Вы сталкиваетесь с линзами каждый день. Будь то линзы камеры мобильного телефона, линзы очков или контактные линзы, которые вы используете для четкого зрения, увеличительные очки, микроскопы и т. Д. телескопы или что-то еще, физика линз объясняет, как простой кусок стекла можно использовать для увеличения, минимизации или фокусировки изображений для любая цель.
По сути, линзы работают, изгибая световые лучи, которые проходят через них за счет преломления, но этот основной момент может быть реализован по-разному, что зависит от типа линзы. К счастью, основы работы с такими линзами легко понять, если вы немного больше узнаете о том, как они работают.
Что такое линза?
Линза - это кусок прозрачного материала, форма которого позволяет лучам света определенным образом изгибаться, когда они проходят через него, означает ли это, что лучи сходятся к определенной точке или расходятся, как если бы из определенной точка. Используемый материал может быть кусок стекла или пластика, а форма линзы определяет, будут ли световые лучи сходиться или расходиться. Слово «линза» происходит от латинского слова «чечевица» из-за сходства формы собирающей линзы и бобовых.
Фактическое отклонение световых лучей, производимых линзой, происходит потому, что материал линзы имеет другой показатель преломления, чем окружающий воздух. Это поведение описывается законом Снеллиуса для преломления, который связывает различный угол между падающим и преломленным световым лучом с показателями преломления для двух материалов.
Короче говоря, закон гласит, что если вы переходите от вещества с более низким показателем преломления к веществу с более высоким (например, от воздуха к стеклу), луч света отклоняется в сторону «нормали» к поверхность (то есть в направлении, перпендикулярном поверхности в этой точке), и что обратное верно для световых лучей, идущих от материала с более высоким показателем преломления к материалу с более низким показателем преломления. один.
Определения
В оптике используется довольно много уникальных терминов, и понимание их имеет решающее значение, если вы изучаете физику линз.
- В координационный центр это точка, где сходятся параллельные лучи после прохождения через линзу.
- В фокусное расстояние линзы - это расстояние от ее центра до фокальной точки, по существу определяющее «изгибающую силу» линзы.
- В оптическая ось линия симметрии линзы.
- А луч света представляет собой приближение пути света, где прямые линии используются для представления движения световых волн (или фотонов). Каждая точка на объекте испускает световые лучи во всех возможных направлениях, но обычно выбирают несколько конкретных лучей, чтобы определить местоположение результирующего изображения.
- An оптическая линза представляет собой цельный кусок материала, предназначенный для того, чтобы лучи света сходились (выпуклая линза) или расходились (вогнутая линза).
- А двояковыпуклая линза представляет собой простую оптическую линзу с двумя выпуклыми сторонами (образующую форму чечевицы, которая и дала линзам их название), иногда называемая выпукло-выпуклой линзой и имеющая по определению положительное фокусное расстояние. Их используют в лупах, телескопах, микроскопах и даже в человеческом глазу.
- В глубина резкости описывает диапазон расстояний, на которых объекты находятся в фокусе при просмотре через объектив, и является общепринятой терминологией, в частности, в фотографии. Поскольку датчики света в камерах имеют фиксированный размер, если изображение немного расфокусирован, но количество ошибок достаточно мало, оно не будет регистрироваться как расфокусированное. Этот диапазон фокусировки и есть глубина резкости.
- В объектив с фиксированным фокусным расстоянием - это объектив, используемый в фотографии с фиксированным фокусным расстоянием, в отличие от зум-объективов, где фокусное расстояние можно изменять. В других контекстах, однако, фиксированная линза может использоваться для обозначения основной линзы в системе, состоящей из нескольких линз.
Диаграммы лучей
Диаграммы лучей - чрезвычайно полезный инструмент в оптике, и они используются для поиска места, где будет сформировано изображение, на основе местоположения объекта и линзы. Рисуя некоторый ключевой свет, исходящий от объекта, и отмечая его путь, когда они проходят через линзу, точка их встречи - это место, где будет формироваться изображение.
Этот процесс можно осуществить, используя закон преломления Снеллиуса, но несколько уловок также могут упростить этот процесс. Например, луч, проходящий через центр линзы, практически не отклоняется, а луч, который попадает в линзу перпендикулярно оптической оси, преломляется, чтобы пройти через точку фокусировки для линза.
Изображение, создаваемое линзой, может быть реальным или виртуальным. Для реального изображения световые лучи сходятся, чтобы сформировать изображение в определенном месте, и вы могли бы увидеть это изображение, если поместили экран в это место. В человеческом глазу и в области за объективом камеры для получения этого изображения используются светочувствительные клетки или материалы.
Виртуальное изображение отличается: когда лучи расходятся от линзы, их ориентация заставляет смотрю как будто они пришли из местоположения виртуального образа. Другими словами, если вы проследите преломленные лучи назад, но только по прямым линиям, все они сойдутся в месте виртуального изображения. Однако световые лучи физически не сходятся в этом месте, и если вы разместите там экран, вы не увидите изображения.
Типы линз и как они работают
Объектив камеры - один из самых привычных типов объективов, с которыми вы сталкиваетесь ежедневно, и они бывают во многих различных типах, хотя все они имеют одни и те же основные принципы работы, изложенные ранее.
Фиксированный объектив - это базовый объектив с фиксированным фокусным расстоянием, а зум-объектив - с переменным фокусным расстоянием, поэтому вам не нужно физически менять свое местоположение, чтобы получить что-то в фокусе. Широкоугольный объектив - это тип объектива с очень маленьким фокусным расстоянием, которое резко увеличивает поле зрения, а объектив типа «рыбий глаз» - это, по сути, экстремальная версия широкоугольного объектива.
Другими примерами являются телеобъективы с очень большим фокусным расстоянием, предназначенные для съемки объектов, находящихся на большом расстоянии. далеко, и макрообъективы, которые предназначены для фокусировки на очень близких расстояниях и производят либо в натуральную величину, либо увеличенные версии объекты.
Другими распространенными типами линз являются линзы для очков или контактные линзы, и оба они помогают исправить проблемы со зрением. Если вы «близоруки», это означает, что ваши линзы создают изображения перед светочувствительной сетчаткой в вашем глазу, и поэтому вам нужны расходящиеся (вогнутые) линзы, чтобы переместить изображение дальше назад.
Если у вас «дальнозоркость», линзы в ваших глазах будут создавать изображение дальше, чем сетчатка, поэтому для решения этой проблемы вам понадобятся собирающие линзы.
И контактные линзы, и очки исправляют это одинаково - добавляя дополнительную корректирующую линзу, чтобы сделать эффективную фокусное расстояние вашего глаза совпадает с расстоянием до сетчатки, но есть различия, потому что контактные линзы сидят прямо на вашем глаза. В контактных линзах линза не должна покрывать такое большое пространство (она должна быть достаточно большой для вашего зрачка при максимальном расширении), и этого можно добиться с меньшим количеством материала. Для очковых линз линза должна покрывать гораздо большую площадь и в результате становится толще.