Objektīvs (fizika): definīcija, veidi un kā tie darbojas

Ar lēcām jūs sastopaties katru dienu. Neatkarīgi no tā, vai tas ir jūsu mobilā tālruņa kameras objektīvs, vai brilles vai kontaktlēcas, kuras izmantojat, lai skaidri redzētu, palielināmie brilles, mikroskopi, teleskopus vai kaut ko citu, objektīvu fizika izskaidro, kā vienkāršu stikla gabalu var izmantot, lai palielinātu, samazinātu vai fokusētu attēlus jebkuram mērķim.

Būtībā lēcas darbojas, saliekot gaismas starus, kas caur tiem šķērso refrakcijas ceļā, taču šo pamatpunktu var īstenot dažādos veidos, kas atšķiras atkarībā no objektīva veida. Par laimi, šādu objektīvu pamatus ir viegli saprast, uzzinot nedaudz vairāk par to darbību.

Objektīvs ir caurspīdīga materiāla gabals, kas ir veidots tā, lai izraisītu gaismas staru izliekšanos noteiktā veidā šķērsot to, neatkarīgi no tā, vai tas liek stariem saplūst noteiktā punktā vai novirzīties it kā no konkrēta punkts. Izmantotais materiāls varētu būt stikla vai plastmasas gabals, un lēcas forma nosaka, vai tas izraisa gaismas staru saplūšanu vai atšķiršanos. Vārds “lēca” cēlies no latīņu vārda “lēca”, pateicoties formas līdzībai starp saplūstošo lēcu un pākšaugu.

Lēcas faktiskā gaismas staru liece notiek tāpēc, ka lēcas materiālam ir atšķirīgs refrakcijas indekss nekā apkārtējam gaisam. Šo uzvedību apraksta Snela likums par refrakciju, kas dažādos leņķī starp krītošo un lauzto gaismas staru saista ar abu materiālu refrakcijas rādītājiem.

Īsāk sakot, likumā ir teikts, ka, pārejot no zemākas refrakcijas indeksa vielas uz augstāku (piemēram, no gaisa uz stiklu), gaismas stars tiek novirzīts uz “normālu” uz virsmu (t. i., virzienā, kas ir perpendikulārs virsmai šajā punktā) un ka pretēji ir gaismas stari, kas iet no augstāka refrakcijas indeksa materiāla uz zemāku viens.

Optikā tiek izmantoti diezgan daudz unikālu terminu, un to izpratnei ir izšķiroša nozīme, ja studējat lēcu fiziku.

• The kontaktpunkts ir punkts, kurā paralēli stari saplūst, kad tie tiek izlaisti caur lēcu.
• The fokusa attālums objektīvs ir attālums no tā centra līdz fokusa punktam, kas būtībā nosaka objektīva “lieces spēku”.
• The optiskā ass ir lēcas simetrijas līnija.
• A gaismas stars ir gaismas ceļa tuvinājums, kur taisnas līnijas tiek izmantotas gaismas viļņu (vai fotonu) kustības atspoguļošanai. Katrs objekta punkts rada gaismas starus visos iespējamos virzienos, taču parasti tiek izvēlēti daži specifiski stari, lai noteiktu iegūtā attēla atrašanās vietu.
• An optiskais objektīvs ir viens materiāla gabals, kas paredzēts gaismas staru saplūšanai (izliekta lēca) vai novirzīšanai (ieliekta lēca).
• A abpusēji izliekts objektīvs ir vienkāršs optiskais objektīvs ar divām izliektām pusēm (iegūstot lēcām līdzīgu formu, kas lēcām deva nosaukumu), ko dažreiz sauc par izliektu-izliektu lēcu un kam pēc definīcijas ir pozitīvs fokusa attālums. Tos izmanto lupās, teleskopos, mikroskopos un pat cilvēka acīs.
  
• The lauka dziļums apraksta attālumu diapazonu, kurā objekti ir fokusā, skatoties caur objektīvu, un it īpaši fotogrāfijā ir izplatīta terminoloģija. Tā kā kameru gaismas sensori ir fiksēta izmēra, ja attēls ir nedaudz nav mērķtiecīgs, bet kļūdu daudzums ir pietiekami mazs, tas faktiski netiks reģistrēts kā fokuss. Šis fokusa diapazons ir lauka dziļums.
• The galvenais objektīvs ir objektīvs, ko izmanto fotografēšanā ar fiksētu fokusa attālumu, atšķirībā no tālummaiņas objektīviem, kur fokusa attālumu var mainīt. Tomēr citos apstākļos galveno objektīvu var izmantot, lai apzīmētu primāro objektīvu sistēmā, kas sastāv no vairākiem objektīviem.

Staru diagrammas ir ārkārtīgi noderīgs optikas rīks, un tās tiek izmantotas, lai atrastu vietu, kur veidosies attēls, pamatojoties uz objekta un objektīva atrašanās vietu. Uzzīmējot kādu galveno gaismu, kas iziet no objekta, un iezīmējot to ceļu, ejot cauri objektīvam, attēls, kurā tie sastopas, ir vieta, kur veidojas attēls.

Šo procesu var veikt, izmantojot Snell refrakcijas likumu, taču daži triki var arī vienkāršot procesu. Piemēram, stars, kas iet caur lēcas centru, vispār ir tikko novirzīts, un tāds triec lēcu, kas ir perpendikulāra optiskajai asij, tiek lauzta, lai iet cauri centrālajam punktam objektīvs.

Objektīva radītais attēls var būt reāls vai virtuāls. Īstam attēlam gaismas stari saplūst, veidojot attēlu noteiktā vietā, un jūs varētu redzēt šo attēlu, ja šajā vietā ievietojat ekrānu. Cilvēka acī un reģionā aiz kameras objektīva šī attēla uzņemšanai tiek izmantotas gaismjutīgas šūnas vai materiāli.

Virtuālais attēls ir atšķirīgs: kad stari atšķiras no objektīva, to orientācija to padara Skaties tāpat kā viņi nāca no virtuālā attēla atrašanās vietas. Citiem vārdiem sakot, ja jūs sekojat lauztajiem stariem aizmugurē, bet sekojat tikai taisnām līnijām, tie visi saplūst virtuālā attēla atrašanās vietā. Tomēr gaismas stari šajā vietā fiziski nesaplūst, un, ja jūs tur ievietotu ekrānu, jūs neredzētu attēlu.

Kameras objektīvs ir viens no pazīstamākajiem objektīvu veidiem, ar kuru jūs sastopaties ikdienā, un tie nāk daudzos dažādos veidos, lai gan visiem ir vienādi izklāstītie darbības pamatprincipi iepriekš.

Galvenais objektīvs ir pamata objektīvs ar fiksētu fokusa attālumu, un tālummaiņas objektīvam ir mainīgs fokusa attālums, tāpēc jums nav fiziski jāmaina atrašanās vieta, lai kaut ko fokusētu. Platleņķa objektīvs ir tāda veida objektīvs, kuram ir ļoti mazs fokusa attālums, kas dramatiski palielina redzes lauku, un zivs acs objektīvs būtībā ir platleņķa objektīva ekstrēma versija.

Citi piemēri ir telefoto objektīvi, kuriem ir ļoti liels fokusa attālums un kas paredzēti tālu esošo objektu uzņemšanai prom un makro objektīvi, kas paredzēti fokusēšanai ļoti tuvos diapazonos un vai nu ražo dabiska lieluma, vai palielinātas versijas objektiem.

Citi izplatīti lēcu veidi ir brilles lēcas vai kontaktlēcas, un abi šie darbi palīdz novērst redzi. Ja jūs esat "tuvredzīgs", tas nozīmē, ka jūsu acu lēcas rada attēlus pirms gaismas jutīgās tīklenes jūsu acī, un tāpēc jums ir nepieciešamas atšķirīgas (ieliektas) lēcas, lai attēlu pārvietotu tālāk atpakaļ.

Ja esat “tālredzīgs”, lēcas jūsu acīs radītu attēlu tālāk par tīkleni, tāpēc jums ir nepieciešamas saplūstošas ​​lēcas, lai novērstu šo problēmu.

Gan kontaktlēcas, gan brilles to izlabo vienādi - pievienojot papildu korektīvo lēcu, lai padarītu to efektīvu acs fokusa attālums atbilst attālumam līdz tīklenei, taču pastāv atšķirības, jo kontaktlēcas atrodas tieši uz jūsu acis. Kontaktlēcā objektīvam nav jāaptver tik daudz vietas (tam jābūt tikai pietiekami lielam, lai jūsu skolēns būtu maksimāli paplašināts), un to var panākt ar mazāk materiālu. Briļļu lēcām lēcām jāaptver daudz lielāks laukums, un tā rezultātā tā ir biezāka.