Trong thời cổ đại, chúng ta thấy các ví dụ về các tinh thể phóng đại hình thành một mặt lồi hình dạng sớm nhất vào thế kỷ thứ 7 trước Công nguyên. Liệu người dân thời kỳ đó có sử dụng chúng cho mục đích khai hỏa hay tầm nhìn hay không vẫn chưa rõ ràng. Tuy nhiên, người ta vẫn nói nổi tiếng rằng Hoàng đế Nero của La Mã đã xem trò chơi đấu sĩ qua một viên ngọc lục bảo.
Không cần phải nói, những góc nhìn mà chúng ta có được qua các ống kính hiện đại thực tế hơn rất nhiều. Vậy chúng ta đã làm cách nào để chuyển từ hệ thống kính lúp đơn giản đến hệ thống thấu kính phức tạp mà chúng ta thấy ngày nay? Chúng tôi bắt đầu với một hành trình nhanh chóng qua lịch sử của máy ảnh và ống kính, và chúng tôi sẽ kết thúc với thiết kế ống kính tiên tiến cho máy ảnh điện thoại thông minh và tai nghe VR.
Lý thuyết và thực hành
Các triết gia và nhà khoa học trên hầu hết các nền văn hóa và thời kỳ đã nghĩ về ánh sáng. Các lý thuyết hiện đại về ánh sáng của chúng ta có từ những năm 1600, và công trình của các nhà khoa học như Johannes Kepler, Willebrord Snellius, Issac Newton và Christiaan Huygens. Tất nhiên, nó không phải là không có tranh cãi. Netwon và nhiều người khác đã đưa ra ý tưởng rằng ánh sáng là một hạt chuyển động theo đường thẳng giống như một tia sáng, trong khi Huygens và những người khác đề xuất rằng ánh sáng hoạt động giống như một làn sóng hơn. Trong một thời gian, trại của Newton đã thắng.
Điều này đã thay đổi vào những năm 1800 khi các thí nghiệm giao thoa của Thomas Young cho thấy dữ liệu mà không lý thuyết hạt nào có thể giải thích được. Fresnel, năm 1821, đã mô tả ánh sáng không phải là sóng dọc mà là sóng ngang. Điều này đã trở thành lý thuyết thực tế cho ánh sáng, được gọi là nguyên lý Huygens-Fresnel cho đến khi lý thuyết điện từ của Maxwell ra đời và kết thúc kỷ nguyên của quang học cổ điển.
Trong khi đó, kính đeo mắt thực tế có thể đã được phát minh ra ở miền trung nước Ý vào khoảng năm 1290. Kính đeo mắt lan rộng khắp thế giới và các nhà sản xuất kính đeo mắt cũng bắt đầu chế tạo kính thiên văn. Bằng sáng chế đầu tiên cho kính thiên văn được nộp vào năm 1608 tại Hà Lan. Tuy nhiên, đơn xin cấp bằng sáng chế đã không được cấp vì vào thời điểm đó kính thiên văn đã khá phổ biến. Những kính thiên văn khúc xạ này khá phổ biến và thường là những hệ thống hai phần tử đơn giản. Kính thiên văn phản xạ như kính thiên văn do Newton chế tạo năm 1668 được chế tạo một phần để chứng minh lý thuyết của ông về sắc sai. Cuối cùng, hầu hết đều đúng, ông đã chứng minh rằng thấu kính khúc xạ ánh sáng đến một tiêu điểm nhưng các bước sóng khác nhau sẽ khúc xạ khác nhau. Điều này có nghĩa là màu sắc có các tiêu điểm khác nhau, làm biến dạng hình ảnh.
Khi phim đến hiện trường, người ta phát hiện ra rằng máy ảnh cũng bị quang sai cầu - ống kính không thể lấy nét hình ảnh trên một mặt phẳng phẳng rộng. Charles Chevalier đã tạo ra một thấu kính tiêu sắc có thể kiểm soát cả quang sai màu và quang sai hình cầu. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là khẩu độ ở phía trước khá nhỏ (f / 16), khiến thời gian phơi sáng lên đến hai mươi hoặc ba mươi phút.
Mặc dù không hữu ích cho máy ảnh, ống kính mới ra đời vào khoảng thời gian này vào năm 1818 và cứu được hàng trăm, nếu không muốn nói là hàng nghìn con tàu. Ủy ban Hải đăng Pháp đã thuê Fresnel thiết kế ống kính và nó đã hoạt động khá tốt. Có lẽ vì thành công này mà vào năm 1840, chính phủ Pháp đã đưa ra giải thưởng cho ai có thể đưa ra một ống kính có thể giảm thời gian phơi sáng trong máy ảnh.
”Data-medium-file =” https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/06/Lens_Petval_1841.jpg?w=398 ″ data-large-file = ”https://hackaday.com/wp -content / uploads / 2022/06 / Lens_Petval_1841.jpg? w = 623 ″ loading = ”lazy” class = ”wp-image-540893 size-medium” src = ”https://hackaday.com/wp-content/uploads /2022/06/Lens_Petval_1841.jpg?w=398 ″ alt = ”Một thiết kế ống kính chân dung của Petval người Áo vào năm 1841, một trong những thiết kế ống kính 2 thành phần sớm nhất dành cho nhiếp ảnh” width = ”398 ″ height =” 400 ″ srcset = ”Https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/06/Lens_Petval_1841.jpg 1056w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/06/Lens_Petval_1841.jpg?resize=250,250 250w , https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/06/Lens_Petval_1841.jpg?resize=398,400 398w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/06/Lens_Petval_1841.jpg? resize = 623,625 623w ”kích thước =” (max-width: 398px) 100vw, 398px ”>
Joseph Petzval là một giáo sư toán đã đảm nhận thử thách được đưa ra. Tám máy tính pháo binh của con người đã được cho mượn trong dự án của anh ấy bằng một chiếc máy bắn cung trong sáu tháng - đây là một thiết kế tiên tiến. Cuối cùng, anh ấy đã không được trao giải thưởng vì anh ấy không phải là người Pháp, nhưng ống kính của anh ấy là hoạt động tốt nhất trong số những tác phẩm được gửi năm đó.
Ống kính của Petzval là một trong những hệ thống thấu kính bốn thành phần đầu tiên và là một trong những ống kính đầu tiên được thiết kế đặc biệt cho máy ảnh chứ không phải là một bộ phận che khuất của máy ảnh hoặc kính thiên văn. Kết quả là, nó là một thiết kế ống kính thịnh hành trong thế kỷ tiếp theo. Mặc dù các tinh chỉnh khác là phổ biến, nhưng chúng chủ yếu được thực hiện thông qua thử và sai thay vì quay trở lại cơ sở toán học đã tạo ra ống kính ngay từ đầu.
Bước tiến tiếp theo là vào năm 1890 với Zeiss Protar, sử dụng các loại kính mới với các chỉ số khúc xạ khác nhau và các đặc tính quang học khác. Việc kết hợp các kính khác nhau với nhau tạo ra một thấu kính có thể hiệu chỉnh hầu hết các quang sai. Loại ống kính này được gọi là một Anastigmat, và Protar là người đầu tiên.
Có nhiều lịch sử hơn ở đây xung quanh sự nổi lên của các nhà sản xuất ống kính Nhật Bản và sự sụp đổ của các nhà sản xuất ống kính Đức. Nhưng chúng ta sẽ bỏ qua điện thoại thông minh.
Điện thoại thông minh hiện đại
Chúng tôi đã thảo luận ngắn gọn về nó trong bài viết dài hơn của chúng tôi nói về những gì tạo nên một chiếc điện thoại thông minh. Nhưng các ống kính của điện thoại thông minh hiện đại rất phức tạp vì chúng phải xử lý việc thu đủ ánh sáng trong khi nhỏ. Một nguồn tài nguyên tuyệt vời có phải bài đăng blog này chúng tôi đã liên kết với trong bài báo trên.
Nhiều điện thoại thông minh ngày nay vẫn sử dụng hệ thống thấu kính ba thành phần, lấy cảm hứng từ Cooke sinh ba.
Nó có ưu điểm là khá dễ giải thích và chế tạo tương đối đơn giản. Thấu kính đầu tiên có công suất quang học cao và chỉ số khúc xạ và tán sắc thấp vì chúng tôi không thể sửa những quang sai như vậy. Thấu kính thứ hai bù trừ mọi quang sai xảy ra ở thấu kính thứ nhất và là một vật liệu khác, giúp giảm hiệu ứng hình cầu mà thấu kính thứ nhất tạo ra. Thấu kính thứ ba hiệu chỉnh sự biến dạng từ hai thấu kính đầu tiên và làm phẳng các tia lên mặt phẳng ảnh.
”Data-medium-file =” https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/06/mobile-iPhone_USP20170299845.png?w=400 ″ data-large-file = ”https://hackaday.com /wp-content/uploads/2022/06/mobile-iPhone_USP20170299845.png?w=639 ″ loading = ”lazy” class = ”wp-image-541196 size-medium” src = ”https://hackaday.com/wp -content / uploads / 2022/06 / mobile-iPhone_USP20170299845.png? w = 400 ″ alt width = ”400 ″ height =” 330 ″ srcset = ”https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/06 /mobile-iPhone_USP20170299845.png 639w, https://hackaday.com/wp-content/uploads/2022/06/mobile-iPhone_USP20170299845.png?resize=250,206 250w, https://hackaday.com/wp-content/uploads /2022/06/mobile-iPhone_USP20170299845.png?resize=400,330 400w ”kích thước =” (max-width: 400px) 100vw, 400px ”>
Sau đó, chúng tôi đột ngột đi đến một cái gì đó như thế này. Nhìn vào ống kính. Không ai trong số chúng là hình cầu đáng yêu. Thay vào đó, chúng kỳ lạ và bí ẩn.
Đây là ống kính được xếp chồng lên nhau từ khoảng iPhone 7 - không rõ bằng sáng chế nào đã được sử dụng cho điện thoại nào. Ống kính phía trước có công suất quang học cao và ống kính thứ hai cố gắng khắc phục điều đó. Nhưng sau đó, bốn thấu kính cuối cùng đều là những hình thù kỳ quái để khắc phục hiện tượng méo hình và quang sai hình cầu.
Không giống như các máy ảnh lớn hơn, hầu hết các ống kính trong điện thoại di động đều có cùng chất liệu. Tại sao? Câu trả lời đơn giản là họ phải làm vậy. Ống kính của điện thoại thông minh chủ yếu bằng nhựa chứ không phải bằng thủy tinh. Trái ngược với những gì bạn có thể nghĩ, khiến họ trở nên nhựa phức tạp hơn thủy tinh. Bất kỳ ai đã từng làm việc với nhựa thông đều có thể cho bạn biết rằng để có được nhựa trong suốt không có khuyết tật không phải là điều dễ dàng. Chất dẻo mà chúng ta có thể sử dụng cho thấu kính chỉ có hai loại chính, với hai chỉ số khúc xạ để lựa chọn. Thủy tinh có nhiều dạng, được pha tạp với nhiều vật liệu khác nhau để có được những con số IoR và Abbe kỳ lạ. Trên thực tế, một số các ống kính máy ảnh kỳ lạ hơn có các chất phóng xạ như thori trong đó. Tuy nhiên, chất dẻo có thể tạo thành những hình dạng độc đáo tốt hơn so với thủy tinh. Việc gắn thủy tinh vào bất cứ thứ gì khác ngoài hình cầu rất khó để mở rộng quy mô và sản xuất một cách nhất quán. Nhựa được đúc và có thể ở bất kỳ hình thức nào bạn muốn.
Ngoài ra, có rất nhiều tính năng khác mà điện thoại thông minh cung cấp, chẳng hạn như ổn định hình ảnh quang học sử dụng MEMS để di chuyển ống kính theo chuyển động. Tất nhiên, điều này đòi hỏi phải di chuyển một hoặc nhiều ống kính hoặc thậm chí chính mô-đun máy ảnh, điều này gây ra một loạt vấn đề vì mỗi ống kính có một vai trò cụ thể trong việc xử lý quang sai. Trong iPhone 12 mới nhất, cảm biến hình ảnh CMOS di chuyển thay vì ống kính. Điều này cho phép các ống kính giữ lại phần lớn công suất quang học của chúng trong khi vẫn hiệu chỉnh quang sai.
Tai nghe VR
Nếu nhiếp ảnh thúc đẩy sự đổi mới ống kính vào những năm 1800, thì có lẽ điện thoại di động đã thúc đẩy nó vào những năm 2000. Nhưng có một ứng dụng nich nữa có thể làm rung chuyển mọi thứ trong tương lai gần: VR. Hiện tại, tai nghe VR có kích thước lớn và cồng kềnh. Họ cảm thấy như vậy một phần là do phần lớn trọng lượng của họ đang rời khỏi khuôn mặt của bạn, kéo xuống khó hơn. Nếu tai nghe có thể mỏng hơn, điều đó sẽ mang lại trải nghiệm thoải mái hơn.
Hiện tại, phần lớn số lượng đó đến từ các ống kính và khoảng cách cần thiết để lấy nét hình ảnh sao cho hình ảnh trông chính xác khi bật tai nghe. Gần đây, Facebook / Oculus / Meta đã giới thiệu một số tai nghe nguyên mẫu và một số đã cố gắng giải quyết vấn đề này. Tùy thuộc vào nơi người dùng đang nhìn, tai nghe thực hiện những việc như thay đổi mặt phẳng tiêu cự và khắc phục sự biến dạng ống kính trong phần mềm một cách nhanh chóng.
Tương lai của ống kính
Một số người nói rằng chúng ta có thể loại bỏ hoàn toàn ống kính. Một số công ty, chẳng hạn như Metalenz, đang chế tạo ống dẫn sóng từ cấu trúc nano silicon. Ưu điểm là nó có thể được đóng gói ngay trên đầu cảm biến hình ảnh CMOS mà không cần bất kỳ vỏ phức tạp nào. Bởi vì các hệ thống đã từng sử dụng hàng chục thấu kính để có được độ chính xác và mức độ méo thấp cần thiết có thể được nén xuống chỉ còn một lớp, nó sẽ cho phép máy ảnh thông thường và máy đo quang phổ thu nhỏ lại.
Ngoài ra, đây là điều mà tai nghe VR rất quan tâm, vì ống dẫn sóng có thể được tích hợp vào màn hình cho phép trường nhìn rộng hơn với trọng lượng và khối lượng nhỏ hơn. Tương lai chắc chắn có rất nhiều phát triển mới thú vị cho thiết kế ống kính. Khi chúng ta hướng tới các ống kính không bị biến dạng trong nhiều tình huống hơn với nhiều khả năng kiểm soát hơn, có một số quay lại các ống kính cũ hơn. Đôi khi đó là vì nỗi nhớ và đôi khi là vì họ thích vẻ ngoài. Có lẽ nếu Emporer Nero liếc qua nhiều ống kính, máy ảnh và tai nghe VR khác nhau của chúng ta ngày nay, thì anh ấy vẫn có thể thích màu hồng ngọc, biến dạng quang học và tất cả.
