Αντιμετωπίζετε φακούς κάθε μέρα. Είτε πρόκειται για το φακό της κάμερας του κινητού σας τηλεφώνου, τους φακούς στα γυαλιά ή τους φακούς επαφής που χρησιμοποιείτε για να δείτε καθαρά, μεγεθυντικά γυαλιά, μικροσκόπια, τηλεσκόπια ή κάτι άλλο εξ ολοκλήρου, η φυσική των φακών εξηγεί πώς ένα απλό κομμάτι γυαλιού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεγέθυνση, ελαχιστοποίηση ή εστίαση των εικόνων για οποιοδήποτε σκοπό.
Ουσιαστικά, οι φακοί λειτουργούν κάμπτοντας ακτίνες φωτός που τις περνούν μέσω διάθλασης, αλλά αυτό το βασικό σημείο μπορεί να εφαρμοστεί με διαφορετικούς τρόπους που ποικίλλουν ανάλογα με τον τύπο του φακού. Ευτυχώς, τα βασικά αυτών των φακών είναι εύκολα κατανοητά όταν μαθαίνετε λίγο περισσότερα για το πώς λειτουργούν.
Τι είναι ο φακός;
Ο φακός είναι ένα κομμάτι διαφανούς υλικού που έχει σχήμα ώστε να προκαλεί την κάμψη των ακτίνων φωτός με συγκεκριμένο τρόπο να το περάσει, είτε αυτό σημαίνει ότι οι ακτίνες συγκλίνουν σε ένα συγκεκριμένο σημείο ή για να αποκλίνουν σαν από ένα συγκεκριμένο σημείο. Το χρησιμοποιούμενο υλικό θα μπορούσε να είναι ένα κομμάτι γυαλιού ή πλαστικού, και το σχήμα του φακού καθορίζει εάν προκαλεί σύγκλιση ή απόκλιση των ακτίνων φωτός. Η λέξη "φακός" προέρχεται από τη λατινική λέξη για "φακές", λόγω της ομοιότητας του σχήματος μεταξύ ενός συγκλίνοντος φακού και του οσπρίου.
Η πραγματική κάμψη των ακτίνων φωτός που παράγεται από έναν φακό συμβαίνει επειδή το υλικό του φακού έχει διαφορετικό δείκτη διάθλασης από τον περιβάλλοντα αέρα. Αυτή η συμπεριφορά περιγράφεται από τον νόμο του Snell για διάθλαση, ο οποίος συσχετίζει τη διαφορετική γωνία μεταξύ του συμβάντος και της διαθλασμένης ακτίνας φωτός με τους δείκτες διάθλασης για τα δύο υλικά.
Με λίγα λόγια, ο νόμος λέει ότι εάν πηγαίνετε από μια ουσία χαμηλότερου δείκτη διάθλασης σε μια υψηλότερη (π.χ., από αέρα σε γυαλί), η ακτίνα φωτός εκτρέπεται προς το «κανονικό» στο επιφάνεια (δηλαδή, προς την κατεύθυνση κάθετη προς την επιφάνεια σε αυτό το σημείο) και ότι το αντίθετο ισχύει για τις ακτίνες φωτός που πηγαίνουν από ένα υψηλότερο δείκτη διάθλασης υλικό σε χαμηλότερο ένας.
Ορισμοί
Υπάρχουν αρκετοί μοναδικοί όροι που χρησιμοποιούνται στην οπτική και η κατανόηση αυτών είναι απαραίτητη εάν μελετάτε τη φυσική των φακών.
- ο επίκεντρο είναι το σημείο όπου οι παράλληλες ακτίνες συγκλίνουν όταν περνούν μέσα από έναν φακό.
- ο εστιακό μήκος ενός φακού είναι η απόσταση από το κέντρο του έως το σημείο εστίασης, ορίζοντας ουσιαστικά την «δύναμη κάμψης» ενός φακού.
- ο οπτικός άξονας είναι η γραμμή συμμετρίας του φακού.
- ΕΝΑ ακτίνα φωτός είναι μια προσέγγιση της διαδρομής του φωτός, όπου οι ευθείες γραμμές χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση της κίνησης των κυμάτων φωτός (ή των φωτονίων). Κάθε σημείο σε ένα αντικείμενο παράγει ακτίνες φωτός σε κάθε πιθανή κατεύθυνση, αλλά συνήθως επιλέγονται μερικές συγκεκριμένες ακτίνες για τον προσδιορισμό της θέσης της προκύπτουσας εικόνας.
- Ενα οπτικός φακός είναι ένα μοναδικό κομμάτι υλικού που έχει σχεδιαστεί για να προκαλεί σύγκλιση των ακτίνων φωτός (κυρτός φακός) ή απόκλιση (κοίλος φακός).
- ΕΝΑ αμφίκυρτος φακός είναι ένας απλός οπτικός φακός με δύο κυρτές πλευρές (παράγοντας σχήμα φακής που έδωσε το όνομά τους στους φακούς), που μερικές φορές ονομάζεται κυρτός-κυρτός φακός και έχει θετικό εστιακό μήκος εξ ορισμού. Χρησιμοποιούνται σε μεγεθυντικούς φακούς, τηλεσκόπια, μικροσκόπια και ακόμη και στο ανθρώπινο μάτι.
- ο βάθος πεδίου περιγράφει το εύρος των αποστάσεων στις οποίες τα αντικείμενα είναι εστιασμένα όταν προβάλλονται μέσω ενός φακού, και είναι συνηθισμένη ορολογία στη φωτογραφία. Δεδομένου ότι οι αισθητήρες φωτός στις κάμερες έχουν σταθερό μέγεθος, εάν η εικόνα είναι ελαφρώς χωρίς εστίαση, αλλά το ποσό του σφάλματος είναι αρκετά μικρό, στην πραγματικότητα δεν θα εγγραφεί εκτός εστίασης. Αυτό το εύρος εστίασης είναι το βάθος πεδίου.
- ο πρωταρχικός φακός είναι ένας φακός που χρησιμοποιείται στη φωτογραφία με σταθερό εστιακό μήκος, σε αντίθεση με τους φακούς ζουμ όπου το εστιακό μήκος μπορεί να αλλάξει. Σε άλλα πλαίσια, ωστόσο, ο πρωταρχικός φακός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σημαίνει τον πρωτεύοντα φακό σε ένα σύστημα που αποτελείται από πολλούς φακούς.
Διαγράμματα Ray
Τα διαγράμματα ακτίνων είναι ένα εξαιρετικά χρήσιμο εργαλείο στην οπτική και χρησιμοποιούνται για την εύρεση της θέσης όπου θα σχηματιστεί μια εικόνα με βάση τη θέση του αντικειμένου και του φακού. Σχεδιάζοντας ένα βασικό φως που αναδύεται από ένα αντικείμενο και επισημαίνοντας τη διαδρομή τους καθώς περνούν μέσα από το φακό, το σημείο όπου συναντιούνται είναι όπου θα σχηματιστεί η εικόνα.
Αυτή η διαδικασία μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τον νόμο περί διάθλασης του Snell, αλλά μερικά κόλπα μπορούν επίσης να απλοποιήσουν τη διαδικασία. Για παράδειγμα, μια ακτίνα που διέρχεται από το κέντρο του φακού μόλις παραμορφώνεται καθόλου, και μια τέτοια χτυπά το φακό κάθετο στον οπτικό άξονα διαθλάται για να περάσει από το σημείο εστίασης για το φακός.
Η εικόνα που παράγεται από τον φακό μπορεί να είναι πραγματική ή εικονική. Για μια πραγματική εικόνα, οι ακτίνες φωτός συγκλίνουν για να σχηματίσουν μια εικόνα σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία και θα μπορούσατε να δείτε αυτήν την εικόνα εάν τοποθετήσατε μια οθόνη σε αυτήν τη θέση. Στο ανθρώπινο μάτι και στην περιοχή πίσω από έναν φακό κάμερας, φωτοευαίσθητα κύτταρα ή υλικά χρησιμοποιούνται για τη λήψη αυτής της εικόνας.
Μια εικονική εικόνα είναι διαφορετική: όταν οι ακτίνες αποκλίνουν από έναν φακό, ο προσανατολισμός τους το κάνει Κοίτα σαν να προέρχονταν από την τοποθεσία της εικονικής εικόνας. Με άλλα λόγια, αν ακολουθήσετε τις διαθλασμένες ακτίνες προς τα πίσω αλλά ακολουθώντας μόνο ευθείες γραμμές, θα συγκλίνουν όλοι στη θέση της εικονικής εικόνας. Ωστόσο, οι ακτίνες φωτός δεν συγκλίνουν φυσικά σε αυτήν την τοποθεσία και αν τοποθετήσετε μια οθόνη εκεί, δεν θα βλέπετε μια εικόνα.
Τύποι φακών και πώς λειτουργούν
Ένας φακός κάμερας είναι ένας από τους πιο γνωστούς τύπους φακών που συναντάτε καθημερινά και αυτοί έρχονται σε πολλούς διαφορετικούς τύπους, αν και όλοι έχουν τις ίδιες βασικές αρχές λειτουργίας που περιγράφονται προηγουμένως.
Ο πρωταρχικός φακός είναι ένας βασικός φακός με σταθερό εστιακό μήκος και ένας φακός ζουμ έχει μεταβλητό εστιακό μήκος, οπότε δεν χρειάζεται να αλλάξετε φυσικά την τοποθεσία σας για να εστιάσετε σε κάτι. Ένας ευρυγώνιος φακός είναι ένας τύπος φακού με πολύ μικρό εστιακό μήκος που αυξάνει δραματικά το οπτικό πεδίο και ένας φακός fisheye είναι ουσιαστικά μια ακραία έκδοση ενός ευρυγώνιου φακού.
Άλλα παραδείγματα είναι οι τηλεφακοί φακοί, οι οποίοι έχουν πολύ μεγάλα εστιακά μήκη και προορίζονται να συλλάβουν θέματα που είναι πολύ μακριά μακριά, και φακοί μακροεντολών που προορίζονται να εστιάσουν σε πολύ κοντινά εύρη και είτε παράγουν εκδόσεις μεγέθους ζωής είτε μεγεθυσμένες αντικείμενα.
Άλλοι συνηθισμένοι τύποι φακών είναι οι φακοί γυαλιών ηλίου ή ο φακός επαφής και οι δύο αυτοί λειτουργούν για τη διόρθωση των προβλημάτων με την όρασή σας. Αν είστε "μυωπής", αυτό σημαίνει ότι οι φακοί ματιών σας δημιουργούν εικόνες μπροστά από τον ευαίσθητο στο φως αμφιβληστροειδή στο μάτι σας και επομένως χρειάζεστε αποκλίνοντες (κοίλους) φακούς για να μετακινήσετε την εικόνα πιο πίσω.
Εάν είστε "διορατικοί", οι φακοί στα μάτια σας θα παράγουν μια εικόνα πιο πίσω από τους αμφιβληστροειδείς σας, οπότε χρειάζεστε συγκλίνουσες φακούς για να διορθώσετε αυτό το πρόβλημα.
Και οι δύο φακοί επαφής και τα γυαλιά το διορθώνουν με τον ίδιο τρόπο - προσθέτοντας έναν επιπλέον διορθωτικό φακό για να γίνει αποτελεσματικός το εστιακό μήκος του ματιού σας ταιριάζει με την απόσταση από τον αμφιβληστροειδή σας - αλλά υπάρχουν διαφορές, επειδή οι φακοί επαφής κάθονται απευθείας στο δικό σας μάτια. Σε έναν φακό επαφής, ο φακός δεν χρειάζεται να καλύψει τόσο πολύ χώρο (χρειάζεται μόνο να είναι αρκετά μεγάλος για τον μαθητή σας στη μέγιστη διάστασή του) και μπορεί να το επιτύχει με λιγότερο υλικό. Για φακούς γυαλιών, ο φακός πρέπει να καλύπτει μια πολύ μεγαλύτερη περιοχή και συνεπώς είναι παχύτερος.