Elke dag kom je lenzen tegen. Of het nu de lens op uw mobiele telefooncamera is, de lenzen op de bril of contactlenzen die u gebruikt om duidelijk te zien, vergrootglazen, microscopen, telescopen of iets heel anders, legt de fysica van lenzen uit hoe een eenvoudig stuk glas kan worden gebruikt om afbeeldingen te vergroten, te minimaliseren of scherp te stellen voor welk doel dan ook.
In wezen werken lenzen door lichtstralen die er doorheen gaan te buigen door middel van breking, maar dit basispunt kan op verschillende manieren worden geïmplementeerd, afhankelijk van het lenstype. Gelukkig zijn de basisprincipes van dergelijke lenzen gemakkelijk te begrijpen als je wat meer leert over hoe ze werken.
Wat is een lens?
Een lens is een stuk transparant materiaal dat zo is gevormd dat lichtstralen op een specifieke manier worden gebogen terwijl ze er doorheen gaan, of dat nu betekent dat de stralen convergeren naar een specifiek punt of dat ze divergeren alsof ze van een specifiek punt komen punt. Het gebruikte materiaal kan een stuk glas of plastic zijn, en de vorm van de lens bepaalt of lichtstralen convergeren of divergeren. Het woord "lens" komt van het Latijnse woord voor "linze", vanwege de gelijkenis in vorm tussen een convergerende lens en de peulvrucht.
De daadwerkelijke buiging van lichtstralen die door een lens worden geproduceerd, vindt plaats omdat het lensmateriaal een andere brekingsindex heeft dan de omringende lucht. Dit gedrag wordt beschreven door de wet van Snellius voor breking, die het verschil in hoek tussen de invallende en gebroken lichtstraal relateert aan de brekingsindices voor de twee materialen.
Kortom, de wet zegt dat als je van een stof met een lagere brekingsindex naar een hogere gaat (bijvoorbeeld van lucht naar glas), de lichtstraal wordt afgebogen naar de "normale" naar de oppervlak (d.w.z. in de richting loodrecht op het oppervlak op dat punt) en dat het tegenovergestelde waar is voor lichtstralen die van een materiaal met een hogere brekingsindex naar een materiaal met een lagere brekingsindex gaan. een.
definities
Er zijn nogal wat unieke termen die worden gebruikt in de optica, en het begrijpen hiervan is cruciaal als je de fysica van lenzen bestudeert.
- De brandpunt is het punt waar parallelle stralen samenkomen wanneer ze door een lens zijn gegaan.
- De brandpuntsafstand van een lens is de afstand van het midden tot het brandpunt, die in wezen de "buigkracht" van een lens definieert.
- De optische as is de symmetrielijn voor de lens.
- EEN lichtstraal is een benadering van het pad van licht, waarbij rechte lijnen worden gebruikt om de beweging van lichtgolven (of fotonen) weer te geven. Elk punt op een object produceert lichtstralen in alle mogelijke richtingen, maar meestal worden een paar specifieke stralen gekozen om de locatie van het resulterende beeld te bepalen.
- Een optische lens is een enkel stuk materiaal dat is ontworpen om lichtstralen te laten convergeren (convexe lens) of divergeren (concave lens).
- EEN biconvexe lens is een eenvoudige optische lens met twee convexe zijden (die de linzenachtige vorm produceren waaraan lenzen hun naam hebben gegeven), soms een convex-convexe lens genoemd en per definitie een positieve brandpuntsafstand. Ze worden gebruikt in vergrootglazen, telescopen, microscopen en zelfs het menselijk oog.
- De scherptediepte beschrijft het bereik van afstanden waarop objecten in focus zijn wanneer ze door een lens worden bekeken, en is een veelgebruikte terminologie in met name fotografie. Aangezien de lichtsensoren in camera's een vaste grootte hebben, is het lichtjes ongericht, maar de hoeveelheid fout is voldoende klein, het zal niet echt als onscherp worden geregistreerd. Dit focusbereik is de scherptediepte.
- De prime lens is een lens die in de fotografie wordt gebruikt met een vaste brandpuntsafstand, in tegenstelling tot zoomlenzen waarbij de brandpuntsafstand kan worden gewijzigd. In andere contexten kan prime-lens echter worden gebruikt om de primaire lens aan te duiden in een systeem dat uit meerdere lenzen bestaat.
Straaldiagrammen
Straaldiagrammen zijn een uiterst nuttig hulpmiddel in de optica en worden gebruikt om de locatie te vinden waar een afbeelding zal worden gevormd op basis van de locatie van het object en de lens. Door een belangrijk licht te tekenen dat uit een object komt en hun pad te markeren terwijl ze door de lens gaan, is het punt waar ze elkaar ontmoeten waar het beeld zal worden gevormd.
Dit proces kan worden gedaan met behulp van de brekingswet van Snell, maar een paar trucjes kunnen het proces ook vereenvoudigen. Een straal die door het midden van de lens gaat, wordt bijvoorbeeld nauwelijks afgebogen, en een die raakt de lens loodrecht op de optische as wordt gebroken om door het brandpunt te gaan voor de lens.
Het beeld dat door de lens wordt geproduceerd, kan echt of virtueel zijn. Voor een echt beeld komen de lichtstralen samen om een beeld te vormen op een specifieke locatie, en je zou dat beeld kunnen zien als je een scherm op die locatie zou plaatsen. In het menselijk oog en het gebied achter een cameralens worden lichtgevoelige cellen of materialen gebruikt om dit beeld op te pikken.
Een virtueel beeld is anders: wanneer de stralen afwijken van een lens, maakt hun oriëntatie het kijken alsof ze afkomstig waren van de locatie van het virtuele beeld. Met andere woorden, als je de gebroken stralen naar achteren volgt maar alleen rechte lijnen volgt, zullen ze allemaal samenkomen op de locatie van het virtuele beeld. Lichtstralen komen echter niet fysiek samen op deze locatie, en als je daar een scherm zou plaatsen, zou je geen beeld zien.
Soorten lenzen en hoe ze werken
Een cameralens is een van de meest bekende soorten lenzen die je dagelijks tegenkomt, en deze komen in veel verschillende typen, hoewel ze allemaal dezelfde basisprincipes van de werking delen die zijn beschreven eerder.
Een prime-lens is een basislens met een vaste brandpuntsafstand en een zoomlens heeft een variabele brandpuntsafstand, zodat u uw locatie niet fysiek hoeft te veranderen om iets scherp te krijgen. Een groothoeklens is een type lens met een zeer kleine brandpuntsafstand die het gezichtsveld dramatisch vergroot, en een fisheye-lens is in wezen een extreme versie van een groothoeklens.
Andere voorbeelden zijn telelenzen, die een zeer lange brandpuntsafstand hebben en bedoeld zijn om onderwerpen die ver weg zijn vast te leggen weg, en macrolenzen die bedoeld zijn om op zeer korte afstanden scherp te stellen en levensgrote of vergrote versies van voorwerpen.
Andere veel voorkomende soorten lenzen zijn brillenglazen of de contactlens, en beide werken om de problemen met uw zicht te corrigeren. Als u "bijziend" bent, betekent dit dat uw ooglenzen beelden maken voor het lichtgevoelige netvlies in uw oog, en u dus divergerende (holle) lenzen nodig heeft om het beeld verder naar achteren te verplaatsen.
Als u 'verziend' bent, zouden de lenzen in uw ogen een beeld produceren dat verder naar achteren ligt dan uw netvlies, dus u hebt convergerende lenzen nodig om dit probleem te verhelpen.
Zowel contactlenzen als brillen corrigeren dit op dezelfde manier - door een extra corrigerende lens toe te voegen om de effectieve brandpuntsafstand van uw oog komt overeen met de afstand tot uw netvlies - maar er zijn verschillen omdat contactlenzen direct op uw ogen. Bij een contactlens hoeft de lens niet zoveel ruimte in te nemen (hij hoeft alleen groot genoeg te zijn voor je pupil bij maximale verwijding) en kan dit met minder materiaal. Voor brillenglazen moet de lens een veel groter gebied bestrijken en is daardoor dikker.