Objektiv (fizika): definicija, vrste i način rada

Svakodnevno se susrećete s lećama. Bilo da se radi o leći na kameri mobitela, lećama naočala ili kontaktnim lećama koje koristite da biste jasno vidjeli, povećala, mikroskopi, teleskopi ili nešto treće u potpunosti, fizika leća objašnjava kako se jednostavni komad stakla može koristiti za povećavanje, smanjivanje ili fokusiranje slika za bilo koja svrha.

U osnovi, leće djeluju savijanjem svjetlosnih zraka koje kroz njih prolaze kroz lom, ali ova se osnovna točka može implementirati na različite načine koji variraju ovisno o tipu leće. Srećom, osnove takvih leća lako je razumjeti kad saznate malo više o njihovom djelovanju.

Leća je komad prozirnog materijala koji je oblikovan tako da svjetlosne zrake savijaju na specifičan način kao i oni proći kroz nju, bez obzira znači li to da zrake konvergiraju u određenu točku ili da se razilaze kao iz određene točka. Upotrijebljeni materijal mogao bi biti komad stakla ili plastike, a oblik leće određuje hoće li uzrokovati zbližavanje ili razilaženje svjetlosnih zraka. Riječ "leća" potječe od latinske riječi "leća", zbog sličnosti u obliku između konvertirajuće leće i mahunarki.

Stvarno savijanje svjetlosnih zraka koje stvara leća događa se jer materijal leće ima drugačiji indeks loma od okolnog zraka. Ovo ponašanje opisuje Snell-ov zakon za lom, koji povezuje različit u kutu između upadne i prelomljene zrake svjetlosti s indeksima loma za dva materijala.

Ukratko, zakon kaže da, ako idete od tvari s nižim indeksom loma do više (npr. Iz zraka u staklo), svjetlosna zraka će se skrenuti prema "normalnom" na površine (tj. prema smjeru okomitom na površinu u toj točki) i da je suprotno vrijedi za svjetlosne zrake koje prelaze iz materijala s većim indeksom loma u niži jedan.

U optici se koristi nekoliko jedinstvenih izraza, a razumijevanje istih presudno je ako proučavate fiziku leća.

• The žarište je točka u kojoj se paralelne zrake konvergiraju nakon prolaska kroz leću.
• The žarišna duljina leće je udaljenost od središta do žarišne točke, koja u osnovi definira "snagu savijanja" leće.
• The optička os je linija simetrije za leću.
• A svjetlosna zraka je aproksimacija putanje svjetlosti, gdje se ravne crte koriste za predstavljanje kretanja svjetlosnih valova (ili fotona). Svaka točka na objektu stvara svjetlosne zrake u svim mogućim smjerovima, ali obično se odabere nekoliko specifičnih zraka kako bi se odredilo mjesto rezultirajuće slike.
• An optička leća je jedan komad materijala dizajniran da uzrokuje konvergenciju svjetlosnih zraka (konveksna leća) ili divergenciju (konkavna leća).
• A bikonveksna leća je jednostavna optička leća s dvije konveksne stranice (koja stvara oblik nalik leći koji je lećama dao ime), ponekad nazvana konveksno-konveksnom lećom i po definiciji ima pozitivnu žarišnu duljinu. Koriste se u povećalima, teleskopima, mikroskopima, pa čak i u ljudskom oku.
  
• The Dubina polja opisuje raspon udaljenosti na kojima su objekti u fokusu kada se gledaju kroz leću, a posebno je uobičajena terminologija u fotografiji. Budući da su svjetlosni senzori u kamerama fiksne veličine, ako je slika u pitanju malo neusredotočeno, ali količina pogreške je dovoljno mala, zapravo se neće registrirati kao izvan fokusa. Ovaj opseg fokusa je dubina polja.
• The glavna leća je leća koja se koristi u fotografiji s fiksnom žarišnom duljinom, za razliku od zum objektiva kod kojih se žarišna duljina može mijenjati. U drugim kontekstima, međutim, osnovna leća može se koristiti u značenju primarne leće u sustavu koji se sastoji od više leća.

Zračni dijagrami izuzetno su koristan alat u optici i pomoću njih se pronalazi mjesto na kojem će se oblikovati slika na temelju položaja predmeta i leće. Crtajući neko ključno svjetlo koje izlazi iz objekta i označavajući im put dok prolaze kroz leću, točka na kojoj se susreću je mjesto na kojem će se slika formirati.

Ovaj se postupak može izvesti pomoću Snellova zakona loma, ali nekoliko trikova također može pojednostaviti postupak. Na primjer, zraka koja prolazi kroz središte leće jedva da je skrenuta, i to ona udara u leću okomitu na optičku os i lomi se da prolazi kroz žarišnu točku za leće.

Slika koju stvara leća može biti stvarna ili virtualna. Za stvarnu sliku svjetlosne zrake konvergiraju se da bi stvorile sliku na određenom mjestu i mogli biste je vidjeti ako ste postavili zaslon na to mjesto. U ljudskom oku i području iza leće fotoaparata koriste se fotosenzibilne stanice ili materijali za prikupljanje ove slike.

Virtualna slika je drugačija: kad se zrake odmaknu od leće, njihova orijentacija to čini izgled kao da su došli s mjesta virtualne slike. Drugim riječima, ako lomite prelomljene zrake unatrag, ali samo slijedeći ravne crte, svi će se konvergirati na mjestu virtualne slike. Međutim, zrake svjetlosti se fizički ne konvergiraju na ovom mjestu i ako biste tamo postavili zaslon, ne biste vidjeli sliku.

Objektiv fotoaparata jedna je od najpoznatijih vrsta leća s kojima se svakodnevno susrećete, a one dolaze u mnogo različitih vrsta, iako svi dijele ista osnovna načela djelovanja koja su navedena prethodno.

Vrhunska leća osnovna je leća s fiksnom žarišnom duljinom, a zum leća ima promjenljivu žarišnu duljinu, tako da ne morate fizički mijenjati svoje mjesto da biste nešto fokusirali. Širokokutna leća vrsta je leće s vrlo malom žarišnom duljinom koja dramatično povećava vidno polje, a leća ribljeg oka u osnovi je ekstremna inačica širokokutne leće.

Ostali primjeri su telefoto leće koje imaju vrlo velike žarišne duljine i namijenjene su snimanju udaljenih objekata daleko, i makro leće koje su namijenjene za fokusiranje na vrlo bliskom dometu i proizvode ili verzije u prirodnoj veličini ili uvećane predmeta.

Ostale uobičajene vrste leća su naočalne leće ili kontaktne leće, a obje rade na ispravljanju problema s vidom. Ako ste "kratkovidni", to znači da vaše očne leće stvaraju slike ispred mrežnice osjetljive na svjetlo u vašem oku, pa su vam potrebne divergentne (konkavne) leće da biste sliku pomaknuli unatrag.

Ako ste "dalekovidni", leće u vašim očima stvorile bi sliku udaljeniju od vaših mrežnica, tako da su vam potrebne konvergencijske leće da biste riješili ovaj problem.

I kontaktne leće i naočale ispravljaju to na isti način - dodavanjem dodatne korektivne leće kako bi efekt bio učinkovit žarišna duljina vašeg oka odgovara udaljenosti od vaše mrežnice - ali postoje razlike jer kontaktne leće sjede izravno na vašoj oči. U kontaktnoj leći leća ne treba pokriti toliko prostora (mora biti dovoljno velika da vaša zjenica bude u najvećem širenju) i to može postići s manje materijala. Za naočalne leće leća mora pokriti puno veće područje i kao rezultat toga je deblja.