Objektiv (fizika): opredelitev, vrste in kako delujejo

Z lečami se srečujete vsak dan. Ne glede na to, ali gre za lečo na kameri vašega mobilnega telefona, leče na očalih ali kontaktne leče, ki jih uporabljate za jasen pregled, povečevalna očala, mikroskope, fizike leč razloži, kako lahko preprost kos stekla povečate, zmanjšate ali osredotočite slike za kakršen koli namen.

Leče v bistvu delujejo tako, da upogibajo svetlobne žarke, ki skozi njih prehajajo skozi lom, toda to osnovno točko lahko izvedemo na različne načine, ki se razlikujejo glede na vrsto leče. Na srečo je osnove takšnih leč enostavno razumeti, ko izveš malo več o njihovem delovanju.

Leča je kos prosojnega materiala, ki je oblikovan tako, da povzroči, da se svetlobni žarki upogibajo na točno določen način skoznjo, ne glede na to, ali to pomeni, da se žarki konvergirajo do določene točke ali da se oddaljijo kot od določene točke točka. Uporabljeni material je lahko košček stekla ali plastike, oblika leče pa določa, ali povzroči, da se svetlobni žarki konvergirajo ali razhajajo. Beseda "leča" izhaja iz latinske besede "leča", zaradi podobnosti v obliki med lečo, ki se steka, in stročnicami.

Dejansko se upogibajo svetlobni žarki, ki jih proizvaja leča, ker ima material leče drugačen lomni količnik kot okoliški zrak. To vedenje opisuje Snelllov lom loma, ki povezuje različni kot vpadnega in lomljenega svetlobnega žarka z indeksi loma obeh materialov.

Skratka, zakon pravi, da če gremo od snovi z nižjim lomnim količnikom k višji (npr. Od zraka do stekla), se svetlobni žarek odkloni proti "normalni" do proti smeri, pravokotni na površino na tej točki) in da je ravno obratno pri svetlobnih žarkih, ki prehajajo iz materiala z višjim lomnim količnikom v nižji eno.

V optiki se uporablja kar nekaj edinstvenih izrazov, katerih razumevanje je ključnega pomena, če preučujete fiziko leč.

• The žariščna točka je točka, kjer se vzporedni žarki konvergirajo po prehodu skozi lečo.
• The Goriščna razdalja leče je razdalja od središča do goriščne točke, ki v bistvu določa "upogibno moč" leče.
• The optična os je simetrična črta leče.
• A svetlobni žarek je približek poti svetlobe, kjer se ravne črte uporabljajo za predstavitev gibanja svetlobnih valov (ali fotonov). Vsaka točka na predmetu ustvarja svetlobne žarke v vseh možnih smereh, običajno pa je za določitev lokacije nastale slike izbranih nekaj specifičnih žarkov.
• An optična leča je en kos materiala, zasnovan tako, da povzroči, da se svetlobni žarki konvergirajo (konveksna leča) ali divergirajo (konkavna leča).
• A bikonveksna leča je preprosta optična leča z dvema konveksnima stranicama (ki daje leči podobno obliko, zaradi katere so leče dobila ime), včasih imenovana tudi konveksno konveksna leča in ima po definiciji pozitivno goriščno razdaljo. Uporabljajo se v lupah, teleskopih, mikroskopih in celo človeškem očesu.
  
• The globinska ostrina opisuje obseg razdalj, na katerih so objekti v fokusu, če jih gledamo skozi lečo, in je pogosta terminologija zlasti v fotografiji. Ker so svetlobni senzorji v fotoaparatih fiksne velikosti, če je slika malce nefokusirano, vendar je količina napake dovolj majhna, se dejansko ne bo registrirala kot osredotočena. Ta obseg ostrenja je globinska ostrina.
• The vrhunska leča je leča, ki se uporablja za fotografiranje s fiksno goriščno razdaljo, v nasprotju z zoom objektivi, pri katerih je goriščno razdaljo mogoče spremeniti. V drugih okoliščinah pa lahko osnovna leča pomeni primarno lečo v sistemu, sestavljenem iz več leč.

Diagrami žarkov so izjemno uporabno orodje v optiki in z njimi najdemo mesto, kjer bo nastala slika glede na lokacijo predmeta in leče. Z risanjem nekaj ključne svetlobe, ki izhaja iz predmeta in označuje njihovo pot med prehodom skozi lečo, bo točka, kjer se bodo srečali, tista, kjer bo nastala slika.

Ta postopek lahko izvedemo s pomočjo Snellovega lomnega zakona, vendar lahko nekaj trikov postopek tudi poenostavi. Na primer, žarek, ki gre skozi sredino leče, je komajda odklonjen in takšen udari leča, pravokotna na optično os, se lomi, da gre skozi goriščno točko za leča.

Slika, ki jo ustvari leča, je lahko resnična ali navidezna. Za resnično sliko se svetlobni žarki konvergirajo in tvorijo sliko na določenem mestu in to sliko bi lahko videli, če bi na to mesto postavili zaslon. V človeškem očesu in predelu za objektivom fotoaparata se za odjem slike uporabljajo fotoobčutljive celice ali materiali.

Navidezna slika je drugačna: ko se žarki ločijo od leče, jih naredi njihova usmerjenost poglej kot da prihajajo z lokacije navidezne slike. Z drugimi besedami, če lomljenim žarkom sledite nazaj, vendar le po ravnih črtah, se bodo vsi konvergirali na mestu navidezne slike. Vendar se svetlobni žarki na tem mestu fizično ne konvergirajo in če bi tam postavili zaslon, ne bi videli slike.

Objektiv fotoaparata je ena najbolj znanih vrst leč, s katerimi se srečujete vsak dan, in te pridejo v številnih različnih vrstah, čeprav imajo vsi enaka osnovna načela delovanja, ki so bila opisana prej.

Vrhunska leča je osnovna leča s fiksno goriščno razdaljo, zoom objektiv pa ima spremenljivo goriščno razdaljo, zato vam ni treba fizično spremeniti lokacije, da bi dobili nekaj v fokusu. Širokokotna leča je vrsta leče z zelo majhno goriščno razdaljo, ki močno poveča vidno polje, ribje oko pa je v bistvu ekstremna različica širokokotne leče.

Drugi primeri so telefoto leče, ki imajo zelo velike goriščne razdalje in so namenjene zajemanju motivov, ki so daleč in makro leče, ki so namenjene ostrenju na zelo bližnji razdalji in proizvajajo različice v naravni velikosti ali povečane predmetov.

Druge pogoste vrste leč so leče za očala ali kontaktne leče, obe pa odpravljajo težave z vidom. Če ste "kratkovidni", to pomeni, da vaše očesne leče ustvarijo slike pred svetlobno občutljivo mrežnico v vašem očesu, zato potrebujete divergentne (konkavne) leče, da sliko premaknete naprej.

Če ste "daljnovidni", bi leče v vaših očeh ustvarile sliko dlje kot vaše mrežnice, zato potrebujete konvergenčne leče, da odpravite to težavo.

Tako kontaktne leče kot očala to popravijo na enak način - z dodajanjem dodatne korektivne leče, da učinek postane učinkovit goriščna razdalja vašega očesa ustreza razdalji do mrežnice - vendar obstajajo razlike, ker kontaktne leče sedijo neposredno na vašem očesu oči. V kontaktnih lečah leča ne sme pokrivati ​​toliko prostora (dovolj velika mora biti, da se zenica pri njenem največjem raztezanju) in to lahko doseže z manj materiala. Pri lečah za očala mora leča pokrivati ​​veliko večjo površino in je posledično debelejša.