Wenn ich die technischen Daten meines 50-mm-Objektivs nachschlage, heißt es, dass es 8 Linsenelemente in 7 Gruppen enthält. Warum ist das so, warum nicht nur ein einzelnes Linsenelement mit einer Brennweite von 50 mm?
Einzelne Linsen mit realer Dicke brechen die verschiedenen Wellenlängen des Lichts in leicht unterschiedlichen Winkeln. Für andere Stellen als das genaue optische Zentrum der Linse führt dies zu einem prismatischen Effekt, der deutlicher wird, wenn man sich weiter vom optischen Zentrum der Linse entfernt. Dies ist, was wir als chromatische Aberration bezeichnen. Es ist nicht die einzige optische Aberration, auf die wir bei der Verwendung eines einzelnen Linsenelements stoßen, aber es ist wahrscheinlich die auffälligste.
Die frühesten Ferngläser (Teleskope) litten stark unter CA und den anderen optischen Aberrationen. Das Gebiet der Optik entwickelte sich, um diese Unvollkommenheiten zu beseitigen, die lange vor Beginn der Fotografie Mitte des 19. Jahrhunderts auf Teleskope angewendet wurden, um eine von einer Linse projizierte Szene mit lichtempfindlichen Chemikalien zu erhalten.
In den 1600er Jahren kodifizierten Snellius (der Ursprung des 'Snell'schen Gesetzes' ) und Descartes (der Schöpfer oder die kartesische Geometrie ) die frühesten Gesetze der Brechung und Reflexion. Bis 1690 hatte Christiaan Huygens seine "Traité de la Lumière" oder "Abhandlung über Licht" geschrieben , die auf Descartes 'Werk aufbaute und die Wellentheorie des Lichts vorstellte, die erstmals 1678 der Pariser Akademie der Wissenschaften auf der Grundlage der Mathematik vorgestellt wurde. Isaac Newton veröffentlichte 1675 'Hypothesis of Light' und 'Optiks'1705 präsentierte er eine konkurrierende Theorie des Lichts als Teilchen oder Teilchen. Für die nächsten hundert Jahre wurde Newtons Lichttheorie akzeptiert und Huygens 'Wellentheorie abgelehnt. Erst als Augustin-Jean Fresnel 1821 das Huygens-Prinzip übernahm und zeigte, dass es die geradlinigen Ausbreitungs- und Beugungseffekte von Licht erklären konnte, wurde die Huygens-Wellentheorie allgemein akzeptiert. Dieses Prinzip ist heute als Huygens-Fresnel-Prinzip bekannt.
Newton zeigte auch, dass ein Prisma weißes Licht in ein Spektrum seiner Komponentenfarben zerlegt und dass eine Linse und ein zweites Prisma verwendet werden können, um das mehrfarbige Spektrum wieder in weißes Licht zu zerlegen, das die gleichen Eigenschaften wie das Licht hatte, bevor es auf das erste Prisma traf . Obwohl sich gezeigt hat, dass die Einzelheiten von Newtons Korpuskulartheorie größtenteils falsch sind, führten seine Durchbrüche in Bezug auf Farbe und Brechung zusammen mit ähnlichen Arbeiten von Huygens zur Entwicklung zusammengesetzter Linsen zur Korrektur chromatischer Aberration.
Huygens baute seine eigenen Verbundteleskope, ohne den Vorteil noch zu entwickelnder achromatischer Linsen, die große Entfernungen zwischen den vorderen und hinteren Elementen erforderten. Newton hat selbst keine weitere Entwicklung der Brechungslinse durchgeführt. Er zog es vor, das Problem insgesamt zu umgehen, indem er gekrümmte reflektierende Spiegel der ersten Oberfläche verwendete, um die durch Brechung verursachten Aberrationen zu vermeiden. Tatsächlich erklärte er bekanntlich, dass die chromatische Aberration nicht korrigiert werden könne, da er nicht in Betracht ziehe, zwei Glasarten mit unterschiedlichen Brechungseigenschaften zu verwenden.
Christiaan Huygens 'zusammengesetztes schlauchloses Brechungsteleskop und Newtons zweites Spiegelteleskop.
Die erste achromatische Linse wurde 1733 hergestellt. Sie verwendete zwei Elemente mit unterschiedlichen Brechungsindizes, um Farbaberrationen teilweise zu korrigieren, und ermöglichte es, Brechungsteleskope kürzer und funktioneller zu machen.
Der Drei-Elemente- Apochromat folgte bald, was eine noch bessere Verbesserung gegenüber dem Zwei-Elemente-Achromat darstellte als der Achromat gegenüber der einfachen Linse.
Vieles von dem, was Linsenhersteller gelernt haben, um chromatische Aberration zu korrigieren, fand auch Anwendung auf die anderen monochromatischen optischen Aberrationen, die einer einfachen Linse innewohnen.
Als im 19. Jahrhundert die chemische Fotografie auftauchte, um ein von einem Objektiv projiziertes Bild zu erhalten, nahmen diejenigen, die Objektive für fotografische Zwecke herstellten, das, was zuvor auf dem Gebiet der Optik gelernt worden war, das hauptsächlich auf Teleskope und dergleichen angewendet worden war. und rannte damit. Eine gute Übersicht über die Entwicklungen im Design von fotografischen Linsen, die alle auf den oben diskutierten optischen Prinzipien des 17. und 18. Jahrhunderts basieren, finden Sie im Artikel "Geschichte des fotografischen Objektivdesigns" bei Wikipedia. (Es ist viel zu lang und kompliziert, hier eine Zusammenfassung aufzunehmen.)
Insgesamt gibt es sieben "klassische" optische Aberrationen, die zusammengesetzte Linsen in unterschiedlichem Maße zu korrigieren versuchen. Es ist zu beachten, dass diese Aberrationen nicht das Ergebnis von Unvollkommenheiten bei der Konstruktion von Linsen sind, sondern auf die Natur des Lichts selbst zurückzuführen sind, wenn es durch brechende Materialien hindurchgeht. Diese Aberrationen wären vorhanden, selbst wenn diese brechenden Materialien mathematisch perfekt wären.
Du kannst das. Ihre Bilder werden jedoch ganz einfach nicht sehr gut sein.
Schon früh in der Optik - schon in den Tagen von Galileo Galilei mit Refraktorteleskopen und Monokularen - wurde gelernt, dass ein einzelnes Glaselement kein sehr gutes Bild erzeugt. Es neigt dazu, nicht scharf zu sein; es neigt dazu, Farbsäume zu haben (weil die Farben nicht auf den gleichen Punkt fokussieren); und es neigt dazu, Verzerrungen zu haben.
Richtig gemacht, kann das Hinzufügen zusätzlicher Elemente die meisten dieser schlechten Verhaltensweisen am meisten neutralisieren. Bilder schärfen; Verzerrung verschwindet; Farben fokussieren zusammen. Das Hinzufügen weiterer Elemente hat jedoch seine eigenen Probleme. Jede Luft-Glas-Oberfläche reflektiert ein wenig Licht. Moderne Objektive haben Multicoating-Schichten, um dies zu minimieren. Wenn Sie jedoch über genügend Elemente verfügen, macht sich der Lichtverlust bemerkbar und kann Ihr Bild durch Streulicht negativ beeinflussen.
Daher neigen normale Objektive (speziell 50-mm-Objektive für Vollformatkameras) dazu, zwischen vier und acht Elemente (Glasstücke) zu haben. Fünf bis sechs funktionieren in den meisten Fällen sehr gut, aber Digitalkameras reagieren empfindlicher auf Farbsäume als Filme. Daher können normale High-End-Objektive mehr Elemente enthalten, um die Korrektur zu maximieren. Modernes Multicoating macht dies nicht mehr so problematisch wie noch vor zwanzig oder dreißig Jahren.
Zoomobjektive verarbeiten eine Reihe von Brennweiten und müssen daher noch stärker korrigiert werden, sodass in solchen Objektiven manchmal zehn, fünfzehn, sogar zwanzig oder mehr Elemente angezeigt werden.
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Lassen Sie mich eine kurze (und nicht vollständige) Antwort auf die Gründe für viele Elemente geben. In jedem Element gibt es eine Art Lauf- / Nadelkissen-Aberration, und zusätzliche Elemente "kämpfen" in gewissem Maße damit.
Außerdem ist es (soweit ich weiß) besser, die Aperturmechanik zwischen den Elementen zu platzieren (die Notwendigkeit, eine gleichmäßige Beleuchtung über die gesamte Sensor- / Filmebene zu erreichen).
Die Autofokusmechanik muss sehr leistungsfähig sein (1: 2 bedeutet 25 mm Durchmesser des Elements), da das Glaselement relativ stark bewegt werden muss.
Und wenn Sie eine Bildstabilisierung haben, ist dies eine Gruppe (aus einem oder mehreren Elementen). Wenn Sie nur ein Element haben, wird die Konstruktion ziemlich komplex und Sie können diesen Stabilisierungsgrad nicht erreichen. Außerdem sind Sie im Sinne offener Öffnungen sehr eingeschränkt, da Sie ein großes Element bewegen müssen.
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Einige einfache Kameras können mit einem Einzelelementobjektiv arbeiten, das realisierte Bild ist jedoch zweitklassig. Heutzutage sind sogar preiswerte Relativitätskameras mit bis zu sieben einzelnen Linsenelementen ausgestattet. Wenn es sich bei dem Kameraobjektiv um ein Einzelelement handelt, wird das Bild durch mehrere Fehler beeinträchtigt, die unter die Überschrift „Aberration“ fallen.
Eine solche Aberration zeigt Farbschübe, wobei ein mehrfarbiger Regenbogeneffekt um die Objekte herum zu sehen ist, die Bilder sind. Was passiert ist; Jede der verschiedenen Farben, aus denen sich die Aussicht zusammensetzt, wird in leicht unterschiedlichen Abständen vom Objektiv scharfgestellt. Bilder mit violettem Licht, die am besten auffrischbar sind, werden zuerst fokussiert, rote Bilder, die am besten auffrischbar sind, werden weiter stromabwärts fokussiert. Die Bilder, die aus anderen Farben bestehen, liegen irgendwo dazwischen. Dieses Phänomen wird als chromatische Aberration bezeichnet.
Je weiter ein Bild vom Objektiv entfernt ist, desto größer wird es. Mit anderen Worten, eine Linse, die unter chromatischer Aberration leidet, projiziert mehrere Bilder, die sich jeweils in der Größe unterscheiden. Das Ergebnis ist die Farbe, die am meisten mit chromatischer Aberration verbunden ist. Tatsächlich gibt es zwei Arten, Längs- und Quer. Wir können die schädlichen Eigenschaften der chromatischen Aberration durch die Verwendung eines Dubletts (2-Element-Linse) reduzieren. Eine besteht aus Kronglas und die andere aus Flit. Einer hat eine starke positive Kraft, der andere eine schwache negative Kraft. Zusammengenommen mittelt die Kombination die chromatische Aberration. Dieses 2-Elemente-Design korrigiert nur zwei Farben. Wir können eine dritte Linse hinzufügen, die das Sandwich zu einem achromatischen Triplett macht (achromatisches Griechisch ohne Farbfehler).
Zusätzlich zur Plage der chromatischen Aberration gibt es 6 weitere Hauptaberrationen (von anderen in diesem Beitrag erwähnt), die gemildert werden können. Technisch erfordert jede eine spezielle Linse in Bezug auf Form und Material. All dies und mehr zwingt den Objektivdesigner, eine Linse mit mehreren Elementen zu konstruieren. Einige der Elemente sind zusammengeklebt; Einige sind Lufträume, andere bewegen sich als Gruppe, während Sie zoomen und fokussieren.
Fazit: Die originalgetreue Linse muss noch hergestellt werden. Hut ab vor den Optikern, die diese Wunder für unseren Gebrauch und Genuss erschaffen!
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