Linssejä kohtaat joka päivä. Olipa kyse matkapuhelimen kameran objektiivista, silmälasien linsseistä tai piilolinsseistä, joita käytät selkeästi, suurennuslasit, mikroskoopit, teleskooppeja tai jotain muuta, linssien fysiikka selittää, kuinka yksinkertaisella lasikappaleella voidaan suurentaa, minimoida tai kohdistaa kuvia mihinkään tarkoitukseen.
Pohjimmiltaan linssit toimivat taivuttamalla niiden läpi kulkevia valonsäteitä taittumisen kautta, mutta tämä peruspiste voidaan toteuttaa eri tavoin, jotka vaihtelevat linssityypin mukaan. Onneksi tällaisten linssien perusteet on helppo ymmärtää, kun opit hieman enemmän niiden toiminnasta.
Mikä on linssi?
Linssi on pala läpinäkyvää materiaalia, joka on muotoiltu siten, että se saa valonsäteet taipumaan tietyllä tavalla kuin ne kulkea sen läpi, merkitseekö se säteiden lähentymistä tiettyyn pisteeseen vai eroamista kuin tietystä kohta. Käytettävä materiaali voi olla lasia tai muovia, ja linssin muoto määrää, aiheuttaako se valonsäteiden lähentymistä vai eroamista. Sana "linssi" tulee latinankielisestä sanasta "linssi" johtuen yhtenevän linssin ja palkokasvin muodon samankaltaisuudesta.
Linssin tuottama varsinainen valonsäteiden taivutus tapahtuu, koska linssimateriaalilla on eri taitekerroin kuin ympäröivällä ilmalla. Tätä käyttäytymistä kuvataan Snellin taittumislaissa, joka suhteuttaa kulman ja kulkeutuneen valonsäteen välisen kulman erilaisuuden kahden materiaalin taitekertoimiin.
Lyhyesti sanottuna laissa sanotaan, että jos siirryt alhaisemmasta taitekerroinaineesta korkeammalle (esim. Ilmasta lasiin), valonsäde taipuu kohti "normaalia" kohti pintaan (ts. kohti kohtaa, joka on kohtisuorassa pintaa kohtaan tässä kohdassa) ja että päinvastainen pätee valonsäteille, jotka menevät korkeammasta taitekerroinmateriaalista alempaan yksi.
Määritelmät
Optiikassa käytetään melko monta ainutlaatuista termiä, joiden ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää, jos opiskelet linssien fysiikkaa.
- keskipiste on kohta, jossa yhdensuuntaiset säteet yhtyvät, kun ne kulkevat linssin läpi.
- polttoväli linssin etäisyys sen keskipisteestä polttopisteeseen määrittelee olennaisesti linssin "taivutustehon".
- optinen akseli on objektiivin symmetrinen viiva.
- A valonsäde on likimääräinen valopolku, jossa suoria viivoja käytetään kuvaamaan valoaaltojen (tai fotonien) liikettä. Objektin jokainen piste tuottaa valonsäteitä kaikkiin mahdollisiin suuntiin, mutta yleensä muutama tietty säde valitaan saadun kuvan sijainnin määrittämiseksi.
- An optinen linssi on yksi materiaalikappale, joka on suunniteltu aikaansaamaan valonsäteiden lähentyminen (kupera linssi) tai eroaminen (kovera linssi).
- A kaksoiskupera linssi on yksinkertainen optinen linssi, jolla on kaksi kuperaa sivua (tuottaen linssimaisen muodon, joka antoi linsseille nimen), jota joskus kutsutaan kuperaksi-kuperaksi linssiksi ja jolla on määritelmän mukaan positiivinen polttoväli. Niitä käytetään suurennuslasissa, teleskoopeissa, mikroskoopeissa ja jopa ihmissilmässä.
- terävyysalue kuvaa etäisyyksien aluetta, jolla kohteet ovat tarkennettuina objektiivin kautta katsottuna, ja on yleinen terminologia erityisesti valokuvauksessa. Koska kameroiden valoanturit ovat kiinteitä, jos kuva on hieman epätarkka, mutta virhemäärä on riittävän pieni, sitä ei todellakaan rekisteröidä epätarkaksi. Tämä tarkennusalue on syväterävyys.
- pääobjektiivi on objektiivi, jota käytetään valokuvauksessa kiinteällä polttovälillä, toisin kuin zoomobjektiivit, joissa polttoväliä voidaan muuttaa. Muissa yhteyksissä päälinssillä voidaan kuitenkin tarkoittaa päälinssiä useista linsseistä koostuvassa järjestelmässä.
Ray-kaaviot
Sädekaaviot ovat erittäin hyödyllinen työkalu optiikassa, ja niitä käytetään kohteen ja linssin sijainnin perusteella paikan löytämiseen, jossa kuva muodostetaan. Piirtämällä esineestä nouseva avainvalo ja merkitsemällä niiden polku linssin läpi kulkiessaan kohta muodostuu kuvasta.
Tämä prosessi voidaan tehdä käyttämällä Snellin taittolakia, mutta muutama temppu voi myös yksinkertaistaa prosessia. Esimerkiksi objektiivin keskustan läpi kulkeva säde on tuskin taipunut lainkaan, ja yksi törmäys linssiin kohtisuorassa optiseen akseliin taittuu kulkemaan polttopisteen läpi linssi.
Linssin tuottama kuva voi olla todellinen tai virtuaalinen. Todellisessa kuvassa valonsäteet yhtyvät muodostaen kuvan tietyssä paikassa, ja voit nähdä kuvan, jos sijoitat näytön kyseiseen paikkaan. Ihmissilmässä ja kameran linssin takana olevalla alueella valoherkät solut tai materiaalit käytetään tämän kuvan ottamiseen.
Virtuaalikuva on erilainen: kun säteet eroavat linssistä, niiden suunta tekee siitä Katso kuin ne tulisivat virtuaalikuvan sijainnista. Toisin sanoen, jos seuraat taittuneita säteitä taaksepäin mutta vain suoria viivoja noudattaen, ne kaikki lähestyvät virtuaalikuvan sijaintia. Valonsäteet eivät kuitenkaan fyysisesti lähesty tässä paikassa, ja jos sijoitat näytön sinne, et näe kuvaa.
Linssityypit ja niiden toiminta
Kameran linssi on yksi tunnetuimmista linssityypeistä, joita kohtaat päivittäin, ja nämä tulevat monissa erityyppisissä, vaikka niillä kaikilla on samat hahmotellut toimintaperiaatteet aiemmin.
Ensilinssi on perusobjektiivi, jolla on kiinteä polttoväli, ja zoom-objektiivilla on vaihteleva polttoväli, joten sinun ei tarvitse muuttaa fyysisesti sijaintiasi saadaksesi tarkennuksen. Laajakulmaobjektiivi on eräänlainen linssi, jolla on hyvin pieni polttoväli, mikä lisää dramaattisesti näkökenttää, ja kalansilmälinssi on pohjimmiltaan laajakulmalinssin äärimmäinen versio.
Muita esimerkkejä ovat teleobjektiivit, joilla on erittäin pitkä polttoväli ja jotka on tarkoitettu kaappaamaan kaukana olevia kohteita pois ja makro-linssit, joiden on tarkoitus tarkentaa hyvin lähietäisyydeltä ja joko tuottaa luonnollisen kokoisia tai suurennettuja versioita esineitä.
Muita yleisiä linssityyppejä ovat silmälasilinssit tai piilolinssit, ja molemmat näistä korjaavat näkösi ongelmat. Jos olet "lyhytnäköinen", se tarkoittaa, että silmälinssi luo kuvia silmän valoherkän verkkokalvon eteen, joten kuvan siirtämiseen taaksepäin tarvitaan erillisiä (koveria) linssejä.
Jos olet "kaukonäköinen", silmiesi linssit tuottavat kuvan, joka on pidemmälle kuin verkkokalvosi, joten tarvitset lähentyviä linssejä ongelman korjaamiseksi.
Sekä piilolinssit että silmälasit korjaavat tämän samalla tavalla - lisäämällä tehokkuuden lisäävä korjaava linssi silmän polttoväli vastaa etäisyyttä verkkokalvoon - mutta eroja on, koska piilolinssit istuvat suoraan sinun silmät. Piilolinssissä linssin ei tarvitse peittää niin paljon tilaa (sen on oltava riittävän suuri oppilasellesi suurimmalla laajennuksella) ja se voidaan saavuttaa pienemmällä materiaalilla. Silmälasilinsseissä linssin on peitettävä paljon suurempi alue ja sen seurauksena se on paksumpi.