miejsce, ponieważ różne długości fal skupiają się w różnych odległościach. Poprzeczna aberracja chromatyczna (lub boczne CA) występuje, ponieważ różne długości fali są powiększane i zniekształcane w różny sposób.

Ale obiektywy aparatu nie są prostymi obiektywami - są złożonymi kombinacjami różnych elementów specjalnie zaprojektowanych, aby zminimalizować tę i inną aberrację (zobacz Jakie cechy jakości obrazu czynią obiektyw dobrym lub złym? Na kilka innych przykładów).

Szukaj soczewek oznaczonych jako achromatyczne lub apochromatyczne jako wskaźnik, że konstrukcja szczególnie koncentruje się na minimalizowaniu aberracji chromatycznej - czasami z nazwami soczewek zawierającymi takie elementy jak „APO”.