プライムレンズに複数のレンズ要素があるのはなぜですか？
回答:
実際の厚さの単一レンズは、わずかに異なる角度で光の異なる波長を屈折させます。レンズの正確な光学中心以外の場所では、これはプリズムの効果を引き起こし、レンズの光学中心から遠ざかるほど顕著になります。これを色収差と呼びます。単一のレンズ要素を使用するときに遭遇する唯一の光学収差ではありませんが、おそらく最も目立つものです。
初期のスパイグラス（望遠鏡）はCAと他の光学収差の影響を大きく受けました。光学の分野は、これらの欠陥に対処するために開発され、19世紀半ばに写真が始まる前に望遠鏡に適用され、光に敏感な化学物質を使用してレンズによって投影されたシーンを保存する手段として適用されました。
1600年代、Snellius（「スネルの法則」の起源）とDescartes（作成者またはデカルト幾何学）は、最も初期の屈折と反射の法則を成文化しました。1690年までに、クリスティアンホイヘンスはデカルトの作品に基づいて彼の「Traitéde laLumière」または「Treatise on Light」を書き、数学に基づいて1678年にパリ科学アカデミーに最初に提示された光の波動理論を提示しました。アイザックニュートンは1675年に「光の仮説」と「オプティックス」を公開しました1705年に彼は小球、または粒子としての光の競合理論を発表しました。次の100年ほどの間、ニュートンの光理論は受け入れられ、ホイヘンスの波理論は拒否されました。1821年にアウグスティンジャンフレネルがホイヘンスの原理を採用して初めて、ホイヘンスの波動理論が一般に受け入れられたのは、光の直線伝搬と回折効果を説明できることでした。この原理は現在、ホイヘンス・フレネル原理として知られています。
ニュートンはまた、プリズムが白色光をその構成色のスペクトルに分解し、レンズと2番目のプリズムを使用して、多色スペクトルを、最初のプリズムに当たる前の光と同じ特性を持つ白色光に再構成できることも実証しました。ニュートンの小球理論の詳細はほとんど不正確であることが示されていますが、ホイヘンスによる同様の研究とともに、色と屈折に関する彼の進歩は、色収差を補正する複合レンズの開発につながったものです。
ホイヘンスは独自の複式望遠鏡を構築しましたが、まだ開発されていないアクロマティックレンズの利点はありませんでした。そのため、前部要素と後部要素の間には長い距離が必要でした。ニュートン自身はそれ以上の屈折レンズの開発をしなかった。彼は、屈折によって引き起こされる収差を回避するために、湾曲した第1面反射鏡を使用することによって、この問題を完全に回避することを好みました。実際、彼は、屈折特性の異なる2種類のガラスを使用できるとは考えていなかったため、色収差を補正できないと有名に宣言しました。
Christiaan Huygensの複合チューブレス屈折望遠鏡とNewtonの2番目の反射望遠鏡。
最初の色消しレンズは1733年に作成されました。屈折率の異なる2つの要素を使用して色収差を部分的に補正し、屈折望遠鏡をより短く、より機能的にすることができました。
すぐに3要素アポクロマートが続きました。これは、2要素アクロマートよりも、単純なレンズよりもアクロマートよりも優れた改善でした。
色収差を補正することをレンズメーカーが学んだことの多くは、単純なレンズに固有の他の単色の光学収差にも適用されました。
19世紀にレンズで投影された画像を保存する方法として化学写真が登場した後、写真用のレンズを作った人たちは、主に望遠鏡などに適用されていた光学の分野で以前に学んだことを取り入れました、それを実行しました。上記の17世紀と18世紀に発見された光学原理に基づいた写真レンズ設計の発展に関する良い調査は、Wikipedia の「History of Photographic Lens Design」の記事にあります。（ここに要約を含めるには長すぎて複雑です。）
全体として、複合レンズがさまざまな程度に補正しようとする7つの「古典的な」光学収差があります。これらの収差は、レンズの構造の不完全性の結果ではなく、屈折材料を通過するときの光自体の性質によるものであることに注意してください。これらの収差は、それらの屈折材料が数学的に完全であっても存在します。
- デフォーカス（レンズと結像面の間の距離を変更することで簡単に修正できる最低次数）
- 球面収差
- 昏睡
- 乱視
- 像面湾曲
- 幾何学的歪み
- 色収差
あなたはこれを行うことができます。しかし、あなたの画像は、単純に、あまり良くありません。
光学の早い段階で、屈折望遠鏡と単眼鏡のガリレオガリレイの時代に、単一のガラス要素では非常に良い画像が作成されないことがわかりました。鋭くない傾向があります。色にじみが発生する傾向があります（色が同じ点で焦点を合わせないため）。ゆがみがちです。
そうです、追加の要素を追加することで、これらの悪い行動のほとんどすべてを無力化できます。画像がシャープになります。歪みはなくなります。色は一緒に焦点を当てます。ただし、要素を追加することには独自の問題があります。それぞれの空気対ガラスの表面は、少しの光を反射します。最新のレンズにはこれを最小限に抑えるためのマルチコーティング層がありますが、要素が十分にある場合、光の損失が顕著になり始め、フレアを引き起こして画像に悪影響を与える可能性があります。
したがって、結果として、通常のレンズ（具体的にはフルフレームカメラの50ミリmmレンズ）は4〜8個の要素（ガラス片）を持つ傾向があります。ほとんどの場合、5〜6個で十分に機能しますが、デジタルカメラはフィルムよりも色にじみに敏感であるため、ハイエンドの通常のレンズはこれより多くの要素を使用して補正を最大化できます。現代のマルチコーティングは、これを20年または30年前の場合ほど問題にしません。
ズームレンズはさまざまな焦点距離に対応するため、さらに多くの補正が必要になるため、このようなレンズには10、15、20以上の要素が時々表示されます。
多くの要素の背後にある理由について、短い（そして完全ではない）答えを1つ挙げましょう。すべての要素には、一種の樽型/糸巻き型収差があり、追加の要素はこれによってある程度「戦う」ことができます。
また、（私が知る限り）要素間にアパーチャメカニクスを配置することをお勧めします（センサー/フィルム平面全体に均一な照明を実現する必要性）。
比較的重いガラス要素を動かす必要があるため、オートフォーカスメカニックは非常に強力である必要があります（f / 2は要素の直径25 mmを意味します）。
そして、手ぶれ補正がある場合、これは（1つ以上の要素の）1つのグループです。要素が1つしかない場合、構造は非常に複雑になり、このレベルの安定化に到達できません。また、1つの巨大な要素を移動する必要があるため、開口部の意味で非常に制限されます。
一部の単純なカメラは、単一要素のレンズを使用して取得できますが、実現される画像は二流です。今日では、相対性の高い安価なカメラでさえ、7つのレンズ要素が搭載されています。カメラのレンズが単一要素タイプの場合、「収差」という見出しに該当するいくつかの欠陥によって画像が損なわれます。
そのような収差の1つは、色のフリンジを明らかにし、それによって画像であるオブジェクトの周囲に多色のレインボー効果が見られます。何が起こっているのですか。ビスタを構成するさまざまな色のそれぞれが、レンズからわずかに異なる距離で焦点を合わせます。最も屈折しやすい紫の光の画像が最初に焦点となり、リースの屈折しやすい赤の画像がさらに下流に焦点を合わせます。他の色で構成される画像は、その中間に位置します。この現象を色収差といいます。
レンズから離れるほど、画像は大きくなります。言い換えれば、色収差のあるレンズは複数の画像を投影し、それぞれのサイズが異なります。その結果、色収差に最も関連する色のフリンジが発生します。実際には、縦型と横型の2種類があります。ダブレット（2枚構成のレンズ）を使用することで、色収差の有害性を低減できます。1つはクラウンガラス、もう1つはフリットを使用して作られています。一方には強い正の力があり、他方には弱い負の力があります。挟み込むと、色収差が中程度になります。この2要素の設計は2色のみを補正します。3番目のレンズを追加して、サンドイッチをアクロマティックなトリプレット（色誤差のないアクロマティックギリシャ）にすることができます。
色収差のペストに加えて、軽減できる他の6つの主要な収差（この投稿で他の人が言及）があります。技術的には、それぞれに形状と材料に関して特殊なレンズが必要です。これ以上のことすべてにより、レンズ設計者は多要素レンズを構築する必要があります。いくつかの要素は一緒に接着されています。一部は空域であり、一部はズームして焦点を合わせるとグループとして移動します。
結論：忠実なレンズはまだ作られていません。私たちの使用と楽しみのためにこれらの驚異を生み出す眼鏡技師の帽子！