Du stöter på linser varje dag. Oavsett om det är linsen på din mobiltelefonskamera, linserna på glasögonen eller kontaktlinser du använder för att se tydligt, förstoringsglas, mikroskop, teleskop eller något annat helt förklarar linsens fysik hur en enkel glasbit kan användas för att förstora, minimera eller föra bilder i fokus för vilket syfte som helst.
I huvudsak fungerar linser genom att böja ljusstrålar som passerar genom dem genom brytning, men denna grundläggande punkt kan implementeras på olika sätt som varierar beroende på linstyp. Lyckligtvis är grunderna i sådana linser lätta att förstå när du lär dig lite mer om hur de fungerar.
Vad är en lins?
En lins är en del av transparent material som är formad så att ljusstrålar böjs på ett specifikt sätt som de passera genom den, oavsett om det innebär att strålarna konvergerar till en viss punkt eller att avvika som om från en specifik punkt. Det använda materialet kan vara en bit glas eller plast, och linsens form avgör om det får ljusstrålar att konvergera eller divergera. Ordet "lins" kommer från det latinska ordet för "linser" på grund av likheten i form mellan en konvergerande lins och baljväxten.
Den faktiska böjningen av ljusstrålar som produceras av en lins uppstår eftersom linsmaterialet har ett annat brytningsindex än den omgivande luften. Detta beteende beskrivs av Snells lag för brytning, som relaterar skillnaden i vinkel mellan den infallande och bryta ljusstrålen till brytningsindex för de två materialen.
Kort sagt säger lagen att om du går från en substans med lägre brytningsindex till en högre (t.ex. från luft till glas) avböjs ljusstrålen mot det "normala" till yta (dvs. mot riktningen vinkelrätt mot ytan vid den punkten) och att det motsatta gäller för ljusstrålar som går från ett material med högre brytningsindex till ett lägre ett.
Definitioner
Det finns en hel del unika termer som används i optik, och att förstå dessa är avgörande om du studerar linsfysik.
- De brännpunkt är den punkt där parallella strålar konvergerar när de passerar genom en lins.
- De brännvidd av en lins är avståndet från dess centrum till brännpunkten, vilket i huvudsak definierar en lins "böjkraft".
- De optisk axel är linjen för symmetri.
- A ljusstråle är en approximation av ljusets väg, där raka linjer används för att representera ljusvågor (eller fotoner). Varje punkt på ett objekt producerar ljusstrålar i alla möjliga riktningar, men vanligtvis väljs några specifika strålar för att bestämma placeringen av den resulterande bilden.
- Ett optisk lins är ett enda materialstycke som är utformat för att få ljusstrålar att konvergera (konvex lins) eller divergera (konkav lins).
- A bikonvex lins är en enkel optisk lins med två konvexa sidor (som producerar en linsliknande form som gav linserna sitt namn), ibland kallad en konvex-konvex lins och har per definition en positiv brännvidd. De används i förstoringsglas, teleskop, mikroskop och till och med det mänskliga ögat.
- De skärpedjup beskriver avståndet som objekt är i fokus när de betraktas genom en lins, och är vanligt förekommande terminologi inom fotografi. Eftersom ljussensorerna i kameror har en fast storlek, om bilden är lite ofokuserat men mängden fel är tillräckligt liten, det kommer faktiskt inte att registreras som ur fokus. Detta fokusområde är skärpedjupet.
- De prime lins är en lins som används vid fotografering med fast brännvidd, i motsats till zoomlinser där brännvidden kan ändras. I andra sammanhang kan dock primallinsen användas för att betyda den primära linsen i ett system som består av flera linser.
Stråldiagram
Stråldiagram är ett extremt användbart verktyg inom optik, och de används för att hitta platsen där en bild kommer att formas baserat på objektets och linsens plats. Genom att rita något nyckelljus som kommer ut från ett föremål och markera deras väg när de passerar genom linsen, är den punkt där de möts där bilden kommer att formas.
Denna process kan göras med hjälp av Snells brytningslag, men några knep kan också förenkla processen. Till exempel avböjs en stråle som passerar genom linsens centrum knappt alls, och en som slår linsen vinkelrätt mot den optiska axeln bryts för att passera genom kontaktpunkten för lins.
Bilden som produceras av linsen kan vara riktig eller virtuell. För en riktig bild konvergerar ljusstrålarna till en bild på en viss plats, och du kan se den bilden om du placerar en skärm på den platsen. I det mänskliga ögat och regionen bakom en kameralins används ljuskänsliga celler eller material för att plocka upp den här bilden.
En virtuell bild är annorlunda: när strålarna avviker från en lins gör deras orientering det se som om de kom från platsen för den virtuella bilden. Med andra ord, om du följer de bryta strålarna bakåt men bara följer raka linjer, kommer de alla att konvergeras på platsen för den virtuella bilden. Ljusstrålar konvergerar dock inte fysiskt på den här platsen, och om du placerar en skärm där ser du ingen bild.
Typer av linser och hur de fungerar
En kameralins är en av de mest välkända typerna av linser du stöter på dagligen, och dessa kommer i många olika typer, även om de alla delar samma grundläggande funktionsprinciper som beskrivs tidigare.
En primärlins är en grundlins med fast brännvidd och en zoomobjektiv har en variabel brännvidd, så du behöver inte fysiskt ändra plats för att få något i fokus. En vidvinkelobjektiv är en typ av objektiv med en mycket liten brännvidd som dramatiskt ökar synfältet, och en fiskögolins är i grunden en extrem version av en vidvinkelobjektiv.
Andra exempel är teleobjektiv, som har mycket långa brännviddar och är avsedda att fånga motiv som är långt bort och makrolinser som är avsedda att fokusera på mycket nära avstånd och antingen producera livsstora eller förstorade versioner av föremål.
Andra vanliga typer av linser är glasögonlinser eller kontaktlinser, och båda fungerar för att rätta till synproblemen. Om du är "närsynt" betyder det att dina ögonlinser skapar bilder framför den ljuskänsliga näthinnan i ögat, och du behöver därför divergerande (konkava) linser för att flytta bilden längre tillbaka.
Om du är "långsynt" skulle linserna i dina ögon ge en bild längre bak än dina näthinnor, så du behöver konvergerande linser för att rätta till problemet.
Både kontaktlinser och glasögon korrigerar detta på samma sätt - genom att lägga till en ytterligare korrigeringslins för att göra det effektivt Brännvidden på ditt öga matchar avståndet till näthinnan - men det finns skillnader eftersom kontaktlinser sitter direkt på din ögon. I en kontaktlins behöver linsen inte täcka så mycket utrymme (den behöver bara vara tillräckligt stor för din elev vid maximal utvidgning) och kan uppnå detta med mindre material. För glasögonlinser måste linsen täcka ett mycket större område och är tjockare som ett resultat.
