Obiectiv (fizică): definiție, tipuri și modul în care funcționează

Întâlnești lentile în fiecare zi. Fie că este vorba de obiectivul de pe camera telefonului mobil, de lentilele de pe ochelari sau de lentilele de contact pe care le folosiți pentru a vedea clar, lupe, microscopuri, fizice ale lentilelor explică modul în care o bucată simplă de sticlă poate fi utilizată pentru a mări, minimiza sau aduce imagini în focalizare pentru orice scop.

În esență, lentilele funcționează prin îndoirea razelor de lumină care trec prin ele prin refracție, dar acest punct de bază poate fi implementat în moduri diferite, care variază în funcție de tipul lentilei. Din fericire, elementele de bază ale acestor lentile sunt ușor de înțeles atunci când aflați mai multe despre modul lor de funcționare.

O lentilă este o bucată de material transparent care este modelată astfel încât să provoace îndoirea razelor de lumină într-un mod specific în timp ce acestea treceți prin el, indiferent dacă asta înseamnă să facem ca razele să convergă la un anumit punct sau să divergă parcă dintr-un anumit punct punct. Materialul utilizat ar putea fi o bucată de sticlă sau plastic, iar forma lentilei determină dacă provoacă convergența sau divergerea razelor de lumină. Cuvântul „lentilă” provine din cuvântul latin pentru „linte”, datorită asemănării în formă dintre o lentilă convergentă și leguminoasă.

Îndoirea efectivă a razelor de lumină produse de o lentilă are loc deoarece materialul lentilei are un indice de refracție diferit de cel al aerului înconjurător. Acest comportament este descris de legea lui Snell pentru refracție, care leagă diferența dintre unghiul dintre raza de lumină incidentă și cea refractată cu indicii de refracție pentru cele două materiale.

Pe scurt, legea spune că, dacă treceți de la o substanță cu indice de refracție inferior la una mai mare (de exemplu, de la aer la sticlă), raza de lumină este deviată spre „normal” la (adică spre direcția perpendiculară pe suprafață în acel punct) și că opusul este adevărat pentru razele de lumină care merg de la un material cu indice de refracție mai mare la un unu.

Există destul de mulți termeni unici folosiți în optică, iar înțelegerea acestora este crucială dacă studiați fizica lentilelor.

• punct focal este punctul în care converg razele paralele atunci când după ce treceți prin lentile.
• distanta focala a obiectivului este distanța de la centrul său la punctul focal, definind în esență „puterea de îndoire” a unui obiectiv.
• axa optică este linia de simetrie pentru obiectiv.
• A rază de lumină este o aproximare a traseului luminii, unde liniile drepte sunt folosite pentru a reprezenta mișcarea undelor luminoase (sau a fotonilor). Fiecare punct de pe un obiect produce raze de lumină în orice direcție posibilă, dar de obicei se aleg câteva raze specifice pentru a determina locația imaginii rezultate.
• Un lentilă optică este o singură bucată de material concepută pentru a determina convergerea razelor de lumină (lentilă convexă) sau divergență (lentilă concavă).
• A lentilă biconvexă este o lentilă optică simplă cu două fețe convexe (producând forma asemănătoare lintei care a dat numele lentilelor), uneori numită lentilă convex-convexă și având, prin definiție, o distanță focală pozitivă. Sunt folosite la lupe, telescoape, microscopuri și chiar la ochiul uman.
  
• adancimea terenului descrie gama de distanțe la care obiectele sunt focalizate atunci când sunt văzute printr-un obiectiv și este o terminologie obișnuită în fotografie în special. Deoarece senzorii de lumină ai camerelor au o dimensiune fixă, dacă imaginea este puțin nefocalizat, dar cantitatea de eroare este suficient de mică, de fapt nu se va înregistra ca fiind nefocalizată. Această gamă de focalizare este adâncimea câmpului.
• obiectiv principal este un obiectiv folosit în fotografie cu o distanță focală fixă, spre deosebire de obiectivele zoom unde distanța focală poate fi modificată. În alte contexte, totuși, obiectivul primar poate fi folosit pentru a însemna obiectivul primar dintr-un sistem compus din lentile multiple.

Diagramele cu raze sunt un instrument extrem de util în optică și sunt utilizate pentru a găsi locația în care se va forma o imagine pe baza locației obiectului și a obiectivului. Trăgând o lumină cheie care iese dintr-un obiect și le marchează calea în timp ce trec prin lentilă, punctul în care se întâlnesc este locul în care se va forma imaginea.

Acest proces poate fi realizat folosind legea refracției Snell, dar câteva trucuri pot simplifica și procesul. De exemplu, o rază care trece prin centrul lentilei este abia deviată deloc și una care lovește obiectivul perpendicular pe axa optică este refractat pentru a trece prin punctul focal pentru obiectiv.

Imaginea produsă de obiectiv poate fi reală sau virtuală. Pentru o imagine reală, razele de lumină converg pentru a forma o imagine într-o anumită locație și ați putea vedea acea imagine dacă ați plasat un ecran în acea locație. În ochiul uman și în regiunea din spatele obiectivului camerei, sunt utilizate celule sau materiale fotosensibile pentru a prelua această imagine.

O imagine virtuală este diferită: atunci când razele diverg de la un obiectiv, orientarea lor o face uite ca și cum ar fi venit din locația imaginii virtuale. Cu alte cuvinte, dacă urmăriți razele refractate înapoi, dar numai urmând linii drepte, toate vor converge la locația imaginii virtuale. Cu toate acestea, razele de lumină nu converg fizic în această locație și, dacă ați plasa un ecran acolo, nu ați vedea o imagine.

Obiectivul camerei este unul dintre cele mai familiare tipuri de obiective pe care le întâlniți zilnic, iar acestea vin în multe tipuri diferite, deși toate împărtășesc aceleași principii de bază ale funcționării prezentate anterior.

Un obiectiv primar este un obiectiv de bază cu o distanță focală fixă, iar un obiectiv cu zoom are o distanță focală variabilă, deci nu trebuie să vă schimbați fizic locația pentru a obține ceva focalizat. Un obiectiv cu unghi larg este un tip de obiectiv cu o distanță focală foarte mică, care mărește dramatic câmpul vizual, iar un obiectiv cu ochi de pește este în esență o versiune extremă a unui obiectiv cu unghi larg.

Alte exemple sunt teleobiectivele, care au distanțe focale foarte mari și sunt destinate să surprindă subiecți care sunt departe și obiectivele macro care sunt destinate să se concentreze la distanțe foarte apropiate și fie să producă versiuni în mărime naturală sau mărite obiecte.

Alte tipuri obișnuite de lentile sunt lentilele pentru ochelari sau lentilele de contact și ambele funcționează pentru a corecta problemele cu vederea. Dacă sunteți „miop”, acest lucru înseamnă că obiectivele dvs. creează imagini în fața retinei sensibile la lumină din ochi, astfel încât aveți nevoie de lentile divergente (concav) pentru a muta imaginea mai în spate.

Dacă sunteți „hipermetrop”, obiectivele din ochii dvs. ar produce o imagine mai în spate decât retina, deci aveți nevoie de lentile convergente pentru a corecta această problemă.

Atât lentilele de contact, cât și ochelarii de vedere corectează acest lucru în același mod - adăugând o lentilă corectoră suplimentară pentru a face efectul distanța focală a ochiului se potrivește cu distanța față de retină - dar există diferențe, deoarece lentilele de contact stau direct pe dumneavoastră ochi. Într-o lentilă de contact, obiectivul nu trebuie să acopere atât de mult spațiu (trebuie doar să fie suficient de mare pentru pupila dvs. la dilatarea maximă) și poate realiza acest lucru cu mai puțin material. Pentru lentilele de ochelari, obiectivul trebuie să acopere o zonă mult mai mare și, prin urmare, este mai gros.