Pourquoi les objectifs principaux ont-ils plusieurs éléments d'objectif?

Si je regarde les spécifications de mon objectif 50 mm, il dit qu'il a 8 éléments d'objectif, en 7 groupes. Pourquoi cela, pourquoi pas un seul élément d'objectif avec une distance focale de 50 mm?

Les lentilles simples avec une épaisseur réelle réfractent les différentes longueurs d'onde de la lumière à des angles légèrement différents. Pour tout autre endroit que le centre optique exact de la lentille, cela provoque un effet prismatique qui devient plus perceptible à mesure que l'on s'éloigne du centre optique de la lentille. C'est ce que nous appelons l'aberration chromatique. Ce n'est pas la seule aberration optique que nous rencontrons lors de l'utilisation d'un seul élément de lentille, mais c'est probablement la plus notable.

Les premières lunettes (télescopes) ont beaucoup souffert de l'AC et des autres aberrations optiques. Le domaine de l'optique s'est développé pour faire face à ces imperfections telles qu'elles s'appliquaient aux télescopes bien avant le début de la photographie au milieu du XIXe siècle afin de préserver une scène projetée par un objectif à l'aide de produits chimiques sensibles à la lumière.

Dans les années 1600, Snellius (l'origine de la «loi de Snell» ) et Descartes (le créateur ou la géométrie cartésienne ) ont codifié les premières lois de la réfraction et de la réflexion. En 1690, Christiaan Huygens avait écrit son `` Traité de la Lumière '' ou `` Traité sur la lumière '' qui s'appuyait sur les travaux de Descartes et présentait la théorie des ondes de la lumière, présentée pour la première fois à l'Académie des sciences de Paris en 1678, sur la base des mathématiques. Isaac Newton publie «Hypothesis of Light» en 1675 et «Optiks»en 1705, dans lequel il présente une théorie concurrente de la lumière sous forme de corpuscules ou de particules. Pendant environ cent ans, la théorie de la lumière de Newton a été acceptée et la théorie des ondes de Huygens a été rejetée. Ce n'est qu'en 1821 qu'Augustin-Jean Fresnel a adopté le principe de Huygens et montré qu'il pouvait expliquer la propagation rectiligne et les effets de diffraction de la lumière que la théorie des ondes de Huygens était généralement acceptée. Ce principe est désormais connu sous le nom de principe de Huygens – Fresnel.

Newton a également démontré qu'un prisme décompose la lumière blanche en un spectre de ses couleurs composantes, et qu'une lentille et un deuxième prisme peuvent être utilisés pour recomposer le spectre multicolore en lumière blanche qui avait les mêmes propriétés que la lumière avant de heurter le premier prisme. . Bien que les détails de la théorie corpusculaire de Newton se soient révélés pour la plupart incorrects, ses percées en matière de couleur et de réfraction, ainsi que des travaux similaires de Huygens, ont conduit au développement de lentilles composites pour corriger l'aberration chromatique.

Huygens a construit ses propres télescopes composés, sans l'avantage de lentilles achromatiques encore à développer, qui nécessitaient de longues distances entre les éléments avant et arrière. Newton n'a pas fait de développement de lentilles réfractives lui-même. Il a préféré contourner complètement le problème en utilisant des miroirs réfléchissants incurvés à la première surface pour éviter les aberrations causées par la réfraction. En fait, il a déclaré que l'aberration chromatique ne pouvait pas être corrigée car il ne considérait pas que l'on pouvait utiliser deux types de verre avec des propriétés de réfraction différentes.

_{Télescope réfringent tubeless composé de Christiaan Huygens et deuxième télescope réfléchissant de Newton.}

La première lentille achromatique a été créée en 1733. Elle a utilisé deux éléments avec des indices de réfraction différents pour corriger partiellement les aberrations de couleur et a permis de rendre les télescopes réfractifs plus courts et plus fonctionnels.

L' apochromat à trois éléments a rapidement suivi, ce qui était une amélioration encore meilleure par rapport à l'achromat à deux éléments que l'achromat n'avait été par rapport à la lentille simple.

Une grande partie de ce que les fabricants de verres ont appris en corrigeant l'aberration chromatique s'appliquait également aux autres aberrations optiques monochromes inhérentes à une lentille simple.

Une fois que la photographie chimique est apparue au XIXe siècle comme un moyen de préserver une image projetée par un objectif, ceux qui ont fabriqué des objectifs à des fins photographiques ont repris ce qui avait été appris plus tôt dans le domaine de l'optique, qui avait été principalement appliqué aux télescopes et similaires, et a couru avec elle. Un bon aperçu des développements dans la conception d'objectifs photographiques, tous basés sur les principes optiques découverts aux 17e et 18e siècles discutés ci-dessus, peut être trouvé dans l'article `` History of Photographic Lens Design '' sur Wikipedia. (Il est beaucoup trop long et compliqué d'inclure un résumé ici.)

En tout, il existe sept aberrations optiques "classiques" que les lentilles composites tentent de corriger à des degrés divers. Notez que ces aberrations ne sont pas le résultat d'imperfections dans la construction des lentilles, mais sont dues à la nature de la lumière elle-même lorsqu'elle passe à travers les matériaux réfractifs. Ces aberrations seraient présentes même si ces matériaux réfractifs étaient mathématiquement parfaits.

• Défocalisation (ordre le plus bas qui peut être facilement corrigé en modifiant la distance entre l'objectif et le plan d'imagerie)
• Abération sphérique
• Coma
• Astigmatisme
• Courbure de champ
• Distorsion géométrique
• Aberration chromatique

Tu peux le faire. Vos images, tout simplement, ne seront cependant pas très bonnes.

On a appris très tôt en optique - à l'époque des télescopes et monoculaires à réfracteur Galileo Galilei - qu'un seul élément en verre ne crée pas une très bonne image. Il a tendance à ne pas être net; il a tendance à avoir des franges de couleur (parce que les couleurs ne se concentrent pas au même point); et il a tendance à avoir une distorsion.

Bien fait, l'ajout d'éléments supplémentaires peut neutraliser la plupart de presque tous ces mauvais comportements. Des images plus nettes; la distorsion disparaît; les couleurs se concentrent ensemble. L'ajout d'éléments supplémentaires a cependant ses propres problèmes. Chaque surface air-verre réfléchit un peu de lumière. Les lentilles modernes ont des couches multicouches pour minimiser cela, mais si vous avez suffisamment d'éléments, la perte de lumière commence à être perceptible et peut affecter négativement votre image en provoquant des reflets.

Ainsi, en conséquence, les objectifs normaux (objectifs 50 mm pour les appareils photo plein format en particulier) ont tendance à avoir entre quatre et huit éléments (morceaux de verre). Cinq à six fonctionnent très bien dans la plupart des cas, mais les appareils photo numériques sont plus sensibles aux franges de couleur que le film, donc les objectifs normaux haut de gamme peuvent avoir plus d'éléments que cela pour maximiser la correction. Le multicouche moderne ne pose pas autant de problèmes qu'il y a 20 ou 30 ans.

Les objectifs zoom gèrent une gamme de longueurs focales, donc nécessitent encore plus de correction, de sorte que vous verrez parfois dix, quinze, voire vingt éléments ou plus dans ces objectifs.

Permettez-moi de donner une réponse courte (et non complète) sur les raisons de nombreux éléments. Dans chaque élément, vous avez une sorte d'aberration baril / coussin et des éléments supplémentaires "combattent" dans une certaine mesure avec cela.

Aussi (pour autant que je sache) est préférable de mettre la mécanique d'ouverture entre les éléments (la nécessité d'obtenir un éclairage uniforme sur l'ensemble du plan capteur / film).

Le mécanisme de mise au point automatique devra être assez puissant (f / 2 signifiera 25 mm de diamètre d'élément) en raison de la nécessité de déplacer l'élément en verre relativement soulevé.

Et si vous avez une stabilisation d'image, c'est un groupe (d'un ou plusieurs éléments). Si vous n'avez qu'un seul élément, la construction deviendra assez complexe et vous ne pourrez pas atteindre ce niveau de stabilisation. De plus, vous serez très limité dans le sens des ouvertures car vous devrez déplacer un énorme élément.

Certaines caméras simples peuvent obtenir en utilisant un objectif à élément unique, mais l'image réalisée est de second ordre. De nos jours, même les appareils photo peu coûteux en relativité sont équipés de sept éléments d'objectif individuels. Si l'objectif de la caméra est du type à élément unique, l'image sera entachée de plusieurs défauts qui relèvent de la rubrique «aberration».

L'une de ces aberrations révèle une couleur flinging par laquelle un effet arc-en-ciel multicolore est vu entourant les objets en tant qu'images. Ce qui se passe est; chacune des différentes couleurs qui composent la vue est mise au point à des distances légèrement différentes de l'objectif. Les images de lumière violette, étant les plus réfrangibles, se concentrent d'abord, les images rouges étant les réfrangibles de location, se concentrent plus en aval. Les images composées d'autres couleurs se situent quelque part entre les deux. Ce phénomène est appelé aberration chromatique.

Maintenant, plus l'image est éloignée de l'objectif, plus elle sera grande. En d'autres termes, une lentille souffrant d'aberration chromatique projette plusieurs images, chacune diffère en taille. Le résultat est la couleur la plus associée à l'aberration chromatique. En fait, il existe deux types, longitudinal et transversal. Nous pouvons réduire les propriétés nocives de l'aberration chromatique en utilisant un doublet (lentille à 2 éléments). L'un est fabriqué à l'aide de verre couronne et l'autre flit. L'un a une puissance positive forte, l'autre une puissance négative faible. Lorsqu'elle est prise en sandwich ensemble, la combinaison des aberrations chromatiques moyennes. Cette conception à 2 éléments ne corrige que deux couleurs, nous pouvons ajouter une troisième lentille faisant du sandwich un triplet achromatique (grec achromatique sans erreur de couleur).

En plus du fléau de l'aberration chromatique, il existe 6 autres aberrations majeures (mentionnées par d'autres sur ce post) qui peuvent être atténuées. Techniquement, chacun nécessite une lentille spécialisée quant à la forme et au matériau. Tout cela et plus encore, oblige le concepteur de lentilles à construire une lentille à éléments multiples. Certains éléments sont cimentés ensemble; certains sont des espaces aériens, d'autres se déplacent en groupe lorsque vous zoomez et vous concentrez.

Conclusion: l'objectif fidèle n'a pas encore été fabriqué. Chapeau aux opticiens qui créent ces merveilles pour notre usage et notre plaisir!