Verwirrende Funktionsweise des Objektivs

Linsen teilen Licht genauso wie Prismen. Tatsächlich ist eine Linse effektiv aus winzigen Prismen aufgebaut. Die Aufspaltung des Lichts wird als chromatische Aberration bezeichnet .

Das Objektiv in Ihrer Kamera ist ein zusammengesetztes Objektiv, das (größtenteils) die chromatische Aberration durch die Verwendung von Kombinationen einfacher Objektive beseitigt. Beispielsweise ist die einfachste derartige Linse ein achromatisches Dublett .

Warum teilt die Linse das Licht nicht ... wie Prisma?

Im Allgemeinen tun sie dies in der realen Welt. Sie wird chromatische Aberration genannt.

in seine sieben konstituierenden Farben

Die Bestandteile des sichtbaren Lichts sind ein Kontinuum, nicht sieben verschiedene Farben. Die Art und Weise, wie wir Frequenzbereiche sprachlich bezeichnen, ist willkürlich und variiert von Kultur zu Kultur.

Warum ist das linke Objektiv richtig, nicht das rechte?

Es ist eine Idealisierung. Einige Materialien und einige Designs von Linsen oder Verbundlinsen erzeugen weniger chromatische Aberration. Manchmal verwenden wir das Konzept der idealen Dinge, um grundlegendere Konzepte auf einer einfachen Ebene zu erforschen (z. B. Brechung).

Wie hat die Linse erkannt, dass Strahlen aus der Unendlichkeit kommen oder sich im Fokus befinden und sie entsprechend an einem anderen Punkt konvergieren / divergieren?

a) Objektive wissen nichts. b) Dies lässt sich durch einfache Brechungsgesetze erklären.

Echte Linsen leiden unter chromatischer Aberration , da der Brechungsindex von Glas mit der Wellenlänge des Lichts variiert.

Alles, was eine Linse tut, ist, einfallende Lichtstrahlen zu brechen.
So kommt es vor, dass sich Lichtstrahlen in der Nähe und parallel zur Hauptachse einer Linse nach der Brechung an einem Punkt kreuzen.

Diese Dispersionskurve von Wikipedia Commons zeigt, wie sich der Brechungsindex mit der Wellenlänge ändert. Es ist diese Dispersionseigenschaft, die zur Aufspaltung von Licht in eine Vielzahl von Farben führt, wie bei Prismenvorführungen und Regenbögen beobachtet. Wir sehen, dass es bei Verwendung von Dense Flint für ein Objektiv zu einer ziemlichen Farbaufspaltung kommt. Bei den Krongläsern ist es weniger, und in diesem Diagramm ist die Dispersion (sowie die Brechungsindizes im sichtbaren Bereich) für Fluorit am kleinsten.

Hochwertige Fluoritlinsen werden von Fotografen wegen ihrer sehr geringen chromatischen Aberration geschätzt. Sie sind auch sehr teuer, mit einem 70-200-mm-Zoom für 1200 US-Dollar.

In Bezug auf Ihre zweite Frage ist der Brennpunkt als der Ort definiert , an dem paraxiale Strahlen zusammenlaufen.

Alle anderen Antworten, dass Objektive chromatische Aberration zeigen, sind vollkommen richtig, aber normalerweise zeigen sie sie nicht in etwa so stark wie ein Prisma. Dies liegt daran, dass Prismen typischerweise mit Licht in viel höheren Einfallswinkeln zu ihren Grenzflächen betrieben werden als Linsen. Für einen Einfallswinkel von$\theta$, die Brechung oder Winkelabweichung, die durch die Grenzfläche bewirkt wird, ist nach dem Snellschen Gesetz:

Eine Änderung dieser Abweichung aufgrund einer wellenlängeninduzierten Brechungsindexverschiebung ist also:

Wo$r_n=n_2/n_1$und diese Größe nimmt mit dem Einfallswinkel zu, insbesondere wenn man sich der totalen inneren Reflexion nähert.

Mindestens einer der Einfallswinkel in einem Prisma liegt in der Größenordnung von$45^\circ$; Einen so hohen Winkel wie diesen lässt man beim Objektivdesign selten zu. Der Grund dafür ist, dass die sphärische Aberration grob durch die Nichtlinearität im Snellschen Gesetz verursacht wird; wenn Snells Gesetz wäre$\theta_1/\theta_2=n_2/n_1$, dann würden sphärische Linsen Strahlen wirklich auf einen Punkt fokussieren.

Wann immer man beim Linsendesign eine starke Brechung hat, fügt man viel Aberration hinzu, die an anderer Stelle im Linsensystem auf Null gesetzt werden muss; man neigt daher dazu, mit fein ausbalancierten Unterschieden großer Aberrationen zu enden, und das Design wird außerordentlich empfindlich gegenüber der Positionierung von Linsenelementen. Daher sieht man es immer nur in Anwendungen, bei denen hohe optische Leistungen auf wenigen Oberflächen benötigt werden und die Kosten es rechtfertigen, dass jemand die Linsen beim Aufbau des Systems manuell anpasst. Typischerweise in miniaturisierten, teuren Optiken wie Mikroskopobjektiven.

Wie John Rennie sagt, kann das Stapeln verschiedener Materialien die chromatische Aberration kompensieren. Eine sphärische Oberfläche mit unterschiedlichen Materialien auf beiden Seiten konvergiert bei Wellenlängen, bei denen der Brechungsindex auf der Seite des Krümmungsmittelpunkts größer ist als auf der anderen, und divergiert bei Wellenlängen, wenn der Index dieser Seite kleiner ist und die Oberfläche keine Leistung liefert bei der Wellenlänge, bei der die beiden Indizes gleich sind. Somit kann man solche Oberflächen wählen, um die wellenlängenabhängige optische Leistung an anderer Stelle im System auszugleichen. "Achromatische" Systeme bringen zwei Wellenlängen zu einem gemeinsamen Fokus (normalerweise an beiden Enden des sichtbaren Spektrums), Apochromaten bringen drei Wellenlängen zu einem gemeinsamen Fokus und ich habe in der Vergangenheit ein System entworfen, das sieben Wellenlängen zu einem gemeinsamen Fokus bringt. Unnötig zu erwähnen,