Incontri lenti ogni giorno. Che si tratti dell'obiettivo della fotocamera del tuo cellulare, delle lenti degli occhiali o delle lenti a contatto che usi per vedere chiaramente, lenti di ingrandimento, microscopi, telescopi o qualcos'altro, la fisica delle lenti spiega come un semplice pezzo di vetro può essere usato per ingrandire, minimizzare o mettere a fuoco le immagini per qualsiasi scopo.
In sostanza, le lenti funzionano piegando i raggi luminosi che le attraversano per rifrazione, ma questo punto fondamentale può essere implementato in modi diversi che variano a seconda del tipo di lente. Fortunatamente, le basi di tali obiettivi sono facili da capire quando impari un po' di più su come funzionano.
Che cos'è una lente?
Una lente è un pezzo di materiale trasparente che è sagomato in modo tale da far piegare i raggi di luce in un modo specifico mentre attraversarlo, sia che ciò significhi far convergere i raggi verso un punto specifico o divergere come da uno specifico punto. Il materiale utilizzato potrebbe essere un pezzo di vetro o plastica e la forma della lente determina se fa convergere o divergere i raggi luminosi. La parola "lente" deriva dal latino "lenticchia", per la somiglianza di forma tra una lente convergente e il legume.
L'effettiva flessione dei raggi luminosi prodotti da una lente si verifica perché il materiale della lente ha un indice di rifrazione diverso rispetto all'aria circostante. Questo comportamento è descritto dalla legge di Snell per la rifrazione, che mette in relazione la differenza di angolo tra il raggio di luce incidente e quello rifratto con gli indici di rifrazione dei due materiali.
In breve, la legge dice che se si passa da una sostanza con indice di rifrazione più basso ad una più alta (es. dall'aria al vetro), il raggio luminoso viene deviato verso il "normale" verso il superficie (cioè verso la direzione perpendicolare alla superficie in quel punto) e che è vero il contrario per i raggi luminosi che vanno da un materiale con indice di rifrazione più alto a un materiale con indice di rifrazione più basso uno.
Definizioni
Ci sono alcuni termini unici usati nell'ottica e comprenderli è fondamentale se stai studiando la fisica delle lenti.
- Il punto focale è il punto in cui i raggi paralleli convergono quando passano attraverso una lente.
- Il lunghezza focale di una lente è la distanza dal suo centro al punto focale, definendo essenzialmente il "potere di flessione" di una lente.
- Il asse ottico è la linea di simmetria per la lente.
- UN raggio di luce è un'approssimazione del percorso della luce, dove le linee rette vengono utilizzate per rappresentare il movimento delle onde luminose (o fotoni). Ogni punto su un oggetto produce raggi di luce in ogni direzione possibile, ma di solito vengono scelti alcuni raggi specifici per determinare la posizione dell'immagine risultante.
- Un lente ottica è un unico pezzo di materiale progettato per far convergere i raggi luminosi (lente convessa) o divergere (lente concava).
- UN lente biconvessa è una semplice lente ottica con due lati convessi (che produce la forma a lenticchia che ha dato il nome alle lenti), a volte chiamata lente convessa-convessa e avente una lunghezza focale positiva per definizione. Sono utilizzati in lenti d'ingrandimento, telescopi, microscopi e persino nell'occhio umano.
- Il profondità di campo descrive la gamma di distanze a cui gli oggetti sono a fuoco se visti attraverso un obiettivo ed è una terminologia comune in particolare in fotografia. Poiché i sensori di luce nelle fotocamere sono di dimensioni fisse, se l'immagine è leggermente non focalizzato ma la quantità di errore è sufficientemente piccola, in realtà non si registrerà come fuori fuoco. Questa gamma di messa a fuoco è la profondità di campo.
- Il obiettivo principale è un obiettivo utilizzato in fotografia con una lunghezza focale fissa, al contrario degli obiettivi zoom in cui la lunghezza focale può essere modificata. In altri contesti, tuttavia, l'obiettivo principale può essere utilizzato per indicare l'obiettivo primario in un sistema composto da più obiettivi.
Diagrammi dei raggi
I diagrammi dei raggi sono uno strumento estremamente utile in ottica e vengono utilizzati per trovare la posizione in cui verrà formata un'immagine in base alla posizione dell'oggetto e dell'obiettivo. Disegnando una luce chiave che emerge da un oggetto e segnando il loro percorso mentre passano attraverso l'obiettivo, il punto in cui si incontrano è dove si formerà l'immagine.
Questo processo può essere eseguito utilizzando la legge della rifrazione di Snell, ma anche alcuni trucchi possono semplificare il processo. Ad esempio, un raggio che passa attraverso il centro della lente viene deviato a malapena e uno che colpisce la lente perpendicolarmente all'asse ottico viene rifratta per passare attraverso il punto focale per il lente.
L'immagine prodotta dall'obiettivo può essere reale o virtuale. Per un'immagine reale, i raggi di luce convergono per formare un'immagine in una posizione specifica e potresti vedere quell'immagine se posizionassi uno schermo in quella posizione. Nell'occhio umano e nella regione dietro l'obiettivo di una fotocamera, vengono utilizzate cellule o materiali fotosensibili per catturare questa immagine.
Un'immagine virtuale è diversa: quando i raggi divergono da una lente, il loro orientamento lo fa Guarda come se provenissero dalla posizione dell'immagine virtuale. In altre parole, se segui i raggi rifratti all'indietro ma solo seguendo linee rette, convergeranno tutti nella posizione dell'immagine virtuale. Tuttavia, i raggi di luce non convergono fisicamente in questa posizione e se posizionassi uno schermo lì, non vedresti un'immagine.
Tipi di lenti e come funzionano
L'obiettivo della fotocamera è uno dei tipi più familiari di obiettivi che incontri quotidianamente, e questi vengono in molti tipi diversi, sebbene tutti condividano gli stessi principi di funzionamento di base delineati in precedenza.
Un obiettivo principale è un obiettivo di base con una lunghezza focale fissa e un obiettivo zoom ha una lunghezza focale variabile, quindi non devi cambiare fisicamente la tua posizione per mettere a fuoco qualcosa. Un obiettivo grandangolare è un tipo di obiettivo con una lunghezza focale molto ridotta che aumenta notevolmente il campo visivo e un obiettivo fisheye è essenzialmente una versione estrema di un obiettivo grandangolare.
Altri esempi sono i teleobiettivi, che hanno lunghezze focali molto lunghe e sono destinati a catturare soggetti lontani that di distanza e obiettivi macro progettati per mettere a fuoco a distanze molto ravvicinate e produrre versioni a grandezza naturale o ingrandite di oggetti.
Altri tipi comuni di lenti sono le lenti per occhiali o le lenti a contatto, ed entrambi funzionano per correggere i problemi con la vista. Se sei "miope", significa che le lenti degli occhi creano immagini davanti alla retina sensibile alla luce nell'occhio, quindi hai bisogno di lenti divergenti (concave) per spostare l'immagine più indietro.
Se sei "ipermetrope", le lenti dei tuoi occhi produrrebbero un'immagine più indietro rispetto alle tue retine, quindi hai bisogno di lenti convergenti per correggere questo problema.
Sia le lenti a contatto che gli occhiali correggono questo problema allo stesso modo, aggiungendo una lente correttiva aggiuntiva per rendere efficace la lunghezza focale dell'occhio corrisponde alla distanza dalla retina, ma ci sono differenze perché le lenti a contatto si posizionano direttamente sul tuo occhi. In una lente a contatto, la lente non ha bisogno di coprire tanto spazio (deve solo essere abbastanza grande per la tua pupilla alla sua massima dilatazione) e può raggiungere questo obiettivo con meno materiale. Per le lenti degli occhiali, la lente deve coprire un'area molto più ampia e di conseguenza è più spessa.