Z soczewkami stykasz się na co dzień. Niezależnie od tego, czy jest to soczewka w aparacie telefonu komórkowego, soczewki w okularach lub soczewki kontaktowe, których używasz, aby widzieć wyraźnie, szkła powiększające, mikroskopy, teleskopy lub coś zupełnie innego, fizyka soczewek wyjaśnia, w jaki sposób prosty kawałek szkła może być użyty do powiększenia, zminimalizowania lub wyostrzenia obrazu dla w dowolnym celu.
Zasadniczo soczewki działają poprzez zaginanie promieni świetlnych, które przez nie przechodzą przez załamanie, ale ten podstawowy punkt można zrealizować na różne sposoby, które różnią się w zależności od typu soczewki. Na szczęście podstawy takich soczewek są łatwe do zrozumienia, gdy dowiesz się trochę więcej o ich działaniu.
Co to jest soczewka?
Soczewka to kawałek przezroczystego materiału, który jest ukształtowany tak, aby promienie świetlne zaginały się w określony sposób podczas ich przejść przez nią, niezależnie od tego, czy oznacza to zbieżność promieni do określonego punktu, czy rozbieżność, jak gdyby od określonego punkt. Użytym materiałem może być kawałek szkła lub plastiku, a kształt soczewki określa, czy powoduje ona zbieżność lub rozbieżność promieni świetlnych. Słowo „soczewka” pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego „soczewicę”, ze względu na podobieństwo kształtu soczewki zbieżnej do rośliny strączkowej.
Rzeczywiste wygięcie promieni świetlnych wytwarzanych przez soczewkę występuje, ponieważ materiał soczewki ma inny współczynnik załamania niż otaczające powietrze. Zachowanie to jest opisane przez prawo Snella dotyczące załamania, które wiąże różnicę kąta między padającym i załamanym promieniem światła ze współczynnikami załamania dla dwóch materiałów.
Krótko mówiąc, prawo mówi, że jeśli przechodzisz z substancji o niższym współczynniku załamania na wyższy (np. z powietrza do szkła), promień światła jest odchylany w kierunku „normalnego” do powierzchni (tj. w kierunku prostopadłym do powierzchni w tym punkcie) i odwrotnie dla promieni świetlnych przechodzących z materiału o wyższym współczynniku załamania do niższego jeden.
Definicje
Istnieje wiele unikalnych terminów używanych w optyce, a ich zrozumienie jest kluczowe, jeśli studiujesz fizykę soczewek.
- punkt centralny to punkt, w którym promienie równoległe zbiegają się po przejściu przez soczewkę.
- długość ogniskowa soczewki to odległość od jej środka do ogniska, zasadniczo określająca „siłę zginania” soczewki.
- oś optyczna to linia symetrii soczewki.
- ZA Jasny promień jest przybliżeniem drogi światła, gdzie linie proste są używane do reprezentowania ruchu fal świetlnych (lub fotonów). Każdy punkt na obiekcie wytwarza promienie świetlne w każdym możliwym kierunku, ale zwykle kilka określonych promieni jest wybieranych w celu określenia położenia wynikowego obrazu.
- Na soczewka optyczna jest pojedynczym kawałkiem materiału, który powoduje zbieżność promieni świetlnych (soczewka wypukła) lub rozbieżność (soczewka wklęsła).
- ZA dwuwypukła soczewka to prosta soczewka optyczna o dwóch wypukłych bokach (nadających soczewkowaty kształt, od której soczewka wzięła swoją nazwę), czasami nazywana soczewką wypukło-wypukłą i z definicji mającą dodatnią ogniskową. Są używane w lupach, teleskopach, mikroskopach, a nawet w ludzkim oku.
- głębia pola opisuje zakres odległości, przy których obiekty są w centrum uwagi oglądane przez obiektyw, i jest powszechną terminologią w szczególności w fotografii. Ponieważ czujniki światła w kamerach mają stały rozmiar, jeśli obraz jest nieco nieostry, ale ilość błędu jest wystarczająco mała, tak naprawdę nie zostanie zarejestrowany jako nieostry. Ten zakres ostrości to głębia ostrości.
- obiektyw główny to obiektyw używany w fotografii o stałej ogniskowej, w przeciwieństwie do obiektywów zmiennoogniskowych, w których ogniskową można zmieniać. Jednak w innych kontekstach obiektyw stałoogniskowy może oznaczać soczewkę główną w systemie składającym się z wielu soczewek.
Schematy promieni
Diagramy promieni są niezwykle przydatnym narzędziem w optyce i służą do znajdowania miejsca, w którym zostanie utworzony obraz na podstawie położenia obiektu i soczewki. Rysując kluczowe światło wyłaniające się z obiektu i wyznaczając jego ścieżkę, gdy przechodzą przez soczewkę, punkt, w którym się spotykają, jest miejscem, w którym zostanie utworzony obraz.
Ten proces można przeprowadzić za pomocą prawa załamania światła Snella, ale kilka sztuczek może również uprościć ten proces. Na przykład promień przechodzący przez środek soczewki jest ledwo odchylony, a taki, który uderza w soczewkę prostopadle do osi optycznej jest załamywany, aby przejść przez ognisko dla obiektyw.
Obraz wytwarzany przez obiektyw może być rzeczywisty lub wirtualny. W przypadku rzeczywistego obrazu promienie światła zbiegają się, tworząc obraz w określonym miejscu i możesz zobaczyć ten obraz, jeśli umieścisz ekran w tym miejscu. W ludzkim oku i obszarze za obiektywem aparatu do przechwytywania tego obrazu wykorzystywane są światłoczułe komórki lub materiały.
Wirtualny obraz jest inny: kiedy promienie odbiegają od soczewki, ich orientacja sprawia, że Popatrz jakby pochodziły z lokalizacji wirtualnego obrazu. Innymi słowy, jeśli podążasz za załamanymi promieniami do tyłu, ale tylko podążając za liniami prostymi, wszystkie zbiegną się w miejscu wirtualnego obrazu. Jednak promienie światła nie zbiegają się fizycznie w tym miejscu, a jeśli umieścisz tam ekran, nie zobaczysz obrazu.
Rodzaje soczewek i sposób ich działania
Obiektyw aparatu fotograficznego to jeden z najbardziej znanych typów obiektywów, z jakimi spotykasz się na co dzień, a te są w wielu różnych typach, chociaż wszystkie dzielą te same podstawowe zasady działania opisane poprzednio.
Obiektyw stałoogniskowy to podstawowy obiektyw o stałej ogniskowej, a obiektyw zmiennoogniskowy ma zmienną ogniskową, więc nie musisz fizycznie zmieniać lokalizacji, aby uzyskać ostrość. Obiektyw szerokokątny to rodzaj obiektywu o bardzo małej ogniskowej, który znacznie zwiększa pole widzenia, a obiektyw typu rybie oko jest zasadniczo ekstremalną wersją obiektywu szerokokątnego.
Innymi przykładami są teleobiektywy, które mają bardzo długie ogniskowe i są przeznaczone do fotografowania odległych obiektów daleko, oraz obiektywy makro, które są przeznaczone do ustawiania ostrości z bardzo bliskich odległości i wytwarzają naturalnej wielkości lub powiększone wersje versions przedmioty.
Inne popularne typy soczewek to soczewki okularowe lub soczewki kontaktowe, a oba te rodzaje soczewek korygują problemy z widzeniem. Jeśli masz „krótkowzroczność”, oznacza to, że soczewki oka tworzą obrazy przed światłoczułą siatkówką w oku, a więc potrzebujesz soczewek rozbieżnych (wklęsłych), aby przesunąć obraz dalej do tyłu.
Jeśli jesteś „dalekowzroczny”, soczewki w twoich oczach wytworzą obraz dalej niż siatkówki, więc potrzebujesz soczewek zbieżnych, aby rozwiązać ten problem.
Zarówno soczewki kontaktowe, jak i okulary korygują to w ten sam sposób – dodając dodatkową soczewkę korekcyjną, aby była skuteczna ogniskowa Twojego oka dopasowuje się do odległości do siatkówki – ale są różnice, ponieważ soczewki kontaktowe przylegają bezpośrednio do Twojej siatkówki oczy. W soczewce kontaktowej soczewka nie musi zakrywać aż tak dużo miejsca (musi tylko być wystarczająco duża dla źrenicy przy jej maksymalnym rozwarciu) i może to osiągnąć przy mniejszej ilości materiału. W przypadku soczewek okularowych soczewka musi pokrywać znacznie większy obszar i w rezultacie jest grubsza.