Linse (Physik): Definition, Typen und Funktionsweise

Linsen begegnen Ihnen jeden Tag. Ob die Linse Ihrer Handykamera, die Linsen der Brille oder Kontaktlinsen, mit denen Sie klar sehen, Lupen, Mikroskope, Teleskope oder etwas ganz anderes, die Physik der Linsen erklärt, wie man mit einem einfachen Stück Glas Bilder vergrößern, verkleinern oder scharf stellen kann irgendeinen Zweck.

Im Wesentlichen funktionieren Linsen, indem sie Lichtstrahlen, die sie durch Brechung passieren, biegen, aber dieser grundlegende Punkt kann auf unterschiedliche Weise implementiert werden, die je nach Linsentyp variiert. Glücklicherweise sind die Grundlagen solcher Objektive leicht zu verstehen, wenn Sie ein wenig mehr über ihre Funktionsweise erfahren.

Eine Linse ist ein Stück transparenten Materials, das so geformt ist, dass sich Lichtstrahlen auf eine bestimmte Weise biegen, wenn sie durchqueren, sei es, dass die Strahlen zu einem bestimmten Punkt konvergieren oder wie von einem bestimmten Punkt divergieren Punkt. Das verwendete Material kann ein Stück Glas oder Kunststoff sein, und die Form der Linse bestimmt, ob Lichtstrahlen konvergieren oder divergieren. Das Wort „Linse“ leitet sich vom lateinischen Wort für „Linse“ ab, da die Form einer Sammellinse und der Hülsenfrucht ähnlich ist.

Die eigentliche Krümmung der von einer Linse erzeugten Lichtstrahlen tritt auf, weil das Linsenmaterial einen anderen Brechungsindex als die umgebende Luft hat. Dieses Verhalten wird durch das Snellsche Brechungsgesetz beschrieben, das den unterschiedlichen Winkel zwischen einfallendem und gebrochenem Lichtstrahl mit den Brechungsindizes der beiden Materialien in Beziehung setzt.

Kurz gesagt, das Gesetz besagt, dass, wenn Sie von einer Substanz mit niedrigerem Brechungsindex zu einer Substanz mit höherem Brechungsindex wechseln (z. B. von Luft zu Glas), der Lichtstrahl in Richtung der „Normalen“ zum Oberfläche (d. h. in Richtung senkrecht zur Oberfläche an diesem Punkt) und dass das Gegenteil für Lichtstrahlen gilt, die von einem Material mit höherem Brechungsindex zu einem niedrigeren einer.

Es gibt einige einzigartige Begriffe in der Optik, und deren Verständnis ist entscheidend, wenn Sie die Physik von Linsen studieren.

• Das Mittelpunkt ist der Punkt, an dem parallele Strahlen nach dem Durchgang durch eine Linse zusammenlaufen.
• Das Brennweite einer Linse ist der Abstand von ihrer Mitte zum Brennpunkt, der im Wesentlichen die „Biegekraft“ einer Linse definiert.
• Das Optische Achse ist die Symmetrielinie der Linse.
• EIN Lichtstrahl ist eine Annäherung an den Lichtweg, wobei gerade Linien verwendet werden, um die Bewegung von Lichtwellen (oder Photonen) darzustellen. Jeder Punkt auf einem Objekt erzeugt Lichtstrahlen in alle möglichen Richtungen, aber normalerweise werden einige wenige spezifische Strahlen ausgewählt, um die Position des resultierenden Bildes zu bestimmen.
• Ein Optische Linse ist ein einzelnes Materialstück, das dafür ausgelegt ist, Lichtstrahlen zu konvergieren (konvexe Linse) oder zu divergieren (konkave Linse).
• EIN bikonvexe Linse ist eine einfache optische Linse mit zwei konvexen Seiten (die die linsenähnliche Form erzeugt, die den Linsen ihren Namen gab), manchmal auch als konvex-konvexe Linse bezeichnet und hat per Definition eine positive Brennweite. Sie werden in Lupen, Teleskopen, Mikroskopen und sogar im menschlichen Auge verwendet.
  
• Das Tiefenschärfe beschreibt den Entfernungsbereich, in dem Objekte bei Betrachtung durch ein Objektiv scharfgestellt sind, und ist insbesondere in der Fotografie eine gängige Terminologie. Da die Lichtsensoren in Kameras eine feste Größe haben, ist das Bild leicht unscharf, aber der Fehler ist ausreichend klein, es wird nicht wirklich als unscharf registriert. Dieser Fokusbereich ist die Schärfentiefe.
• Das Festbrennweite ist ein in der Fotografie verwendetes Objektiv mit fester Brennweite, im Gegensatz zu Zoomobjektiven, bei denen die Brennweite geändert werden kann. In anderen Zusammenhängen kann jedoch eine Festbrennweite verwendet werden, um die Hauptlinse in einem aus mehreren Linsen bestehenden System zu bezeichnen.

Strahlendiagramme sind ein äußerst nützliches Werkzeug in der Optik und werden verwendet, um den Ort zu finden, an dem ein Bild basierend auf dem Ort des Objekts und der Linse erzeugt wird. Durch das Zeichnen eines Schlüssellichts, das von einem Objekt ausgeht, und das Markieren ihres Wegs, während sie durch das Objektiv gehen, wird das Bild am Punkt, an dem sie sich treffen, erzeugt.

Dieser Prozess kann mit dem Brechungsgesetz von Snell durchgeführt werden, aber auch ein paar Tricks können den Prozess vereinfachen. Zum Beispiel wird ein Strahl, der durch das Zentrum der Linse geht, kaum abgelenkt, und einer, der trifft die Linse senkrecht zur optischen Achse wird gebrochen, um durch den Brennpunkt für die Linse.

Das vom Objektiv erzeugte Bild kann real oder virtuell sein. Bei einem echten Bild konvergieren die Lichtstrahlen zu einem Bild an einer bestimmten Stelle, und Sie könnten dieses Bild sehen, wenn Sie einen Bildschirm an dieser Stelle platzieren. Im menschlichen Auge und im Bereich hinter einer Kameralinse werden lichtempfindliche Zellen oder Materialien verwendet, um dieses Bild aufzunehmen.

Ein virtuelles Bild ist anders: Wenn die Strahlen von einer Linse abweichen, macht ihre Orientierung es aussehen als kämen sie vom Ort des virtuellen Bildes. Mit anderen Worten, wenn Sie den gebrochenen Strahlen rückwärts folgen, aber nur geraden Linien folgen, konvergieren sie alle an der Stelle des virtuellen Bildes. An dieser Stelle konvergieren die Lichtstrahlen jedoch nicht physikalisch, und wenn Sie dort einen Bildschirm platzieren, würden Sie kein Bild sehen.

Ein Kameraobjektiv ist eine der bekanntesten Arten von Objektiven, denen Sie täglich begegnen, und diese kommen in vielen verschiedenen Typen, obwohl sie alle die gleichen Grundprinzipien der beschriebenen Funktionsweise teilen outline vorher.

Ein Festbrennweitenobjektiv ist ein Basisobjektiv mit fester Brennweite, und ein Zoomobjektiv hat eine variable Brennweite, sodass Sie Ihren Standort nicht physisch ändern müssen, um etwas scharfzustellen. Ein Weitwinkelobjektiv ist ein Objektivtyp mit einer sehr kleinen Brennweite, der das Sichtfeld dramatisch vergrößert, und ein Fischaugenobjektiv ist im Wesentlichen eine extreme Version eines Weitwinkelobjektivs.

Andere Beispiele sind Teleobjektive, die sehr lange Brennweiten haben und weit entfernte Motive einfangen sollen entfernt, und Makroobjektive, die auf sehr kurze Entfernungen fokussieren sollen und entweder lebensgroße oder vergrößerte Versionen von Objekte.

Andere übliche Arten von Linsen sind Brillengläser oder Kontaktlinsen, und beide funktionieren, um die Probleme mit Ihrem Sehvermögen zu korrigieren. Wenn Sie „kurzsichtig“ sind, bedeutet dies, dass Ihre Augenlinsen Bilder vor der lichtempfindlichen Netzhaut in Ihrem Auge erzeugen, und Sie benötigen daher divergierende (konkave) Linsen, um das Bild weiter nach hinten zu verschieben.

Wenn Sie „weitsichtig“ sind, würden die Linsen in Ihren Augen ein Bild weiter hinten als Ihre Netzhaut erzeugen, daher benötigen Sie Sammellinsen, um dieses Problem zu beheben.

Sowohl Kontaktlinsen als auch Brillen korrigieren dies auf die gleiche Weise – indem sie eine zusätzliche Korrekturlinse hinzufügen, um die Wirksamkeit zu erhöhen Die Brennweite Ihres Auges entspricht dem Abstand zu Ihrer Netzhaut – es gibt jedoch Unterschiede, da Kontaktlinsen direkt auf Ihrer sitzen Augen. Bei einer Kontaktlinse muss die Linse nicht so viel Platz bedecken (sie muss nur groß genug für Ihre Pupille bei maximaler Erweiterung sein) und kann dies mit weniger Material erreichen. Bei Brillengläsern muss die Linse eine viel größere Fläche abdecken und ist dadurch dicker.