עדשה (פיזיקה): הגדרה, סוגים וכיצד הם עובדים

אתה נתקל בעדשות כל יום. בין אם מדובר בעדשה במצלמת הטלפון הסלולרי שלך, בעדשות המשקפיים או בעדשות מגע בהן אתה רואה כדי לראות בבירור, משקפי הגדלה, מיקרוסקופים, טלסקופים או משהו אחר לגמרי, הפיזיקה של העדשות מסבירה כיצד ניתן להשתמש בחתיכת זכוכית פשוטה להגדלה, למזערה או להבאת תמונות למיקוד כל מטרה.

בעיקרו של דבר, עדשות עובדות על ידי כיפוף קרני אור העוברות דרכן באמצעות שבירה, אך ניתן ליישם נקודה בסיסית זו בדרכים שונות המשתנות בהתאם לסוג העדשה. למרבה המזל קל להבין את היסודות של עדשות כאלה כשאתה לומד קצת יותר על אופן הפעולה שלהן.

עדשה היא פיסת חומר שקוף המעוצבת כך שתכופף את קרני האור בצורה ספציפית כשהם לעבור דרכו, בין אם זה אומר לגרום לקרניים להתכנס לנקודה מסוימת או לסטות כאילו מספציפית נְקוּדָה. החומר המשמש יכול להיות פיסת זכוכית או פלסטיק, וצורת העדשה קובעת אם היא גורמת לקרני אור להתכנס או להתפזר. המילה "עדשה" מגיעה מהמילה הלטינית עבור "עדשים", בשל הדמיון בצורה בין עדשה מתכנסת לקטנית.

כיפוף קרני האור המופקות על ידי עדשה בפועל מתרחש מכיוון שלחומר העדשה אינדקס שבירה שונה מזה של האוויר שמסביב. התנהגות זו מתוארת בחוק השבירה של סנל, המתייחס לשונה בזווית בין האירוע לקרן האור השבירה למדדי השבירה של שני החומרים.

בקיצור, החוק אומר שאם אתה עובר מחומר באינדקס השבירה התחתון לחומר גבוה יותר (למשל, מאוויר לזכוכית), קרן האור מוסטת לכיוון ה"רגיל "אל ה משטח (כלומר, לכיוון הניצב לפני השטח בנקודה זו) וכי ההפך הוא הנכון לגבי קרני אור העוברות מחומר אינדקס שבירה גבוה יותר לחומר נמוך יותר אחד.

ישנם לא מעט מונחים ייחודיים המשמשים באופטיקה, והבנתם חיונית אם אתה לומד פיזיקה של עדשות.

• ה מוקד היא הנקודה שבה קרניים מקבילות מתכנסות כאשר עוברות דרך עדשה.
• ה אורך מוקד של עדשה הוא המרחק ממרכזה לנקודת המוקד, ובעצם מגדיר את "כוח הכיפוף" של העדשה.
• ה ציר אופטי הוא קו הסימטריה של העדשה.
• א קרן אור הוא קירוב של נתיב האור, כאשר קווים ישרים משמשים לייצוג תנועת גלי האור (או הפוטונים). כל נקודה באובייקט מייצרת קרני אור לכל כיוון אפשרי, אך בדרך כלל נבחרות כמה קרניים ספציפיות לקביעת מיקום התמונה המתקבלת.
• An עדשה אופטית הוא פיסת חומר אחת שנועדה לגרום לקרני אור להתכנס (עדשה קמורה) או לסטות (עדשה קעורה).
• א עדשה דו קמורה היא עדשה אופטית פשוטה עם שני צדדים קמורים (המייצרת את הצורה הדומה לעדשה שהעניקה לעדשות את שמם), המכונה לעיתים עדשה קמורה וקמורה ובעלת הגדרת אורך מוקד חיובי. הם משמשים במשקפי זכוכית מגדלים, טלסקופים, מיקרוסקופים ואפילו בעין האנושית.
  
• ה עומק השדה מתאר את טווח המרחקים בהם אובייקטים נמצאים במוקד כאשר הם נצפים דרך עדשה, והוא טרמינולוגיה נפוצה בצילום בפרט. מכיוון שחיישני האור במצלמות הם בגודל קבוע, אם התמונה כן מְעַט לא ממוקד אבל כמות השגיאה קטנה מספיק, זה לא יירשם בפועל מחוץ לפוקוס. טווח המיקוד הזה הוא עומק השדה.
• ה עדשת פריים היא עדשה המשמשת בצילום עם אורך מוקד קבוע, בניגוד לעדשות זום בהן ניתן לשנות את אורך המוקד. בהקשרים אחרים, עם זאת, ניתן להשתמש בעדשות ראשוניות בכדי להתכוון לעדשה הראשית במערכת המורכבת ממספר עדשות.

דיאגרמות קרניים הן כלי שימושי ביותר באופטיקה, והן משמשות למציאת המיקום בו תיווצר תמונה על סמך מיקום האובייקט והעדשה. על ידי ציור איזה אור מפתח שמגיח מאובייקט ומסמן את דרכם כשעוברים דרך העדשה, הנקודה שבה הם נפגשים היא המקום בו התמונה תיווצר.

ניתן לעשות תהליך זה באמצעות חוק השבירה של סנל, אך כמה טריקים יכולים לפשט גם את התהליך. לדוגמא, קרן שעוברת במרכז העדשה כמעט ולא מוסטת בכלל, וכזו פוגע בעדשה בניצב לציר האופטי ונשבר לעבור דרך מוקד ה - עֲדָשָׁה.

התמונה שמייצרת העדשה יכולה להיות אמיתית או וירטואלית. לקבלת תמונה אמיתית, קרני האור מתכנסות ליצירת תמונה במיקום מסוים, ותוכלו לראות את התמונה אם תציבו מסך באותו מיקום. בעין האנושית ובאזור שמאחורי עדשת מצלמה, משתמשים בתאים או בחומרים רגישים לאיסוף תמונה זו.

תמונה וירטואלית שונה: כאשר הקרניים סוטות מהעדשה, הכיוון שלהן הופך אותה תראה כאילו הם הגיעו ממיקום התמונה הווירטואלית. במילים אחרות, אם אתה עוקב אחר הקרניים השבורות לאחור אבל רק עוקב אחר קווים ישרים, כולם יתכנסו במיקום התמונה הווירטואלית. עם זאת, קרני אור אינן מתכנסות פיזית במיקום זה, ואם היית שם מסך, לא תראה תמונה.

עדשת מצלמה היא אחד מסוגי העדשות המוכרות ביותר בהן אתה נתקל ביום יום, ואלה מגיעים בסוגים רבים ושונים, אם כי כולם חולקים את אותם עקרונות פעולה בסיסיים המתוארים קוֹדֶם.

עדשת פריים היא עדשה בסיסית עם אורך מוקד קבוע, ועדשת זום היא בעלת אורך מוקד משתנה, כך שאינך צריך לשנות פיזית את מיקומך כדי לקבל משהו בפוקוס. עדשה רחבת זווית היא סוג של עדשה עם אורך מוקד קטן מאוד המגדיל באופן דרמטי את שדה הראייה, ועדשת עין הדג היא למעשה גרסה קיצונית של עדשת זווית רחבה.

דוגמאות נוספות הן עדשות טלה, שאורכי המוקד ארוכים מאוד ונועדו ללכוד נושאים רחוקים משם, ועדשות מקרו שנועדו להתמקד בטווחים קרובים מאוד ולהפיק גרסאות בגודל טבעי או מוגדלות חפצים.

סוגים נפוצים אחרים של עדשות הם עדשות משקפיים או עדשות המגע, ושתי אלו פועלות לתיקון הבעיות בראייה. אם אתה "רואי ראייה", המשמעות היא שעדשות העיניים שלך יוצרות תמונות מול הרשתית הרגישה לאור בעין שלך, ולכן אתה זקוק לעדשות שונות (קעורות) כדי להעביר את התמונה אחורה.

אם אתה "רוחק ראיה", העדשות בעיניך היו מייצרות תמונה רחוקה יותר מהרשתית שלך, אז אתה זקוק לעדשות מתכנסות כדי לתקן בעיה זו.

גם עדשות המגע וגם המשקפיים מתקנות זאת באותו אופן - על ידי הוספת עדשת תיקון נוספת כדי להפוך את היעיל אורך המוקד של העין תואם את המרחק לרשתית העין - אבל יש הבדלים מכיוון שעדשות מגע יושבות ישירות על שלך עיניים. בעדשת מגע, העדשה לא צריכה לכסות מקום רב (היא צריכה להיות גדולה מספיק עבור האישון שלך בהתרחבות המקסימלית שלה) והיא יכולה להשיג זאת בפחות חומר. עבור עדשות משקפיים, העדשה צריכה לכסות שטח גדול בהרבה והיא עבה יותר כתוצאה מכך.