Сблъсквате се с лещи всеки ден. Независимо дали става въпрос за обектива на камерата на мобилния ви телефон, лещите на очилата или контактните лещи, които използвате, за да виждате ясно, лупи, микроскопи, телескопи или нещо друго изцяло, физиката на лещите обяснява как просто парче стъкло може да се използва за увеличаване, минимизиране или фокусиране на изображенията за всякаква цел.
По същество лещите работят чрез огъване на светлинните лъчи, които преминават през тях чрез пречупване, но тази основна точка може да бъде приложена по различни начини, вариращи в зависимост от типа на лещата. За щастие основите на такива лещи са лесни за разбиране, когато научите малко повече за това как работят.
Какво е обектив?
Лещата е парче прозрачен материал, което е оформено така, че да накара светлинните лъчи да се огъват по специфичен начин, както те преминават през него, независимо дали това означава да накарате лъчите да се сближат до определена точка или да се отклонят като от определена точка точка. Използваният материал може да бъде парче стъкло или пластмаса и формата на лещата определя дали причинява сближаване или разминаване на светлинните лъчи. Думата „леща“ произлиза от латинската дума за „леща“, поради сходството във формата между сближаващата се леща и бобовите растения.
Действителното огъване на светлинните лъчи, произведени от леща, се случва, защото материалът на лещата има различен индекс на пречупване от околния въздух. Това поведение е описано от закона за пречупване на Snell, който свързва различните в ъгъла между падащия и пречупения лъч светлина с показателите на пречупване за двата материала.
Накратко, законът казва, че ако преминавате от вещество с по-нисък показател на пречупване към по-високо (например от въздух към стъкло), светлинният лъч се отклонява към „нормалното“ към повърхност (т.е. към посоката, перпендикулярна на повърхността в тази точка) и че обратното е вярно за светлинните лъчи, преминаващи от по-висок индекс на пречупване към по-нисък един.
Дефиниции
Има доста уникални термини, използвани в оптиката, и разбирането им е от решаващо значение, ако изучавате физиката на лещите.
- The фокусна точка е точката, в която паралелните лъчи се събират, когато преминават през леща.
- The фокусно разстояние на обектива е разстоянието от центъра му до фокусната точка, което по същество определя „силата на огъване“ на лещата.
- The оптична ос е линията на симетрия за лещата.
- A светлинен лъч е приближение на пътя на светлината, където прави линии се използват, за да представят движението на светлинните вълни (или фотони). Всяка точка върху обект произвежда светлинни лъчи във всяка възможна посока, но обикновено се избират няколко специфични лъча, за да се определи местоположението на полученото изображение.
- An оптична леща е едно парче материал, предназначено да доведе до сближаване на светлинните лъчи (изпъкнала леща) или разминаване (вдлъбната леща).
- A двойноизпъкнала леща е проста оптична леща с две изпъкнали страни (произвеждаща форма, подобна на леща, която дава името на лещите), понякога наричана изпъкнала изпъкнала леща и имаща положително фокусно разстояние по дефиниция. Те се използват в лупи, телескопи, микроскопи и дори в човешкото око.
- The дълбочина на рязкост описва обхвата на разстоянията, на които обектите са на фокус, когато се гледат през обектив, и по-специално е обща терминология във фотографията. Тъй като светлинните сензори в камерите са с фиксиран размер, ако изображението е леко нефокусиран, но размерът на грешката е достатъчно малък, всъщност няма да се регистрира като извън фокус. Този обхват на фокус е дълбочината на полето.
- The първокласна леща е обектив, използван за фотография с фиксирано фокусно разстояние, за разлика от обектите с мащабиране, където фокусното разстояние може да се променя. В други контексти обаче, основната леща може да се използва за означаване на основната леща в система, съставена от множество лещи.
Диаграми на лъча
Диаграмите на лъча са изключително полезен инструмент в оптиката и се използват за намиране на местоположението, където ще се формира изображение въз основа на местоположението на обекта и лещата. Чрез изчертаването на някаква ключова светлина, излизаща от обект, и маркирането на пътя им, когато преминават през обектива, точката, където се срещат, е мястото, където ще се формира изображението.
Този процес може да се направи, като се използва законът за пречупване на Snell, но няколко трика също могат да опростят процеса. Например лъч, който преминава през центъра на лещата, изобщо едва се отклонява и то такъв удари лещата, перпендикулярна на оптичната ос, се пречупва, за да премине през фокусната точка за лещи.
Изображението, получено от обектива, може да бъде реално или виртуално. За реално изображение светлинните лъчи се събират, за да образуват изображение на определено място и можете да го видите, ако поставите екран на това място. В човешкото око и региона зад обектива на фотоапарата се използват фоточувствителни клетки или материали за улавяне на това изображение.
Виртуалното изображение е различно: когато лъчите се отклоняват от лещата, ориентацията им го прави виж сякаш са дошли от местоположението на виртуалното изображение. С други думи, ако следвате пречупените лъчи назад, но само следвайки прави линии, всички те ще се сближат в местоположението на виртуалното изображение. Светлинните лъчи обаче физически не се събират на това място и ако поставите екран там, няма да видите изображение.
Видове лещи и как работят
Обективът на камерата е един от най-познатите видове обективи, с които се сблъсквате ежедневно и те идват в много различни видове, въпреки че всички те споделят едни и същи основни принципи на действие, посочени преди това.
Основният обектив е основен обектив с фиксирано фокусно разстояние, а обективът с мащабиране има променливо фокусно разстояние, така че не е нужно да променяте физически местоположението си, за да фокусирате нещо. Широкоъгълният обектив е вид обектив с много малко фокусно разстояние, който драстично увеличава зрителното поле, а обективът с рибешко око е по същество екстремна версия на широкоъгълен обектив.
Други примери са телеобективите, които имат много дълги фокусни разстояния и са предназначени да заснемат обекти, които са далеч далеч и макро лещи, които са предназначени да фокусират на много близки разстояния и произвеждат версии в естествен размер или увеличени обекти.
Други често срещани типове лещи са лещите за очила или контактните лещи и двете работят за коригиране на проблемите със зрението. Ако сте „късогледски“, това означава, че вашите очни лещи създават изображения пред чувствителната на светлина ретина в окото ви и затова се нуждаете от разклоняващи се (вдлъбнати) лещи, за да преместите изображението по-назад.
Ако сте „далновидни“, лещите в очите ви ще създадат изображение по-назад от вашите ретини, така че имате нужда от сближаващи се лещи, за да коригирате този проблем.
И контактните лещи, и очилата коригират това по един и същи начин - като добавят допълнителна коригираща леща, за да направят ефекта ефективен фокусното разстояние на окото ви съвпада с разстоянието до ретината ви - но има разлики, тъй като контактните лещи седят директно върху вас очите. При контактна леща не е необходимо лещата да покрива толкова много пространство (тя трябва да бъде достатъчно голяма, за да може зеницата ви да бъде максимално разширена) и може да постигне това с по-малко материал. За лещите на очилата лещата трябва да покрива много по-голяма площ и в резултат е по-дебела.