Để đạt được xử lý hình ảnh ổn định, điều cần thiết là phải lựa chọn đúng ống kính phù hợp nhất cho ứng dụng dựa trên kiến ​​thức về các đặc tính của ống kính. Có nhiều loại thấu kính khác nhau, mỗi loại mang lại hiệu quả khác nhau và được phân loại theo đặc điểm hình dạng và chất liệu của chúng. Bài viết này giới thiệu lịch sử của ống kính từ những ngày đầu ra đời cho đến ngày nay.

Tạo ra thấu kính lõm và lồi

Thấu kính – Lens bắt nguồn từ tên tiếng Latinh là “Lentil”, có nguồn gốc từ khu vực Địa Trung Hải. Đây là một ví dụ về một từ du nhập được Nhật Bản gọi là 'tokyo (gương trong suốt)' trong Thế chiến thứ hai. Nguồn gốc của nó có thể bắt nguồn từ những quả cầu pha lê hoặc thủy tinh được sử dụng làm công cụ tạo lửa trong các nghi lễ tôn giáo hoặc làm phụ kiện trong các nền văn minh cổ đại. Người ta thường chấp nhận rằng nguồn gốc của thấu kính có thể bắt nguồn từ nhà triết học La Mã cổ đại, Seneca, người đã mô tả “các chữ cái có thể được phóng đại bằng một quả cầu pha lê” khoảng 2000 năm trước.

Thấu kính hoạt động dựa trên một nguyên tắc được gọi là “khúc xạ” ánh sáng: ánh sáng uốn cong và thay đổi hướng truyền đi của nó. Thấu kính lồi có dạng hình cầu với phần giữa dày hơn có tác dụng hội tụ các tia sáng; trong khi thấu kính lõm, có dạng thủy tinh giờ với ngoại vi dày hơn, phân kỳ các tia sáng.

Cơ chế khúc xạ và chức năng của thấu kính cầu lõm và thấu kính lồi

Công dụng của Thấu kính Lõm và Lồi

Thấu kính đã được phát triển qua hai lĩnh vực: kính mắt chúng ta đeo hàng ngày trong cuộc sống và các ứng dụng công cụ như thấu kính được sử dụng cho kính hiển vi, kính thiên văn và máy ảnh. Chiếc kính đeo mắt đầu tiên được đưa vào sử dụng thực tế vào thế kỷ 13 thực chất là một chiếc kính đọc sách (kính lúp đơn giản) sử dụng thấu kính lồi. Ban đầu, nó được gọi là “Công cụ của quỷ”. Sau đó, kính mắt có hai thấu kính đã xuất hiện, và kính đeo mắt dành cho người cận thị (cận thị) sử dụng thấu kính lõm được phát minh vào thế kỷ 16.

Cái nào được phát minh đầu tiên, kính hiển vi hay kính thiên văn?

Câu trả lời chính xác là kính hiển vi, nó được phát minh vào cuối thế kỷ 16. Sau đó, một người Anh, Hooke, đã phát triển một kính hiển vi ghép sử dụng hai thấu kính lồi (vật kính và mắt), và gần như cùng thời kỳ, một kính hiển vi một thấu kính lần đầu tiên được phát triển ở Hà Lan. Kính thiên văn được phát minh bởi một người Hà Lan, Lippershey, người này sử dụng thấu kính lồi làm vật kính và thấu kính lõm làm thấu kính mắt. Chính Galileo là người ngay lập tức hoàn thiện phát minh này và sử dụng nó để quan sát thiên văn; ông đã có thể sử dụng thiết bị này để khám phá các vành đai của Sao Thổ. Ngoài ra, một nhà thiên văn học người Đức, Kepler, đã phát minh ra kính thiên văn Keplerian sử dụng thấu kính lồi làm vật kính và thấu kính mắt.

Cơ chế hoạt động của mắt cận thị và kính đeo mắt có thấu kính lõm

Cơ chế của lão thị (viễn thị) và kính đeo mắt có thấu kính lồi

Các loại thấu kính

Thấu kính lõm và thấu kính lồi được chia thành nhiều loại khác nhau bao gồm: thấu kính cầu có bề mặt tròn, thấu kính phi cầu có mặt cong chứ không phải là thấu kính hình cầu, thấu kính hình trụ có mặt lõm, thấu kính hình xuyến có hình dạng như một phần của chiếc bánh vòng và thấu kính Fresnel với bề mặt giống như tấm ván giặt. Trên các thấu kính này, ánh sáng bị khúc xạ trên bề mặt thấu kính. Mặc dù có những loại thấu kính khác bao gồm thấu kính GRIN (thấu kính chỉ số chuyển sắc) tạo ra hiệu ứng quang học bằng cách cung cấp sự biến thiên dần dần của chiết suất đối với vật liệu thấu kính chứ không phải bằng cách khúc xạ trên bề mặt thấu kính hoặc thấu kính nhiễu xạ sử dụng hiện tượng sự lan rộng của sóng ánh sáng. Thấu kính GRIN thường được sử dụng cho nội soi và thấu kính nhiễu xạ cho đầu đĩa CD và DVD.

Ống kính sử dụng sự khúc xạ trên bề mặt	Thấu kính hình cầu
	Thấu kính phi cầu
	Thấu kính hình trụ
	Thấu kính hình xuyến
	Ống kính Fresnel

Thấu kính sử dụng một cơ chế không phải là sự khúc xạ trên bề mặt	Thấu kính GRIN (thấu kính chỉ số gradient)
	Thấu kính nhiễu xạ

         

Các loại hình dạng thấu kính

Tất cả các thấu kính được hiển thị bên dưới sử dụng hiện tượng khúc xạ trên bề mặt thấu kính.

Thay đổi vật liệu ống kính: từ Thủy tinh sang Nhựa

Thấu kính và pha lê thuở ban đầu là những mặt hàng xa xỉ không dễ kiếm được. Việc sản xuất thấu kính thủy tinh bắt đầu tăng lên do sự cải tiến của kỹ thuật chế tạo thủy tinh vào thế kỷ 12; sau đó vào thế kỷ 19 thấu kính thủy tinh quang học có độ trong suốt cao được phát minh. Ống kính quang học đóng vai trò quan trọng trong thế kỷ 20, và hiện nay có hơn 200 loại ống kính. Chúng có thể được chia thành hai loại: loại thủy tinh crao (có khả năng tán sắc thấp) có chỉ số khúc xạ thấp chứa vôi soda và loại thủy tinh flin có chỉ số khúc xạ cao hơn chứa chì. Thấu kính quang học bằng nhựa xuất hiện vào đầu thế kỷ 20, nhưng tốc độ truyền ánh sáng và chỉ số khúc xạ thấp trên các mẫu đầu tiên. Nó lan truyền nhanh chóng sau khi nhựa nhiệt rắn được phát triển vào những năm 1940. Sau sự phát triển mới này, thấu kính nhựa nhiệt dẻo được chế tạo để có độ trong suốt ngang với thủy tinh quang học, nhưng chỉ nặng bằng một nửa. Ống kính nhựa này đã góp phần vào sự phát triển của kính áp tròng và máy ảnh lấy liền vì nó dễ đúc, khó vỡ và chế tạo không tốn kém. Gần đây những thấu kính này đã được sử dụng trong kính đeo mắt và máy ảnh điện thoại di động. Các vật liệu thấu kính khác bao gồm thạch anh, fluorit, gốm sứ trong suốt quang học, halit trong suốt hồng ngoại, silicones và germani.

Thấu kính quang học (kính Crown, kính Flint)

	Chỉ số khúc xạ	Chỉ số Abbe (sự phân tán)	Tính chất của vật liệu
Kính crao	Nhỏ	Lớn (Nhỏ)	Cứng và nhẹ
Kính flin	Lớn	Nhỏ lớn)	Mềm và nặng

Thay đổi ống kính máy ảnh: từ Lấy nét đơn sang Thu phóng

Khi một thấu kính bao gồm một phần tử quang học duy nhất, nó được gọi là “thấu kính đơn giản”; một thấu kính được tạo thành từ một số thành phần quang học được gọi là "thấu kính ghép". Sau năm 1839 khi chiếc máy ảnh halogen đầu tiên bằng bạc, một loại daguerreotype, được phát minh, công nghệ thấu kính ghép đã được cải thiện rất nhiều, thúc đẩy sự phát triển của các loại thấu kính mới. Các loại thấu kính này bao gồm loại Davidson trong đó hai thấu kính khum nối với nhau được đặt đối xứng, loại Petzval giúp rút ngắn thời gian chụp ảnh, loại Triplet với ba thấu kính có thể tách rời đã kế nhiệm loại Petzval, loại Tessar và loại Sonnar. Vào thế kỷ 20, ống kính zoom đã được phát minh. Sự xuất hiện của ống kính zoom có ​​thể thay đổi độ dài tiêu cự trong một ống kính đã đánh dấu một bước đột phá trong sự phát triển của ống kính hiệu suất cao. Những ống kính này bao phủ một trường nhìn rộng bằng cách sử dụng tiêu cự tiêu chuẩn, góc rộng và tiêu cự tele cũng như độ phóng đại cao. Sau đó, nhiều loại biến thể đã được phát triển nhờ khả năng phóng đại, giảm trọng lượng và thu nhỏ kích thước được nâng cao hơn nữa. Thế giới ống kính cũng đã bước vào thời kỳ hệ thống hóa.

Cơ chế của các ống kính máy ảnh khác nhau và ống kính zoom

Công nghệ ống kính mới nhất

Thấu kính được sử dụng hầu như trong mọi thiết bị điện tử: ví dụ: thấu kính chuẩn trực trong ổ đĩa CD-ROM đọc chùm tia laze LED màu đỏ, thấu kính quét trong máy in laze và thấu kính trong ống kính quang học được sử dụng cho đầu đọc mã vạch và ống nội soi. Một ví dụ khác là thấu kính chiếu của một bước tiên tiến (Hệ thống phơi sáng chiếu theo bước và lặp lại) cho phép xử lý chất bán dẫn ở quy mô micron là một thấu kính chính xác được làm bằng các lớp silica thủy tinh chất lượng hàng đầu. Nó được mệnh danh là “vua của các loại ống kính”.

Tóm lại, người ta có thể hỏi, "Ống kính máy ảnh tốt nhất trong lịch sử loài người là gì?" Câu trả lời là "mắt người (thấu kính tinh thể)", có thể tự do điều chỉnh độ dày của nó để đạt được độ dài tiêu cự thích hợp. Trên thực tế, ống kính hiện đại nhất, được mô phỏng theo ống kính tinh thể, hiện đang được phát triển. Nó được gọi là thấu kính lỏng. Thấu kính này được làm từ hai loại chất lỏng có độ dẫn điện, đặc tính cách nhiệt và chỉ số khúc xạ khác nhau có thể tự do thay đổi độ dài tiêu cự bằng cách điều chỉnh độ dày và hình thức của thấu kính bằng cách sử dụng hiệu ứng căng bề mặt. Vì nó không yêu cầu cơ chế lấy nét hay bộ truyền động, nó dự kiến ​​sẽ được sử dụng trong một loạt các ứng dụng thông qua một loạt các ngành công nghiệp từ điện tử gia dụng và thiết bị y tế đến lĩnh vực an ninh.

Cơ chế của công nghệ thấu kính lỏng