Khoa học về sự truyền dẫn của thấu kính và mất mát ánh sáng

Cơ sở của sự truyền ánh sáng

Độ truyền sáng là tỷ lệ ánh sáng đi qua một thành phần thấu kính hoặc toàn bộ hệ thống thấu kính. Lý tưởng nhất là một thấu kính sẽ truyền 100% ánh sáng tới, nhưng trên thực tế, điều này là không thể do nhiều hạn chế vật lý khác nhau. Lượng ánh sáng bị mất trong quá trình truyền có liên quan trực tiếp đến khả năng truyền sáng của thấu kính, thường được biểu thị dưới dạng phần trăm.

Có một số yếu tố góp phần gây mất ánh sáng trong thấu kính:

• Phản xạ: Xảy ra tại mỗi giao diện không khí-thủy tinh khi ánh sáng chuyển tiếp giữa các môi trường có chiết suất khác nhau.
• Hấp thụ: Năng lượng ánh sáng được hấp thụ bởi chính vật liệu thấu kính, chuyển hóa thành nhiệt.
• Sự tán xạ: Các khuyết điểm trong vật liệu thấu kính có thể làm tán xạ ánh sáng, làm giảm cường độ và hướng của ánh sáng.

Phản xạ và khúc xạ

Khi ánh sáng gặp ranh giới giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau, chẳng hạn như không khí và thủy tinh, nó trải qua cả phản xạ và khúc xạ. Khúc xạ là sự bẻ cong ánh sáng khi nó đi từ môi trường này sang môi trường khác, đây là nguyên lý cơ bản đằng sau cách thấu kính hội tụ ánh sáng.

Tuy nhiên, một phần ánh sáng cũng bị phản xạ trở lại tại giao diện. Lượng ánh sáng phản xạ phụ thuộc vào góc tới và sự khác biệt về chiết suất giữa hai môi trường. Ánh sáng phản xạ này không góp phần tạo nên hình ảnh và được coi là mất mát ánh sáng.

Giảm thiểu phản xạ là rất quan trọng để tối đa hóa khả năng truyền dẫn của ống kính. Đây là lúc lớp phủ quang học phát huy tác dụng.

Lớp phủ quang học: Tăng cường khả năng truyền dẫn

Lớp phủ quang học là lớp vật liệu mỏng được phủ lên bề mặt thấu kính để giảm phản xạ và tăng khả năng truyền dẫn. Các lớp phủ này hoạt động dựa trên nguyên lý giao thoa.

Khi ánh sáng phản chiếu từ bề mặt lớp phủ và bề mặt kính bên dưới, các sóng phản xạ có thể giao thoa với nhau. Bằng cách lựa chọn cẩn thận vật liệu và độ dày của lớp phủ, sự giao thoa có thể trở nên phá hủy, triệt tiêu hiệu quả ánh sáng phản xạ.

Có nhiều loại lớp phủ khác nhau, mỗi loại có đặc điểm và ứng dụng riêng:

• Lớp phủ đơn: Loại đơn giản nhất, có hiệu quả trong việc giảm phản xạ ở bước sóng cụ thể.
• Lớp phủ nhiều lớp: Bao gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau, cung cấp khả năng giảm phản xạ băng thông rộng hơn và cải thiện khả năng truyền dẫn trên phạm vi bước sóng rộng hơn.
• Lớp phủ băng thông rộng: Được thiết kế để giảm thiểu sự phản xạ trên toàn bộ quang phổ khả kiến.

Các ống kính hiện đại thường sử dụng lớp phủ băng thông rộng nhiều lớp để đạt được tốc độ truyền dẫn rất cao.

Sự hấp thụ và tán xạ

Bên cạnh sự phản xạ, sự hấp thụ và tán xạ cũng góp phần làm mất ánh sáng. Sự hấp thụ xảy ra khi bản thân vật liệu thấu kính hấp thụ năng lượng ánh sáng, chuyển đổi nó thành nhiệt. Lượng hấp thụ phụ thuộc vào tính chất của vật liệu và bước sóng ánh sáng.

Sự tán xạ xảy ra khi ánh sáng gặp phải những khiếm khuyết hoặc không đồng nhất trong vật liệu thấu kính. Những khiếm khuyết này có thể làm lệch ánh sáng khỏi đường đi ban đầu của nó, làm giảm độ sắc nét và độ tương phản của hình ảnh.

Vật liệu tròng kính chất lượng cao, có độ hấp thụ thấp và ít khuyết điểm là điều cần thiết để giảm thiểu những tác động này.

Tác động của thiết kế ống kính

Thiết kế thấu kính đóng vai trò quan trọng trong việc truyền ánh sáng. Số lượng thành phần thấu kính, hình dạng của chúng và loại kính được sử dụng đều ảnh hưởng đến tốc độ truyền ánh sáng tổng thể.

Ống kính có ít thành phần hơn thường có độ truyền cao hơn vì có ít giao diện không khí-kính hơn nơi có thể xảy ra phản xạ. Tuy nhiên, thiết kế ống kính phức tạp thường yêu cầu nhiều thành phần hơn để hiệu chỉnh quang sai và đạt được hiệu suất quang học mong muốn.

Việc lựa chọn kính cũng quan trọng. Các loại kính khác nhau có chỉ số khúc xạ và đặc tính hấp thụ khác nhau. Các nhà thiết kế ống kính cẩn thận lựa chọn các loại kính để tối ưu hóa cả hiệu suất quang học và khả năng truyền ánh sáng.

T-Stop so với F-Stop

Trong khi f-stop biểu thị khả năng thu sáng lý thuyết của ống kính dựa trên tiêu cự và đường kính khẩu độ, t-stop (khẩu độ truyền) cung cấp phép đo chính xác hơn về lượng ánh sáng thực tế đi qua ống kính.

T-stop tính đến sự mất mát ánh sáng do phản xạ, hấp thụ và tán xạ. Một ống kính có t-stop là T2.8 truyền ít ánh sáng hơn một ống kính hoàn hảo về mặt lý thuyết ở f/2.8.

T-stop đặc biệt quan trọng trong quay phim, nơi độ phơi sáng nhất quán đóng vai trò quan trọng trong quá trình biên tập liền mạch.

Ý nghĩa thực tế

Hiểu được khả năng truyền sáng và mất sáng của ống kính có một số ý nghĩa thực tế đối với các nhiếp ảnh gia và nhà quay phim:

• Độ phơi sáng: Biết được đặc tính truyền sáng của ống kính giúp thiết lập độ phơi sáng chính xác hơn.
• Lựa chọn ISO: Có thể cần cài đặt ISO cao hơn để bù cho tình trạng mất ánh sáng trong các ống kính có tốc độ truyền thấp hơn.
• Lựa chọn ống kính: Khi ánh sáng bị hạn chế, việc lựa chọn ống kính có độ truyền sáng cao có thể cải thiện chất lượng hình ảnh.
• Độ hoàn màu: Lớp phủ cũng có thể ảnh hưởng đến độ hoàn màu. Lớp phủ chất lượng cao giúp duy trì sự cân bằng màu chính xác.

Bằng cách cân nhắc những yếu tố này, các nhiếp ảnh gia và nhà quay phim có thể đưa ra quyết định sáng suốt về việc lựa chọn ống kính và kỹ thuật quay để đạt được kết quả tối ưu.

Cuối cùng, việc giảm thiểu mất mát ánh sáng thông qua thiết kế ống kính cẩn thận, vật liệu chất lượng cao và lớp phủ tiên tiến là điều cần thiết để tối đa hóa độ sáng, độ tương phản và chất lượng tổng thể của hình ảnh.