Hur fungerar Moderna Linsdesigner på Kameraoobjektiv?

Speciella zoomar med ett stort brännviddsområde kräver komplexa designlösningar.

Kraven på ett modernt objektiv är mycket komplexa. Den ska erbjuda en hög ljusintensitet, leverera den bästa bildkvaliteten över hela bildfältet, oavsett om det är en närbild eller landskapsbild, och täcka ett stort brännviddsområde som zoom. Allt detta i liten och lätt form till ett rimligt pris.

Begär och verklighet skiljer sig ibland väsentligt åt här, eftersom vissa saker är svåra att kombinera, speciellt den utsökta bildkvaliteten i en liten design och till ett rimligt pris. I den här artikeln tittar vi på de olika tekniska aspekterna av linskonstruktion och visar möjligheterna och begränsningarna i tillverkningen.

Refraktion

En lins består vanligtvis av ett arrangemang av olika linser eller individuella linser kombinerade för att bilda element. Ljus bryts vid övergången från ett medium till ett annat. Å ena sidan kan detta vara ljusets inträde från luften i glaset, övergången mellan två sammanfogade glas eller utgången från glaset till luften. Om du tänker på ljus som en stråle genom linsen, är brytning en buckling av strålen vid varje övergång.

Brytningsindexet för det använda materialet beskriver hur mycket ljuset bryts. Vakuum har ett brytningsindex på exakt 1, luft cirka 1,0003, vatten 1,33 och optiskt glas mellan 1,5 och 2. Brytningen orsakas av ljusets olika utbredningshastigheter i olika material.

Om ljusstrålen träffar en övergång exakt vinkelrätt, ändras inte riktningen. Om ljusstrålen träffar övergången i en vinkel, bryts den antingen mot vinkelrät eller bort från vinkelrät. Enkelt uttryckt är detta som en bil där hjulen på ena sidan bromsas mer än på den andra, vilket resulterar i en ändrad färdriktning. Specialfall såsom diffraktion eller reflektion på spegelelement för bildgenerering i linser kommer att behandlas senare.

Linsformer

Formen är avgörande för egenskapen hos en lins. En enkel glasruta vars ytor är exakt parallella med varandra (planparallella) kan inte användas som lins. Brytningen när ljuset kommer in i luften sker med samma styrka när glaset kommer ut i luften. Flera parallella ljusstrålar är fortfarande parallella med varandra även efter att de har penetrerat, ingen bild kan bildas. Ljusstrålarna skiftades bara parallellt.

Man skiljer på konvergerande linser och divergerande linser. En konvergerande lins fokuserar infallande ljus vid en punkt bakom linsen, medan divergerande linser fördelar det infallande ljuset som om det kom från en punkt framför linsen.

Brännvidden beskriver avståndet mellan linsens huvudplan och fokalplanet. Huvudplanet är en förenkling av linsen till ett tunt lager med egenskapen för hela linsen. Fokalplanet är det plan där parallella strålar möts när de penetrerar linsen.

Brännvidden är positiv för en konvergerande lins och negativ för en divergerande lins. Flexibla och utbytbara linser, som liknar den mänskliga ögonlinsen, har redan presenterats flera gånger, men har (ännu) inte nått marknadsmognad.

Nuvarande linser består av en kombination av många linser, som var och en har fasta egenskaper. Till exempel, medan Canon 28mm f/2.8 är konstruerad av 5 element, finns det 23 element i en Sigma 120-300mm f/2.8.

En lins har alltid två ytor i vilka ljuset kommer in och ut. Linsytan på ena sidan kan vara platt, konkav eller konvex. Plan innebär att ytan inte är krökt och är vinkelrät mot huvudaxeln. En konkav yta kröker sig mot linsens mitt, medan en konvex kröker sig utåt. När du anger en linsform kombineras de två specifikationerna i ordningen för den infallande ljusstrålen. En plankonvex lins är plan på ingångssidan och konvex på utgångssidan.

Linselement

Med en enda lins kan de viktigaste egenskaperna definieras genom val av material och ytform på två sidor. För att uppnå vissa egenskaper i en optik kombineras individuella linser till linselement. Två linser är antingen sammanfogade med lim så att de delar varsin yta, eller så monteras de så att de har ett mycket tunt, definierat avstånd från varandra som är fyllt med luft.

Detta ger linsdesignern fler möjligheter att uppnå önskade egenskaper, eftersom tre eller fyra ytformer och två olika material nu kan kombineras. I synnerhet kan färgfel orsakade av olika egenskaper hos linser beroende på våglängden på det infallande ljuset reduceras kraftigt på detta sätt.

Asfäriska linser

I det enklaste fallet är ytan på en lins en sektion av en sfär och brytningsstyrkan bestäms av radien på sfärens sektion. Sfäriska linser (från grekiskans ”sfär”) är relativt lätta att tillverka, men de har en aberration – sfärisk aberration. I detta fall är parallella ljusstrålar som slår inte alla ihop i en punkt, utan mer eller mindre långt bort från den beroende på avståndet till huvudaxeln.

Mer komplexa linsformer är asfäriska linser, som inte har denna defekt, men är betydligt mer komplexa att tillverka. Ytan är utformad på ett sådant sätt att parallella ljusstrålar alla passerar genom samma brännpunkt.

Material

För att minska aberrationerna kombinerar linstillverkare olika typer av glas, vilket samtidigt driver upp priset. En annan relevant kostnadspost är linsproduktion.

De optiska egenskaperna hos en lins bestäms av de individuella linsernas och elementens optiska egenskaper. För att påverka detta varierar linsformen å ena sidan och vilket material som används å andra sidan. Beroende på önskad effekt och teknisk genomförbarhet är linsen sedan gjord av olika material.

Glas används som linsmaterial i de flesta linser. Flintglas och kronglas bildar två huvudgrupper. Båda består till stor del av kvarts, som var och en har fått sina optiska eller mekaniska egenskaper förändrade genom tillägg. Flintglas har ett högre brytningsindex än Kronglas, men det har också en högre spridning.

Eftersom det är mycket lättare att bearbeta och därför billigare och tillåter komplexa former, är linselement eller kompletta linser också gjorda av plast. Optiken i mobilkameror är till exempel till största delen gjord av plast.

Odlade kristaller (fluoritkristaller) som linsmaterial är komplexa att bearbeta och därför dyra. Materialet som används har två huvudegenskaper för optisk karakterisering: brytningsindex och dispersionen.

Brytningsindex

Ju högre brytningsindex, desto mer bryts en ljusstråle när den passerar genom materialet. Det sägs att glaset är optiskt tätare än luft. När en ljusstråle passerar från ett medium till ett annat ändras ljusstrålens riktning.

När man passerar från luft till glas bryts ljusstrålen mot vinkelrät, när man lämnar det optiskt tätare glasmediet in i det optiskt tunnare luftmediet bryts ljusstrålen bort från vinkelrät. Brytningsindexet definieras av Snells brytningslag av ingångs- och utgångsvinkeln vid övergången från vakuum till mediet som ska beskrivas. Eller alternativt uttryckt som förhållandet mellan ljusets hastighet i vakuum och hastigheten i mediet.

Dispersion

Emellertid beror brytningsindexet för ett optiskt material inte bara på själva materialet utan också på ljusets våglängd. De olika färgkomponenterna i vitt ljus, som rött och blått, bryts därför i olika grad. Om brytningsindex varierar mycket med ljusets våglängd talar optiker om hög spridning.

En hög spridningsnivå leder till kromatisk aberration, det vill säga effekten att ljusets färgade komponenter inte kartläggs kongruent, och detta leder till färgfransar, särskilt vid kanterna i bilden. För att minimera den negativa effekten på bilden använder moderna linser individuella element gjorda av glastyper som har mycket låg spridning.

Nikon märker till exempel objektiv med detta element med ”ED” för ”Extra-low Dispersion”, Canon kallar dessa element för ”UD” för ”Ultra-Low Dispersion” och de andra tillverkarna använder även element med låg dispersion. Spridningen beskrivs av Abbe-numret. Detta beräknas med hjälp av brytningsindex vid tre olika, definierade våglängder av ljus.

Framtidsutvecklingen

En spännande utveckling är linser gjorda av metamaterial. Dessa är sammansatta av de minsta elementen, så att de framstår för ljuset som ett nytt element. Detta tillåter fastigheter som tidigare ansågs omöjliga, t.ex. B. negativa brytningsindex och därmed i grunden nya linskonstruktioner. Hittills har dessa element inte använts utanför laboratorier. Framtiden kommer att visa om och hur dessa material kan användas i stor skala.

Variabla linser är också intressanta. Dessa linser beter sig som linsen i våra ögon, d.v.s. deras egenskaper kan ändras genom applicering av kraft. Konceptet lovar betydligt mindre konstruktioner och nu finns de första minilinserna på marknaden. Det återstår att se om dessa kan övertyga och om tekniken även kommer att göra det till fotolinser.

Lins tillverkning

Kombinationen av flera linser och element gör objektivet. Avstånden och anpassningarna till varandra måste bibehållas mycket exakt, vilket gör en lins till en precisionsmekanisk anordning.

Metallramar kan vanligtvis tillverkas med större precision, men är dyrare och tyngre än plastramar. Eftersom ljus inte alltid släpps till 100 % genom linsen måste man försöka hålla reflektionen på de olika komponenterna så låg som möjligt genom att använda svärtade fästen.

Vid optikproduktion spelar inte bara de önskade optiska egenskaperna roll utan även den eventuella bearbetningen av materialet. Alla material kan inte bearbetas på samma sätt och kräver olika mycket ansträngning. Ju färre kompromisser man gör när det gäller optiska egenskaper, desto mer specifika glastyper som används och desto svårare blir tillverkningen.

Enkla linser av plast kan tillverkas i stora kvantiteter till ett rimligt pris med hjälp av formsprutningsprocessen. Detta förklarar varför kompletta kameramoduler för mobiltelefoner erbjuds för några få dollar.

Mer komplexa linser gjorda av glas eller plast slipas och poleras. Det roterande glasämnet formas först med grova, sedan med allt finare slipmedel och poleras sedan. Slutligen skärs linsen för att säkerställa att linsens optiska centrum också är i det fysiska centrumet.

Beroende på glas eller plast kan den även formas genom pressning. Inte alla material tillåter detta, men det är intressant för tillverkare eftersom det tillåter billig produktion av asfäriska linser (parabolisk böjd yta).

Efter polering beläggs linsen eller tvålinselementet. Denna beläggning minskar reflektioner och optimerar transmissionen.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.