Chúng ta thường gặp những kí hiệu như ASPH hay ASP trên những ống kính cao cấp, nhưng chúng là gì? Ký hiệu này không phải dùng để chỉ đặc tính kỹ thuật vật liệu của thấu kính mà cho người dùng biết được trong ống kính có sử dụng một hoặc nhiều thấu kính có hình dạng đặc biệt được gọi là thấu kính phi cầu (Asperical Lens) dùng để giảm thiểu hiện tượng cầu sai.
Aspherical là gì?
Aspherical Lens – Thấu kính phi cầu (ASPH hay ASP ) là ký hiệu dùng để chỉ đặc tính kỹ thuật vật liệu của thấu kính mà cho người dùng biết được trong ống kính có sử dụng một hoặc nhiều thấu kính có hình dạng đặc biệt dùng để giảm thiểu hiện tượng cầu sai.
Spherical Aberration là gì
Spherical Aberration hay cầu sai là hiện tượng các tia sáng đơn sắc song song khi đi qua thấu kính, không khúc xạ đồng hội tụ tại cùng tại một điểm. Hệ quả là ảnh sẽ mất nét và độ phân giải quang học (MTF – modulation tranfer function) thấp. Không nên lẫn lộn giữa cầu sai (aspherical aberration) và sắc sai (chromatic aberration) – là hiện tượng các góc ló của các quang phổ khác nhau do vận tốc ánh sáng của các quang phổ khác nhau.
Aspherical lens như tên gọi của nó là thấu kính phi cầu, nó không mang hình dáng của thấu kính bình thường là hình cầu mà thiết diện của nó được thiết kế thay đổi liên tục sao cho khoảng cách từ thấu kính đến tiêu điểm hội tụ (tiêu cự của thấu kính) là hằng số khi một chùm sáng đơn sắc song song đi qua.
Các phương pháp sản xuất thấu kính phi cầu Aspherical
Để sản xuất được thấu kính phi cầu là một điều rất khó và đã có lúc việc sản xuất thấu kính này tưởng chừng như hoang tưởng. Năm 1968, Nikon là nhà sản xuất tiên phong ở Nhật Bản trong việc chế tạo thấu kính phi cầu nhưng mãi đến đầu thập niên 1980 mới phổ biến.
Precision Glass Molding – Đúc chính xác
Đúc thủy tinh chính xác là một kỹ thuật sản xuất trong đó lõi thủy tinh quang học được nung nóng đến nhiệt độ cao cho đến khi bề mặt trở nên đủ dẻo để được ép thành khuôn hình cầu. Sau khi lõi nguội đến nhiệt độ phòng, thấu kính thu được sẽ duy trì hình dạng của khuôn. Khuôn đúc khiến chi phí tăng cao vì khuôn phải được làm chính xác từ vật liệu rất bền có thể duy trì bề mặt nhẵn, trong khi hình dạng khuôn cần phải tính đến bất kỳ sự co rút nào của kính để mang lại hình dạng cầu như mong muốn. Tuy nhiên, sau khi hoàn thiện khuôn, chi phí gia tăng cho mỗi thấu kính sẽ thấp hơn so với kỹ thuật sản xuất tiêu chuẩn dành cho thấu kính phi cầu, khiến kỹ thuật này trở thành một lựa chọn tuyệt vời để sản xuất số lượng lớn.
Precision Polishing – Mài và đánh bóng chính xác
Trong nhiều thập kỷ, thấu kính phi cầu được gia công bằng phương pháp mài và đánh bóng từng thấu kính một. Mặc dù quy trình sản xuất các quả cầu được gia công riêng lẻ này không thay đổi đáng kể cho đến nay, tuy nhiên nhờ sự phát triển của công nghệ mà các thấu kính sản xuất bằng phương pháp này ngày càng chính xác. Trong quá trình chế tạo, các vùng tiếp xúc nhỏ chỉ tính bằng milimét vuông được mài và đánh bóng cho đến khi đạt được hình dạng phi cầu mong muốn. Ngày nay, toàn bộ quá trình được điều khiển bằng máy tính nhằm đảm bảo độ chính xác.
Nếu cần đánh bóng chất lượng cao hơn nữa, người ta sẽ sử dụng phương pháp magneto-rheological finishing (MRF) để hoàn thiện bề mặt. Phương pháp này có thể nhanh chóng điều chỉnh tốc độ để loại bỏ các lỗi nhỏ trong biên dạng. Công nghệ MRF mang lại hiệu suất hoàn thiện cao trong thời gian ngắn hơn so với các kỹ thuật đánh bóng tiêu chuẩn nhờ khả năng kiểm soát chính xác vị trí loại bỏ và tốc độ loại bỏ cao. Trong khi các kỹ thuật sản xuất khác thường yêu cầu một khuôn đặc biệt dành riêng cho từng ống kính, việc đánh bóng chính xác sử dụng dụng cụ tiêu chuẩn, giúp nó trở thành lựa chọn tốt nhất để tạo nguyên mẫu và sản xuất với khối lượng từ thấp đến trung bình.
Diamond Turning
Tương tự như mài và đánh bóng, single-point diamond turning (SPDT) có thể được sử dụng để sản xuất từng thấu kính đơn lẻ. Tuy nhiên, kích thước dụng cụ được sử dụng trong SPDT nhỏ hơn đáng kể so với đánh bóng chính xác, tạo ra các bề mặt có độ hoàn thiện và độ chính xác cực cao. Điểm hạn chế của phương pháp này là không thể sử dụng với thủy tinh mà chỉ có thể sử dụng với polyme hoặc pha lê. Chính vì vậy phương này này thường được sử dụng để chế tạo tròng kính mắt.
Molded Polymer Aspheres
Quá trình đúc polyme bắt đầu bằng một bề mặt hình cầu tiêu chuẩn, chẳng hạn như thấu kính tiêu sắc, sau đó được ép lên một lớp mỏng photopolyme trong khuôn phi cầu để tạo ra kết quả cuối cùng là bề mặt phi cầu . Kỹ thuật phù hợp với việc sản xuất số lượng lớn, độ chính xác không đòi hỏi quá cao và chi phí ban đầu thấp.
Đúc polymer sử dụng khuôn hình cầu được tạo bởi SPDT và thấu kính hình cầu bằng thủy tinh. Bề mặt của thấu kính và polyme được bơm vào sau đó được nén và xử lý bằng tia cực tím ở nhiệt độ phòng để kết dính nhằm tạo ra thấu kính phi cầu. Vì quá trình đúc diễn ra ở nhiệt độ phòng thay vì ở nhiệt độ cao nên ứng suất gây ra trong khuôn ít hơn nhiều, giảm chi phí dụng cụ và làm cho vật liệu khuôn dễ sản xuất hơn. Độ dày của lớp polymer bị giới hạn và hạn chế mức độ lệch hình cầu có thể tồn tại trong hình cầu thu được. Polymer cũng không bền bằng thủy tinh nên đây là giải pháp tối ưu cho các bề mặt tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt.
Injection Molding
Ép phun cho phép tối ưu hóa chi phí bộ phận, độ phức tạp của dụng cụ và độ chính xác. Ép phun nhựa liên quan đến việc bơm nhựa nóng chảy vào khuôn hình cầu. Vì nhựa không ổn định nhiệt và chịu được áp suất như thủy tinh nên nó phải được xử lý đặc biệt để tạo ra thấu kính phi cầu có thể sử dụng được. Tròng kính bằng nhựa cũng có khả năng chống trầy xước thấp hơn so với tròng kính bằng thủy tinh. Tuy nhiên, tròng kính nhựa có lợi thế hơn vì chúng nhẹ, dễ đúc và tích hợp với các tính năng lắp để tạo thành một bộ phận duy nhất. Mặc dù việc lựa chọn nhựa chất lượng quang học còn hạn chế nhưng lợi ích về chi phí và trọng lượng sẽ thúc đẩy một số thiết kế hướng tới thấu kính phi cầu bằng nhựa.
Các quả cầu nhựa cũng có thể được tạo hình bằng cách ép nén, trong đó vật liệu nhựa đã được nung nóng trước được đặt vào nửa dưới mở của khuôn trước khi nửa trên của khuôn được ép xuống – nén nhựa để phù hợp với hình dạng khuôn. Đúc nén được sử dụng cho các thấu kính có chi tiết cấu trúc quan trọng, chẳng hạn như trong thấu kính Fresnel và mảng thấu kính. Kỹ thuật ép phun và ép nén có thể được sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp.
Tổng kết
Về mặt kỹ thuật, việc chế tạo những ống kính aspherical hoàn toàn không thuận lợi như khi làm với những thấu kính hình cầu bình thường. Đặc biệt khó khăn khi làm bề mặt thấu kính phi cầu cho những thấu kính góc rộng hay ống kính khẩu độ lớn. Vì hầu hết tia sáng bị méo khi đi qua những thấu kính loại này, mà việc chỉnh sửa nó thành bề mặt phi cầu không phải là một việc làm dễ.
Nhưng nó vẫn có nhưng ưu điểm khác cần ghi nhận, đối với ống kính zoom, một hoặc hai thành phần của ống kính loại này có thể thay thế một số lượng lớn các phần tử khác nhưng vẫn đạt được kết quả tương tự hoặc tốt hơn, vì vậy có thể giảm chi phí sản xuất, làm ống kính có kích thước nhỏ gọn hơn các loại thông thường. Đặc biệt trong trường hợp của ống kính zoom, nơi số lượng các thành phần của thấu kính nhiều hơn 10 không phải là quá bất thường.
Nói chung, để có thể đáp ứng nhiều đòi hỏi khác nhau, các loại ống kính có tính năng khác nhau cũng được sản xuất nhiều hơn. Trước đây, do chi phí sản xuất cao và vật liệu gốc ít ỏi cho việc sản xuất ống kính aspherical, hầu hết các nhà sản xuất, những người sở hữu công nghệ có thể làm ra loại ống kính này, chỉ hạn chế sản suất nó cho những nhu cầu cần thiết mà thôi.
Dù sao, sự tồn tại của ống kính aspherical đã làm một cú hít trên thị trường. Mỗi ống kính sẽ đại diện cho một số ứng dụng cụ thể để sử dụng trong khoa học cũng như công nghiệp