Cameralens

Achtergrond

De cameralens is een uitvinding die probeert de werking van het menselijk oog te dupliceren. Net als het oog ziet de lens een beeld, stelt het scherp en verzendt de kleuren, scherpte en helderheid ervan via de camera naar de fotografische film, die, net als ons geheugen, het beeld vastlegt voor verwerking en toekomstig gebruik. Lenzen zijn gemaakt van optisch glas of plastic. Ze bundelen lichtstralen door ze te breken of te buigen zodat ze elkaar ontmoeten of samenkomen op een gemeenschappelijk punt.

Een eenvoudige lens "ziet" goed door het midden, maar het zicht aan de randen heeft de neiging te vervagen. Vervaging, kleurveranderingen, vervorming van lijnen en kleurhalo's rond objecten worden veroorzaakt door defecten in de lens die aberraties worden genoemd. Sommige aberraties kunnen in de eenvoudige lens worden gecorrigeerd door een of beide oppervlakken zo te vormen dat ze asferisch zijn; asferische krommen variëren zoals de krommen van een parabool, in plaats van constant te blijven zoals de kromming van een bol. Een cameralens vermindert de effecten van aberraties door een eenvoudige lens te vervangen door een groep lenzen die lenselementen worden genoemd. Dit zijn lenzen met verschillende vormen en onderlinge afstanden. De lens wordt complexer naarmate een grotere correctie van het gezichtsvermogen wordt bereikt. De lens zal ook complexer zijn, afhankelijk van de grootte van het diafragma - de opening die licht doorlaat - en het bereik van de hoeken die het "ziet". Het ontwerp van de lens was vroeger afhankelijk van de kunst van de opticien en veel experimenten. Tegenwoordig kunnen computerprogramma's de vorm en afstand van lenselementen aanpassen, hun effecten op elkaar bepalen en de kosten van lensproductie evalueren.

Lenselementen worden meestal beschreven door hun vorm. De bolle lens buigt naar buiten; een biconvexe lens is aan beide zijden naar buiten gebogen en een plano-convexe lens is aan de ene kant plat en aan de andere kant naar buiten gekromd. Er zijn ook concave lenzen, biconcave en plano-concave lenzen. De elementen zijn niet noodzakelijk symmetrisch en kunnen aan de ene kant meer krommen dan aan de andere kant. Verdikking van het midden van de lens ten opzichte van de randen zorgt ervoor dat lichtstralen convergeren of scherpstellen. Lenzen met dikke randen en dunne middenstukken zorgen ervoor dat lichtstralen zich verspreiden. Een complexe cameralens bevat een aantal speciaal gegroepeerde elementen. De combinatie van de compositie, vorm en groepering van de elementen maximaliseert de lichtbuigende eigenschappen van de afzonderlijke elementen om het gewenste beeld te produceren. De lens wordt scherpgesteld door deze dichter of verder van de film of het brandpuntsvlak te verplaatsen. De lens kan worden gedraaid, waardoor de lenselementen in en uit bewegen langs een spiraalvormige schroefdraad die in de behuizing van de lens is gefreesd. Door de lens te draaien, beweegt ook een schaal op de behuizing die de afstand van de beste focus aangeeft.

De stop of diafragma is een gespecialiseerd onderdeel van de lens. Bij eenvoudige camera's is de stop een vaste stop of een ring van zwart plaatstaal die permanent voor de lens is geplaatst. Boxcamera's, studiocamera's en sommige camera's van Europese makelij gebruiken een schuifstop, een strook metaal die tussen de groeven over de voorkant van de lens schuift. Het heeft twee of meer gaten van verschillende grootte die de openingen zijn. Lenzen met een variabele stop hebben een machinaal bewerkte ring aan de buitenkant van de lensvatting, bedrukt met f-stopnummers. Door aan deze ring te draaien kan het membraan worden geopend of gesloten. Dit irisdiafragma werkt net als de iris van het oog door aanpassingen aan verschillende lichtomstandigheden mogelijk te maken.

De lens in een compactcamera is meestal een lens voor algemeen gebruik met een normale brandpuntsafstand die foto's van een afbeelding maakt zoals onze ogen het zien. Lenzen die voor speciale doeleinden zijn ontworpen, worden gebruikt met meer geavanceerde camera's. Telelenzen werken net als verrekijkers of telescopen, en laat een verre afbeelding dichterbij lijken. Groothoeklenzen laten het beeld verder weg lijken; een panoramische lens is een speciaal soort groothoeklens die handig is voor het maken van foto's van uitgestrekte landschappen. Sommige wegwerpcamera's zijn uitgerust met panoramische lenzen. Een fisheye-lens is ook een speciaal soort groothoeklens die het beeld opzettelijk vervormt, zodat het centrale deel wordt vergroot en de buitenste beelddetails worden gecomprimeerd. Fish-eye-lenzen dekken zeer brede hoeken, zoals horizon-tot-horizon-weergaven. Een andere lens voor speciale doeleinden is de lens met variabele focus, ook wel een "zoomlens" genoemd. Het maakt gebruik van beweegbare lenselementen om de brandpuntsafstand aan te passen om dichter bij of verder weg van het onderwerp in te zoomen. Deze lenzen zijn complex en kunnen 12 tot 20 lenselementen bevatten; één lens met variabele focus kan echter verschillende andere lenzen vervangen. Sommige compactcamera's hebben ook beperkte zoom-, telefoto- of groothoekfuncties. De spiegelreflexcamera (SLR) is zo gemaakt dat de fotograaf door de zoeker hetzelfde beeld ziet als de lens. Hierdoor kan de fotograaf het beeld plannen dat op film zal verschijnen met de flexibiliteit van een verscheidenheid aan verwisselbare lenzen.

Geschiedenis

De cameralens is voortgekomen uit optische lenzen die voor andere doeleinden zijn ontwikkeld, en is meegegroeid met de camera en de fotografische film. In 1568 plaatste een Venetiaanse edelman, Daniel Barbaro, een lens over het gat in een cameradoos en bestudeerde de beeldscherpte en focus. Zijn eerste lens was van de bolle bril van een oude man. De astronoom Johann Kepler borduurde voort op Barbaro's experimenten in 1611 door enkele en samengestelde lenzen te beschrijven, beeldomkering uit te leggen en beelden te vergroten door convexe en concave lenzen te groeperen.

In de 19e eeuw hadden de eerste boxcamera's een lens in de opening in de box. De lens keerde het beeld om op een lichtgevoelige plaat aan de achterkant van de doos. Er was geen sluiter om de lens te openen; in plaats daarvan werd een lensdop enkele seconden of langer verwijderd om de plaat bloot te leggen. Verbeteringen in de gevoeligheid van de plaat vereisten manieren om de belichting te beheersen. Er werden maskers met openingen van verschillende grootte gemaakt om in de buurt van de lens te worden ingebracht. Het irisdiafragma is ook ontwikkeld om het diafragma te regelen. De metalen bladen openen en sluiten samen om een ​​cirkelvormige opening te vormen die in diameter kan worden gevarieerd.

In 1841 ontwierp Joseph Petzval uit Wenen een portretlens met een snel diafragma. Voorheen waren lenzen gemaakt voor daguerreotypiecamera's het meest geschikt voor landschapsfotografie. Met de lens van Petzval konden portretten tien keer sneller worden gemaakt en was de kans kleiner dat de foto wazig zou worden. In 1902 ontwikkelde Paul Rudolph de Zeiss Tessar-lens, die als de meest populaire ooit wordt beschouwd. In 1918 produceerde hij de Plasmat-lens, misschien wel de beste cameralens ooit gemaakt. Rudolph werd al snel gevolgd door Max Berek, die scherpe, snelle lenzen ontwierp die ideaal waren voor miniatuurcamera's.

Andere essentiële ontwikkelingen in de lensgeschiedenis zijn lenscoatingtechnologie, het gebruik van zeldzaam aardglas en rekenmethoden die mogelijk zijn gemaakt door de computer. Katharine B. Blodgett ontwikkelde in 1939 technieken om lenzen met een dunne coating te voorzien van een zeepfilm om reflectie te verwijderen en de lichttransmissie te verbeteren. C. Hawley Cartwright zette het werk van Blodgett voort door coatings van metallische fluoriden te gebruiken, waaronder verdampt magnesium en calcium die vier-een-miljoenste waren van een centimeter dik.

Ontwerp

Het ontwerpen van een cameralens begint met het identificeren van de fotograaf die het gaat gebruiken. Wanneer de markt is geïdentificeerd, selecteert de lensontwerper de optische en mechanische materialen, het optische ontwerp, de juiste methode voor het maken van de mechanische onderdelen en, voor autofocuslenzen, het type interface tussen de lens en de camera. Er zijn conventies of patronen voor de verschillende categorieën lenzen, waaronder macro-, groothoek- en telelenzen, dus sommige ontwerpaspecten zijn gestandaardiseerd. Vooruitgang in materialen geeft ontwerpers veel uitdagingen Een groep lenzen, lenselementen genaamd, die verschillende vormen en afstanden hebben, vormen de cameralens . Het ontwerp van de lens was vroeger afhankelijk van de kunst van de opticien en veel experimenten. Tegenwoordig kunnen computerprogramma's de vorm en afstand van lenselementen aanpassen, hun effecten op elkaar bepalen en de kosten van lensproductie evalueren. opties echter. Bij het selecteren van materialen moet de ingenieur rekening houden met een reeks metalen voor de componenten en verschillende soorten brillen en kunststoffen voor de lenzen, terwijl hij rekening houdt met de uiteindelijke kosten voor de fotograaf.

Wanneer de ontwerper het ontwerp heeft voltooid, worden de prestaties getest door computersimulatie. Computerprogramma's die specifiek zijn voor lensfabrikanten vertellen de ontwerper wat voor soort afbeelding of afbeelding de lens zal produceren in het midden van het beeld en aan de randen voor het bereik van de lenswerking. Ervan uitgaande dat de lens de computersimulatietest doorstaat, worden de aanvankelijk gekozen prestatiecriteria opnieuw beoordeeld om te bevestigen dat de lens voldoet aan de vastgestelde behoeften. Er wordt een prototype gemaakt om de werkelijke prestaties te testen. De lens is getest onder verschillende temperatuur- en omgevingsomstandigheden, bij elke diafragmapositie en bij elke brandpuntsafstand voor zoomlenzen. Doelkaarten in een laboratorium worden gefotografeerd, evenals veldomstandigheden met wisselend licht en schaduw. Sommige lenzen verouderen snel in laboratoriumtests om hun duurzaamheid te controleren.

Extra ontwerpwerk is nodig als de lens automatisch scherpstelt, omdat de autofocus (AF) -module moet werken met een reeks camerabody's. De AF-module vereist zowel software als mechanisch ontwerp. Vanwege hun complexe functies en omdat de software op elke lens is afgestemd, worden er uitgebreide prototypetests uitgevoerd op deze lenzen.

Grondstoffen

De grondstoffen voor de lenzen zelf, de coating, het vat of de behuizing voor de cameralens en lensbevestigingen worden hieronder beschreven in de productiesectie.

Het fabricageproces

Slijpen en polijsten van lenselementen

• 1 Optisch glas wordt door gespecialiseerde leveranciers aan lensfabrikanten geleverd. Meestal wordt het geleverd als een "geperste plaat" of gesneden glasplaat waaruit de elementen worden gesneden. De glaselementen worden gevormd tot concave of convexe vormen door een curve-generatormachine die een eerstestapsslijpmachine is. Om de specificaties voor zijn vorm te bereiken, doorloopt een lens een reeks processen waarin hij wordt gemalen door deeltjes in water te polijsten. De polijstdeeltjes worden bij elke stap kleiner naarmate de lens wordt verfijnd. Het genereren van curven en het daaropvolgende slijpen variëren in snelheid, afhankelijk van de kwetsbaarheid, zachtheid en oxidatie-eigenschappen van de optische materialen.

  Na het slijpen en polijsten worden de elementen gecentreerd zodat de buitenrand van de lens perfect in omtrek is ten opzichte van de hartlijn of optische as van de lens. Lenzen gemaakt van plastic of gebonden glas en hars worden geproduceerd door dezelfde processen. Gebonden materialen worden gebruikt om lenzen te maken met niet-sferische oppervlakken, en deze lenzen worden 'hybride asferische stoffen' genoemd. De asferische oppervlakken van deze lenzen worden tijdens het centreren voltooid.

Lenzen coaten

• 2 Gevormde lenzen zijn gecoat om het materiaal te beschermen tegen oxidatie, om reflecties te voorkomen en om te voldoen aan de vereisten voor "ontworpen spectrumtransmissie" of kleurbalans en -weergave. De lensoppervlakken worden zorgvuldig gereinigd voordat ze worden gecoat. Technieken voor het aanbrengen van coatings en de coatings zelf zijn belangrijke verkoopargumenten voor lenzen van een fabrikant en zijn zorgvuldig bewaarde geheimen. Sommige soorten coatings omvatten metaaloxiden, lichtgelegeerde fluoriden en kwartslagen die door middel van een vacuümproces op lenzen en spiegels worden aangebracht. Er kunnen meerdere lagen coating worden aangebracht voor de beste kleur- en lichttransmissie, maar overmatige coating kan het licht dat door de lens gaat verminderen en de bruikbaarheid ervan beperken.

Het vat produceren

• 3 De loop omvat het chassis dat de verschillende lenselementen ondersteunt en de cosmetische buitenkant. Metalen vattingen, groeven en bewegende delen van de lens zijn van cruciaal belang voor de prestaties van de lens en worden met zeer specifieke toleranties bewerkt. Lensbevestigingen kunnen zijn gemaakt van messing, aluminium of plastic. De meeste metalen vatcomponenten zijn gegoten en machinaal bewerkt. Metalen steunen gaan langer mee, behouden hun afmetingen, kunnen nauwkeuriger worden bewerkt en kunnen indien nodig worden gedemonteerd om elementen te vervangen. Kunststof houders zijn minder duur en lichter van gewicht. Als het vat is gemaakt van technisch plastic, wordt het geproduceerd door een zeer efficiënte en nauwkeurige methode van spuitgieten. De binnenoppervlakken van het vat zijn ook gecoat om ze te beschermen en om interne reflectie en overstraling te voorkomen.

De lens in elkaar zetten

• 4 Andere delen van de lens, zoals het diafragma en de autofocusmodule, worden als subassemblages geproduceerd. Het irisdiafragma is gemaakt van gebogen bladeren die uit dunne platen metaal zijn gesneden. De metalen bladeren worden op hun plaats gehouden door twee platen. De ene plaat is vast, de andere beweegt en heeft sleuven voor schuifpennen. Deze schuiven de bladeren terug naar de loop om het diafragma te openen of naar het midden om de opening te sluiten wanneer de f-stopring wordt gedraaid. Het diafragma wordt op zijn plaats vastgemaakt wanneer de lensvatting aan het uiteinde van de loop is bevestigd. De autofocus is ook toegevoegd, de optische elementen zijn gepositioneerd en de lens is verzegeld. Na de eindmontage wordt de lens afgesteld en rigoureus gecontroleerd. Het moet voldoen aan de ontwerpnormen voor optische resolutie, mechanische functie en autofocusrespons. Lenzen kunnen ook worden getest door ze te onderwerpen aan schokken, vallen en trillingen.

Kwaliteitscontrole

De benaderingen voor het vervaardigen van lenzen verschillen sterk tussen bedrijven. Sommige gebruiken volledige automatisering, waaronder industriële robot s om hun producten te maken, gebruiken anderen grote assemblagelijnen en weer anderen zijn trots op handwerk. Kwaliteit en precisie zijn echter essentieel voor de productie van lenzen, ongeacht de productiemethode. Inkomende materialen en componenten worden streng gecontroleerd op kwaliteit en naleving van technische specificaties. Geautomatiseerde processen worden ook voortdurend gecontroleerd en onderworpen aan tolerantiecontroles. Handwerk wordt alleen uitgevoerd door bekwame ambachtslieden met een jarenlange opleiding. Kwaliteitscontrole en stresstests zijn opgenomen in elke fabricagestap, en elementen en componenten worden gemeten met nauwkeurige instrumenten. Sommige meettoestellen zijn lasergestuurd en kunnen afwijkingen van minder dan 0,0001 millimeter in een lensoppervlak of in lenscentrering detecteren.

De Toekomst

Cameralenzen genieten op veel terreinen van nieuwe ontwikkelingen. De belangstelling van de consument voor de beste foto's voor de laagste kosten heeft geleid tot wegwerpcamera's met eenvoudige maar effectieve lenzen. Lenzen voor professionele fotografen en voor gespecialiseerd gebruik, zoals hoogwaardige verrekijkers of telescopen, worden gemaakt met exotische en "niet-voorkeur" brillen die gevoeliger, duurder en moeilijker te verkrijgen zijn dan traditionele materialen. Deze materialen worden "abnormale dispersie"-materialen genoemd omdat ze alle kleuren in het licht dat door de lens gaat, samenvoegen om de beste beelden te produceren, in plaats van kleuren te laten verspreiden als een eenvoudige lens. Water en andere vloeistoffen buigen ook licht, en wetenschappers hebben vloeistoffen geïdentificeerd die abnormaal verspreid zijn en tussen lagen gewoon glas kunnen worden opgesloten om dezelfde beeldkwaliteit te produceren als exotisch optisch glas. Het gewone of "voorkeurs" glas (bij voorkeur vanwege de lage kosten en verwerkbaarheid) wordt rond de vloeistof gebonden met flexibele siliconenlijm. De resulterende "vloeibare lens" kan verschillende elementen in een lens van professionele kwaliteit vervangen. Het vermindert ook de vereiste coating en de hoeveelheid lenspolijsten die nodig is omdat de vloeistof onvolkomenheden in het glas opvult. De kosten van de lens worden verlaagd en de lichttransmissie-eigenschappen zijn verbeterd. Lensfabrikanten in de VS, Japan en Europa bereiden zich voor om in de nabije toekomst vloeibare lenzen te gaan produceren.