像差再見!兩名博士生解決長達 2,000 年的球面像差光學問題

作者 | 發布日期 2019 年 07 月 13 日 0:00 | 分類 數位相機 , 科技趣聞 , 鏡頭 follow us in feedly


當你從相機觀景窗望過去時,發現影像似乎有些模糊,即使購買最貴的鏡頭,問題仍然存在;通常是中心影像很清楚,角落有點模糊,或許這不是鏡頭製造商的錯,而是光學設計問題。早在 2 千多年前,希臘數學家狄奧克勒斯(Diocles)在其著作《Burning Mirrors》就提出這個問題。

這問題稱為像差(Aberration),球面像差是由於鏡片表面以球面磨製,鏡片各區域因折射角度的差異,使透鏡除了中心區,光線不會在相同焦點聚焦。惠更斯在 1690 年出版的《光論》(Treatise on light)也指出此問題,牛頓與萊布尼茲也都試圖解決,但全部失敗(值得一提的是,牛頓發明反射式望遠鏡解決色差,但球面像差卻沒能解決)。

1949 年,物理學家 Wasserman 和 Wolf 提出如何設計沒有球面像差的鏡頭,這問題又稱為 Wasserman-Wolf 問題。他們建議使用非球面鏡片校正球面和彗形像差,但因為鏡面曲率是數值分析計算得到的近似值而非精確值,且非球面鏡片極難製造,因此效果有限又造價昂貴,就是目前精密光學的現況。

2018 年墨西哥國立自治大學(UNAM)兩位博士生解決了長達 2 千年的問題,並發表在《Applied Optics》期刊。他們提出鏡片的曲率公式,之後以電腦模擬 500 條光學路徑,得到滿意的數值結果。公式中他們給了根據透鏡第一個表面,所對應的第二個非球面表面的形狀以及距離,第二表面變化的曲率能校正像差。如何?這個研究結果是不是能讓你期待未來擁有更便宜、更好的鏡頭?

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:Unsplash

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