Objektiv (fyzika): Definice, typy a jak fungují

S čočkami se setkáváte každý den. Ať už jde o objektiv fotoaparátu mobilního telefonu, čočky brýlí nebo kontaktní čočky, které používáte, abyste viděli jasně, lupy, mikroskopy, dalekohledy nebo něco úplně jiného, ​​fyzika čoček vysvětluje, jak lze jednoduchý kousek skla použít ke zvětšení, minimalizaci nebo zaostření snímků jakýkoli účel.

Čočky v zásadě fungují ohýbáním světelných paprsků, které jimi procházejí lomem, ale tento základní bod lze implementovat různými způsoby, které se liší podle typu čočky. Naštěstí jsou základy těchto čoček snadno pochopitelné, když se dozvíte něco více o jejich fungování.

Čočka je kus průhledného materiálu, který je tvarován tak, aby způsoboval ohýbání světelných paprsků specifickým způsobem projít skrz to, ať už to znamená, že paprsky se sbíhají do konkrétního bodu nebo se rozcházejí, jako by od konkrétního směřovat. Použitým materiálem může být kousek skla nebo plastu a tvar čočky určuje, zda způsobuje sbírání nebo rozbíhání světelných paprsků. Slovo „čočka“ pochází z latinského slova „čočka“ kvůli tvarové podobnosti sbíhající se čočky a luštěniny.

Ke skutečnému ohýbání světelných paprsků produkovaných čočkou dochází, protože materiál čočky má jiný index lomu než okolní vzduch. Toto chování je popsáno Snellovým zákonem pro lom, který uvádí rozdíl v úhlu mezi dopadajícím a lomeným paprskem světla a indexy lomu těchto dvou materiálů.

Stručně řečeno, zákon říká, že pokud přecházíte z látky s nižším indexem lomu na vyšší (např. Ze vzduchu na sklo), světelný paprsek se odkloní směrem k „normálnímu“ k povrchu (tj. ve směru kolmém na povrch v daném bodě) a že u světelných paprsků, které procházejí z materiálu s vyšším indexem lomu do nižšího, platí opak jeden.

V optice se používá poměrně málo jedinečných termínů a jejich porozumění je zásadní, pokud studujete fyziku čoček.

• The ohnisko je bod, kde se paralelní paprsky sbíhají, když procházejí čočkou.
• The ohnisková vzdálenost čočky je vzdálenost od jejího středu k ohnisku, která v podstatě definuje „ohybovou sílu“ čočky.
• The optická osa je čára symetrie pro objektiv.
• A světelný paprsek je aproximace dráhy světla, kde přímé čáry představují pohyb světelných vln (nebo fotonů). Každý bod na objektu produkuje světelné paprsky ve všech možných směrech, ale obvykle se vybere několik konkrétních paprsků, aby se určilo umístění výsledného obrazu.
• An optická čočka je jediný kus materiálu navržený tak, aby způsoboval konvergenci světelných paprsků (konvexní čočka) nebo se rozcházel (konkávní čočka).
• A bikonvexní čočka je jednoduchá optická čočka se dvěma konvexními stranami (vytvářející čočkovitý tvar, který dal čočkám jejich jméno), někdy nazývaná konvexně-konvexní čočka a podle definice má pozitivní ohniskovou vzdálenost. Používají se ve zvětšovacích brýlích, dalekohledech, mikroskopech a dokonce i v lidském oku.
  
• The hloubka pole popisuje rozsah vzdáleností, na které jsou objekty zaostřeny při pohledu přes objektiv, a je běžnou terminologií zejména ve fotografii. Vzhledem k tomu, že světelné senzory v kamerách mají pevnou velikost, pokud je obraz mírně rozostřený, ale množství chyby je dostatečně malé, ve skutečnosti se nezaregistruje jako rozostřený. Tento rozsah ostření je hloubka ostrosti.
• The primární čočka je objektiv používaný ve fotografii s pevnou ohniskovou vzdáleností, na rozdíl od objektivů se zoomem, kde lze změnit ohniskovou vzdálenost. V jiných kontextech však lze primární čočku použít k označení primární čočky v systému složeném z více čoček.

Paprskové diagramy jsou v optice mimořádně užitečným nástrojem a používají se k vyhledání místa, kde bude obraz vytvořen, na základě umístění objektu a objektivu. Nakreslením klíčového světla vycházejícího z objektu a vyznačením jejich dráhy při průchodu objektivem se vytvoří místo, kde se setkají.

Tento proces lze provést pomocí Snellova zákona lomu, ale několik triků může tento proces také zjednodušit. Například paprsek, který prochází středem čočky, je sotva odkloněn, a ten udeří čočka kolmo k optické ose se láme, aby prošla ohniskem pro objektiv.

Obraz produkovaný objektivem může být skutečný nebo virtuální. U skutečného obrazu se světelné paprsky sbíhají a vytvářejí obraz na konkrétním místě a tento obraz byste mohli vidět, pokud jste na dané místo umístili obrazovku. V lidském oku a v oblasti za objektivem fotoaparátu se k zachycení tohoto snímku používají fotocitlivé buňky nebo materiály.

Virtuální obraz je jiný: když se paprsky odchýlí od čočky, jejich orientace to zvládne dívej se jako by pocházeli z umístění virtuálního obrazu. Jinými slovy, pokud budete sledovat lomené paprsky dozadu, ale pouze po přímkách, všechny se budou sbíhat v místě virtuálního obrazu. Světelné paprsky se však na tomto místě fyzicky nesbíhají, a pokud byste tam umístili obrazovku, neviděli byste žádný obraz.

Objektiv fotoaparátu je jedním z nejznámějších typů objektivů, se kterými se denně setkáváte, a tyto přicházejí v mnoha různých typech, i když všechny sdílejí stejné základní principy fungování dříve.

Objektiv Prime je základní objektiv s pevnou ohniskovou vzdáleností a objektiv se zoomem má proměnnou ohniskovou vzdálenost, takže nemusíte fyzicky měnit polohu, abyste něco zaostřili. Širokoúhlý objektiv je typ objektivu s velmi malou ohniskovou vzdáleností, která dramaticky zvyšuje zorné pole, a objektiv s rybím okem je v podstatě extrémní verzí širokoúhlého objektivu.

Dalšími příklady jsou teleobjektivy, které mají velmi dlouhé ohniskové vzdálenosti a jsou určeny k zachycení vzdálených objektů pryč, a makroobjektivy, které jsou určeny k zaostřování na velmi malé vzdálenosti a produkují buď v životní velikosti, nebo zvětšené verze předměty.

Dalšími běžnými typy čoček jsou brýlové čočky nebo kontaktní čočky, které obě pomáhají napravit problémy se zrakem. Pokud jste „krátkozrakí“, znamená to, že vaše oční čočky vytvářejí obrazy před světelně citlivou sítnicí v oku, a proto potřebujete divergující (konkávní) čočky, které obraz posunou dále dozadu.

Pokud jste „dalekozrakí“, čočky v očích by vytvářely obraz dále dozadu než vaše sítnice, takže k vyřešení tohoto problému potřebujete konvergující čočky.

Kontaktní čočky i brýle to korigují stejným způsobem - přidáním další korekční čočky, která zajistí efektivitu ohnisková vzdálenost vašeho oka odpovídá vzdálenosti od vaší sítnice - ale existují rozdíly, protože kontaktní čočky sedí přímo na vaší oči. V kontaktních čočkách nemusí čočka pokrýt tolik prostoru (musí být dostatečně velká, aby vaše zornice byla při maximální dilataci) a může toho dosáhnout s menším množstvím materiálu. U brýlových čoček musí čočka pokrýt mnohem větší plochu a ve výsledku je silnější.