Vous rencontrez des lentilles tous les jours. Qu'il s'agisse de l'objectif de l'appareil photo de votre téléphone portable, des lentilles des lunettes ou des lentilles de contact que vous utilisez pour voir clairement, des loupes, des microscopes, télescopes ou autre chose, la physique des lentilles explique comment un simple morceau de verre peut être utilisé pour agrandir, minimiser ou mettre au point des images pour n'importe quel but.
Essentiellement, les lentilles fonctionnent en courbant les rayons lumineux qui les traversent par réfraction, mais ce point fondamental peut être mis en œuvre de différentes manières qui varient selon le type de lentille. Heureusement, les bases de ces lentilles sont faciles à comprendre lorsque vous en apprenez un peu plus sur leur fonctionnement.
Qu'est-ce qu'un objectif ?
Une lentille est un morceau de matériau transparent qui est façonné de manière à faire plier les rayons lumineux d'une manière spécifique lorsqu'ils le traverser, qu'il s'agisse de faire converger les rayons vers un point précis ou de diverger comme d'un point précis point. Le matériau utilisé peut être un morceau de verre ou de plastique, et la forme de la lentille détermine si elle fait converger ou diverger les rayons lumineux. Le mot "lentille" vient du mot latin pour "lentille", en raison de la similitude de forme entre une lentille convergente et la légumineuse.
La courbure réelle des rayons lumineux produits par une lentille se produit parce que le matériau de la lentille a un indice de réfraction différent de celui de l'air environnant. Ce comportement est décrit par la loi de Snell pour la réfraction, qui relie la différence d'angle entre le rayon lumineux incident et réfracté aux indices de réfraction des deux matériaux.
En bref, la loi dit que si vous passez d'une substance à indice de réfraction inférieur à une substance plus élevée (par exemple, de l'air au verre), le rayon lumineux est dévié vers la "normale" vers la surface (c'est-à-dire vers la direction perpendiculaire à la surface en ce point) et que l'inverse est vrai pour les rayons lumineux allant d'un matériau à indice de réfraction plus élevé à un une.
Définitions
Il existe de nombreux termes uniques utilisés en optique, et les comprendre est crucial si vous étudiez la physique des lentilles.
- le point focal est le point où les rayons parallèles convergent après avoir traversé une lentille.
- le distance focale d'une lentille est la distance entre son centre et le foyer, définissant essentiellement le « pouvoir de courbure » d'une lentille.
- le axe optique est l'axe de symétrie de la lentille.
- UNE rayon de lumière est une approximation du trajet de la lumière, où des lignes droites sont utilisées pour représenter le mouvement des ondes lumineuses (ou photons). Chaque point sur un objet produit des rayons lumineux dans toutes les directions possibles, mais généralement quelques rayons spécifiques sont choisis pour déterminer l'emplacement de l'image résultante.
- Un lentille optique est une pièce unique de matériau conçue pour faire converger les rayons lumineux (lentille convexe) ou diverger (lentille concave).
- UNE lentille biconvexe est une lentille optique simple avec deux côtés convexes (produisant la forme de lentille qui a donné leur nom aux lentilles), parfois appelée lentille convexe-convexe et ayant une distance focale positive par définition. Ils sont utilisés dans les loupes, les télescopes, les microscopes et même l'œil humain.
- le profondeur de champ décrit la plage de distances auxquelles les objets sont mis au point lorsqu'ils sont vus à travers un objectif, et est une terminologie courante en photographie en particulier. Étant donné que les capteurs de lumière des caméras sont de taille fixe, si l'image est légèrement non focalisé mais la quantité d'erreur est suffisamment petite, elle ne sera pas réellement enregistrée comme floue. Cette plage de mise au point est la profondeur de champ.
- le objectif principal est un objectif utilisé en photographie avec une distance focale fixe, par opposition aux objectifs zoom où la distance focale peut être modifiée. Dans d'autres contextes, cependant, la lentille principale peut être utilisée pour désigner la lentille principale dans un système composé de plusieurs lentilles.
Diagrammes de rayons
Les diagrammes de rayons sont un outil extrêmement utile en optique, et ils sont utilisés pour trouver l'emplacement où une image sera formée en fonction de l'emplacement de l'objet et de l'objectif. En dessinant une lumière clé émergeant d'un objet et en marquant leur chemin lorsqu'ils passent à travers l'objectif, le point où ils se rencontrent est l'endroit où l'image sera formée.
Ce processus peut être effectué en utilisant la loi de réfraction de Snell, mais quelques astuces peuvent également simplifier le processus. Par exemple, un rayon qui passe par le centre de la lentille est à peine dévié, et celui qui frappe la lentille perpendiculairement à l'axe optique est réfractée pour passer par le foyer pour le lentille.
L'image produite par la lentille peut être réelle ou virtuelle. Pour une image réelle, les rayons lumineux convergent pour former une image à un endroit spécifique, et vous pourriez voir cette image si vous placiez un écran à cet endroit. Dans l'œil humain et la région derrière l'objectif d'une caméra, des cellules ou des matériaux photosensibles sont utilisés pour capter cette image.
Une image virtuelle est différente: lorsque les rayons s'écartent d'une lentille, leur orientation la rend voir comme s'ils provenaient de l'emplacement de l'image virtuelle. En d'autres termes, si vous suivez les rayons réfractés vers l'arrière mais en suivant uniquement des lignes droites, ils convergeront tous à l'emplacement de l'image virtuelle. Cependant, les rayons lumineux ne convergent pas physiquement à cet endroit, et si vous y placiez un écran, vous ne verriez pas d'image.
Types de lentilles et comment elles fonctionnent
Un objectif de caméra est l'un des types d'objectifs les plus familiers que vous rencontrez quotidiennement, et ceux-ci viennent dans de nombreux types différents, bien qu'ils partagent tous les mêmes principes de base de fonctionnement décrits précédemment.
Un objectif principal est un objectif de base avec une distance focale fixe, et un objectif zoom a une distance focale variable, vous n'avez donc pas à changer physiquement de position pour obtenir quelque chose au point. Un objectif grand angle est un type d'objectif avec une très petite distance focale qui augmente considérablement le champ de vision, et un objectif fisheye est essentiellement une version extrême d'un objectif grand angle.
D'autres exemples sont les téléobjectifs, qui ont des distances focales très longues et sont destinés à capturer des sujets éloignés et les objectifs macro destinés à faire la mise au point à des distances très rapprochées et à produire des versions grandeur nature ou agrandies de objets.
D'autres types de lentilles courantes sont les lentilles de lunettes ou les lentilles de contact, et les deux agissent pour corriger les problèmes de vision. Si vous êtes « myope », cela signifie que vos lentilles oculaires créent des images devant la rétine sensible à la lumière de votre œil, et vous avez donc besoin de lentilles divergentes (concaves) pour déplacer l'image plus en arrière.
Si vous êtes « hypermétrope », les lentilles de vos yeux produiraient une image plus en arrière que vos rétines, vous avez donc besoin de lentilles convergentes pour corriger ce problème.
Les lentilles de contact et les lunettes corrigent cela de la même manière - en ajoutant une lentille correctrice supplémentaire pour rendre le traitement efficace la distance focale de votre œil correspond à la distance de votre rétine - mais il existe des différences car les lentilles de contact reposent directement sur votre les yeux. Dans une lentille de contact, la lentille n'a pas besoin de couvrir autant d'espace (elle doit seulement être assez grande pour votre pupille à sa dilatation maximale) et peut y parvenir avec moins de matière. Pour les verres de lunettes, le verre doit couvrir une zone beaucoup plus grande et est donc plus épais.
