Tại sao ống kính lại cần có thấu kính ED

Hầu như trong các ống kính và các dụng cụ quang học có tiêu cự dài như kính thiên văn, ống nhòm… đều được thiết kế có thấu kính có độ tán sắc thấp (Low Dispersion). Như tên gọi ED Crystal (Nikon) hoặc UD Crystal (Canon), nó dùng để giảm thiểu hiện tượng sắc sai – Chromatic Aberration do tán sắc.

1. Sắc sai – Chromatic Aberration
Là hiện tượng các sóng ánh sáng có màu sắc (quang phổ) khác nhau khi đi qua thấu kính sẽ không hội tụ trên cùng một mặt phẳng tiêu điểm (focal plane) mà bị tán sắc kéo dài thành dãy quang phổ phía trước và phía trên focal plane.

Ánh sáng khi đi qua thấu kính bị chiết quang nên không hội tụ trên cùng một focal plane. Hiện tượng tán sắc được nhà bác học vĩ đại Isaac Newton (1642 – 1727) tìm ra, và được phát biểu tóm tắt như sau: “Ánh sáng trắng có thể được chia thành nhiều quang phổ khác nhau khi đi qua lăng kính của ống kính chính hãng. Một chùm ánh sáng trắng đi từ một môi trường (như môi trường không khí) sang một môi trường có chiết suất khác (như thủy tinh trong lăng kính) nó sẽ di chuyển chậm lại và khúc xạ”. Tùy theo “góc tới” và “bước sóng” của từng quang phổ mà “góc ló” (góc chiết suất) sẽ khác nhau. Góc chiết suất phụ thuộc vào 2 đại lượng là vận tốc của từng quang phổ và chỉ số chiết suất của vật liệu.

2. Hiện tượng tán sắc là hiện tượng một tia sáng trắng đi qua lăng kính bị tán sắc tạo thành dãy quang phổ. Nếu chùm tia sáng mang đủ 3 dãy quang phổ căn bản là đỏ, lục, lam (RGB) đi qua lăng kính có cùng một góc tới như nhau, thì ánh sáng lam (blue) và các tia tử ngoại (UV) có bước sóng nhỏ nhất sẽ tới trước và có góc lớn nhất, ánh sáng đỏ (red) và các tia hồng ngoại (IR) có bước sóng dài hơn sẽ tới sau và có góc nhỏ nhất. Do các “góc ló” khác nhau nên các quang phổ màu khác nhau không tập trung trên cùng một mặt phẳng tiêu điểm (focal plane).

Hậu quả
Khi không cùng hội tụ trên cùng một focal plane, các bước sóng khác nhau của các quang phổ bị tán sắc gây ra hiện tượng ảnh bị nhoè ở đường biên hoặc bị hiện tượng viền tím là hiện tượng xuất hiện một đường bao khác màu (thường là màu tím) không có trong thực tế, bao xung quanh chu vi một nhóm ảnh.

3. Hiện tượng “viền tím” khi sử dụng thấu kính bình thường
Ngoài các tia sáng trong dãy quang phổ thấy được (có bước sóng 300nm đến 700nm), các tia sáng nằm ngoài dãy quang phổ thấy được là các tia tử ngoại (UV) và các tia hồng ngoại (IR) nếu không được lọc sẽ bị tán sắc cực mạnh gây ra hiện tượng nhoè ảnh do tán sắc giao thoa với các tia thấy được (tuy mắt người không thấy được các tia quang ngoại, nhưng phim hay cảm biến rất nhạy với các tia sáng quang ngoại)

Khắc phục
Sử dụng vật liệu có chiết quang thấp: Để giảm được tán sắc, các kỹ sư quang học nghĩ tới việc giảm “góc ló” bằng cách cách dùng những vật liệu có chiết suất thấp. Vào thập niên 1930, hãng Carl Zeiss đã đề xuất phương án Oil-Spacing là dùng một lớp dầu bóng trong suốt có chiết suất thấp tráng ở giữa thấu kính, nhưng xem ra thất bại.