Objektív (fyzika): Definícia, typy a spôsob fungovania

S objektívmi sa stretávate každý deň. Či už ide o šošovku na fotoaparáte mobilného telefónu, šošovky na okuliaroch alebo kontaktné šošovky, ktoré jasne vidíte, zväčšovacie okuliare, mikroskopy, ďalekohľady alebo niečo iné, fyzika šošoviek vysvetľuje, ako sa dá použiť jednoduchý kúsok skla na zväčšenie, minimalizáciu alebo zaostrenie obrázkov akýkoľvek účel.

Šošovky v podstate fungujú tak, že ohýbajú lúče svetla, ktoré nimi prechádzajú lomom, ale tento základný bod je možné implementovať rôznymi spôsobmi, ktoré sa líšia podľa typu šošovky. Našťastie sú základy týchto šošoviek ľahko pochopiteľné, keď sa o nich dozviete niečo viac.

Objektív je kus priehľadného materiálu, ktorý je tvarovaný tak, aby spôsoboval, že sa lúče svetla ohýbajú špecifickým spôsobom prechádzajú ním, či už to znamená, že lúče sa zbiehajú do konkrétneho bodu alebo sa rozchádzajú ako od konkrétneho bodu bod. Použitým materiálom môže byť kúsok skla alebo plastu a tvar šošovky určuje, či spôsobuje zbiehanie alebo rozchádzanie svetelných lúčov. Slovo „šošovka“ pochádza z latinského slova „šošovica“ z dôvodu podobnosti tvaru medzi zbiehajúcou sa šošovkou a strukovinou.

Skutočné ohýbanie svetelných lúčov produkovaných šošovkou nastáva, pretože materiál šošovky má iný index lomu ako okolitý vzduch. Toto správanie popisuje Snellov zákon pre lom, ktorý spája rozdielny uhol medzi dopadajúcim a lámaným lúčom svetla a indexmi lomu týchto dvoch materiálov.

Stručne povedané, zákon hovorí, že ak prechádzate z látky s nižším indexom lomu na vyššiu (napr. Zo vzduchu na sklo), svetelný lúč sa vychyľuje smerom k „normálu“ k povrchu (tj. v smere kolmom na povrch v danom bode) a že opak je pravdou pre svetelné lúče smerujúce z materiálu s vyšším indexom lomu k nižšiemu jeden.

V optike sa používa pomerne veľa jedinečných výrazov, ktorých pochopenie je kľúčové, ak študujete fyziku šošoviek.

• The ohnisko je bod, v ktorom sa rovnobežné lúče zbiehajú po prechode šošovkou.
• The ohnisková vzdialenosť šošovky je vzdialenosť od jej stredu k ohnisku, v podstate definujúca „ohybovú silu“ šošovky.
• The optická os je čiara symetrie pre objektív.
• A svetelný lúč je aproximácia dráhy svetla, kde sa na vyjadrenie pohybu svetelných vĺn (alebo fotónov) používajú priame čiary. Každý bod na objekte produkuje svetelné lúče každým možným smerom, ale na určenie polohy výsledného obrázka sa zvyčajne vyberie niekoľko špecifických lúčov.
• An optická šošovka je jediný kus materiálu navrhnutý tak, aby spôsoboval konvergenciu svetelných lúčov (konvexná šošovka) alebo sa rozchádzali (konkávna šošovka).
• A bikonvexná šošovka je jednoduchá optická šošovka s dvoma konvexnými stranami (vytvára šošovkovitý tvar, ktorý dal šošovkám ich názov), niekedy sa nazýva konvexne-konvexná šošovka a má definíciu pozitívnej ohniskovej vzdialenosti. Používajú sa vo zväčšovacích okuliaroch, ďalekohľadoch, mikroskopoch a dokonca aj v ľudskom oku.
  
• The hĺbka ostrosti popisuje rozsah vzdialeností, na ktoré sú objekty zaostrené pri pohľade cez objektív, a je bežnou terminológiou najmä vo fotografii. Pretože svetelné snímače v kamerách majú pevnú veľkosť, ak je obraz mierne nesústredený, ale počet chýb je dostatočne malý, v skutočnosti sa nezaregistruje ako zaostrený. Tento rozsah zaostrenia predstavuje hĺbka ostrosti.
• The hlavný objektív je objektív používaný pri fotografovaní s pevnou ohniskovou vzdialenosťou, na rozdiel od objektívov so zoomom, kde je možné meniť ohniskovú vzdialenosť. V iných kontextoch sa však pod primárnou šošovkou môže rozumieť primárna šošovka v systéme zloženom z viacerých šošoviek.

Lúčové diagramy sú mimoriadne užitočným nástrojom v optike a používajú sa na vyhľadanie miesta, kde sa bude vytvárať obraz, na základe umiestnenia objektu a šošovky. Nakreslením kľúčového svetla vychádzajúceho z objektu a vyznačením jeho cesty pri prechode šošovkou sa vytvorí bod, v ktorom sa stretnú.

Tento proces je možné vykonať pomocou Snellovho zákona lomu, ale aj niekoľko trikov ho môže zjednodušiť. Napríklad lúč, ktorý prechádza stredom šošovky, je sotva odklonený a ten navyše dopadne na šošovku kolmo na optickú os, je lomený tak, aby prešiel cez ohnisko pre objektív.

Obrázok produkovaný objektívom môže byť skutočný alebo virtuálny. V prípade skutočného obrazu sa svetelné lúče zbiehajú a vytvárajú obraz na konkrétnom mieste. Tento obraz by ste videli, ak by ste na dané miesto umiestnili obrazovku. V ľudskom oku a v oblasti za objektívom fotoaparátu sa na zachytenie tohto obrázka používajú fotocitlivé bunky alebo materiály.

Virtuálny obraz je iný: keď sa lúče odchyľujú od šošovky, dosiahne ich orientácia pozri sa akoby pochádzali z umiestnenia virtuálneho obrazu. Inými slovami, ak sledujete lomené lúče dozadu, ale iba po priamych líniách, všetky sa zbiehajú v mieste virtuálneho obrazu. Svetelné lúče sa však na tomto mieste fyzicky nezbiehajú a ak by ste tam umiestnili obrazovku, nevideli by ste obraz.

Objektív fotoaparátu je jedným z najznámejších typov objektívov, s ktorými sa denne stretávate, a tieto prichádzajú v mnohých rôznych typoch, aj keď všetky majú rovnaké rovnaké základné načrtnuté princípy fungovania predtým.

Objektív prime je základný objektív s pevnou ohniskovou vzdialenosťou a objektív so zoomom má premennú ohniskovú vzdialenosť, takže nemusíte niečo fyzicky meniť, aby ste niečo zaostrili, aby ste museli fyzicky meniť svoju polohu. Širokouhlý objektív je typ objektívu s veľmi malou ohniskovou vzdialenosťou, ktorá dramaticky zvyšuje zorné pole, a objektív typu rybie oko je v podstate extrémnou verziou širokouhlého objektívu.

Ďalším príkladom sú teleobjektívy, ktoré majú veľmi dlhé ohniskové vzdialenosti a sú určené na snímanie vzdialených objektov preč, a makroobjektívy, ktoré sú určené na zaostrenie na veľmi malú vzdialenosť a produkujú buď v životnej veľkosti, alebo zväčšené verzie predmety.

Ďalšími bežnými typmi šošoviek sú šošovky na okuliare alebo kontaktné šošovky, ktoré slúžia na odstránenie problémov so zrakom. Ak ste „krátkozrakí“, znamená to, že vaše očné šošovky vytvárajú obrázky pred sietnicou citlivou na svetlo v oku, a preto potrebujete divergujúce (konkávne) šošovky, aby ste obraz posunuli ďalej dozadu.

Ak ste „ďalekozraký“, šošovky v očiach by vytvorili obraz ďalej dozadu ako vaše sietnice, takže na odstránenie tohto problému potrebujete zbližujúce sa šošovky.

Kontaktné šošovky aj dioptrické okuliare to korigujú rovnakým spôsobom - pridaním ďalších korekčných šošoviek, aby bola účinnosť efektívna ohnisková vzdialenosť vášho oka sa zhoduje so vzdialenosťou k vašej sietnici - existujú však rozdiely, pretože kontaktné šošovky sedia priamo na vašej oči. V kontaktných šošovkách nemusí šošovka pokrývať toľko miesta (musí byť len dostatočne veľká pre vašu zreničku pri maximálnej dilatácii) a môže to dosiahnuť s menším počtom materiálu. V prípade okuliarových šošoviek musí šošovka pokrývať oveľa väčšiu plochu a vo výsledku je hrubšia.