เลนส์ (ฟิสิกส์): ความหมาย ประเภท และวิธีทำงาน

คุณเจอเลนส์ทุกวัน ไม่ว่าจะเป็นเลนส์บนกล้องโทรศัพท์มือถือ เลนส์บนแว่นสายตา หรือคอนแทคเลนส์ที่คุณใช้มองเห็นได้ชัดเจน แว่นขยาย กล้องจุลทรรศน์ กล้องโทรทรรศน์หรืออย่างอื่นโดยสิ้นเชิง ฟิสิกส์ของเลนส์อธิบายว่าแก้วธรรมดาๆ สามารถใช้ขยาย ย่อให้เล็กสุด หรือนำภาพมาโฟกัสได้อย่างไร วัตถุประสงค์ใด ๆ

โดยพื้นฐานแล้ว เลนส์ทำงานโดยการดัดแสงที่ส่องผ่านผ่านการหักเหของแสง แต่จุดพื้นฐานนี้สามารถนำไปใช้ได้หลายวิธีที่แตกต่างกันไปตามประเภทของเลนส์ โชคดีที่พื้นฐานของเลนส์ดังกล่าวสามารถเข้าใจได้ง่ายเมื่อคุณเรียนรู้เพิ่มเติมเล็กน้อยเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเลนส์เหล่านี้

เลนส์คือชิ้นส่วนของวัสดุโปร่งใสที่มีรูปร่างเพื่อให้รังสีของแสงโค้งงอในลักษณะเฉพาะเช่น ทะลุผ่านเข้าไปไม่ว่านั่นจะหมายถึงการทำให้รังสีมาบรรจบกันที่จุดใดจุดหนึ่งหรือแยกออกราวกับว่ามาจากจุดใดจุดหนึ่งโดยเฉพาะ จุด. วัสดุที่ใช้อาจเป็นชิ้นแก้วหรือพลาสติก และรูปร่างของเลนส์เป็นตัวกำหนดว่าจะทำให้แสงมาบรรจบกันหรือแยกจากกัน คำว่า "เลนส์" มาจากคำภาษาละตินที่แปลว่า "ถั่ว" เนื่องจากมีรูปร่างคล้ายคลึงกันระหว่างเลนส์บรรจบกับพืชตระกูลถั่ว

การหักเหของแสงที่เกิดขึ้นจริงจากเลนส์เกิดขึ้นเนื่องจากวัสดุของเลนส์มีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างจากอากาศโดยรอบ พฤติกรรมนี้อธิบายโดยกฎการหักเหของ Snell ซึ่งสัมพันธ์ความแตกต่างของมุมระหว่างเหตุการณ์และรังสีแสงหักเหกับดัชนีการหักเหของแสงของวัสดุทั้งสอง

กล่าวโดยย่อ กฎหมายกล่าวว่าหากคุณเปลี่ยนจากสารดัชนีการหักเหของแสงที่ต่ำกว่าไปเป็นสารที่สูงกว่า (เช่น จากอากาศสู่แก้ว) รังสีแสงจะเบี่ยงเบนไปทาง "ปกติ" ไปยัง พื้นผิว (กล่าวคือ ไปในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิว ณ จุดนั้น) และสิ่งที่ตรงกันข้ามคือความจริงสำหรับรังสีของแสงที่เคลื่อนจากวัสดุดัชนีการหักเหของแสงที่สูงกว่าไปยังค่าที่ต่ำกว่า หนึ่ง.

มีคำศัพท์เฉพาะสองสามคำที่ใช้ในเลนส์ และการทำความเข้าใจสิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญหากคุณกำลังศึกษาฟิสิกส์ของเลนส์

• จุดโฟกัส คือจุดที่รังสีคู่ขนานมาบรรจบกันเมื่อผ่านเลนส์ไปแล้ว
• ความยาวโฟกัส ของเลนส์คือระยะห่างจากจุดศูนย์กลางไปยังจุดโฟกัส โดยพื้นฐานแล้วจะเป็นตัวกำหนด "กำลังดัด" ของเลนส์
• แกนแสง คือเส้นสมมาตรของเลนส์
• อา รังสีแสง เป็นการประมาณเส้นทางของแสง ซึ่งเส้นตรงใช้แทนการเคลื่อนที่ของคลื่นแสง (หรือโฟตอน) ทุกจุดบนวัตถุทำให้เกิดรังสีของแสงในทุกทิศทางที่เป็นไปได้ แต่โดยปกติแล้วจะมีการเลือกรังสีเฉพาะบางจุดเพื่อระบุตำแหน่งของภาพที่ได้
• อัน เลนส์ออปติคอล เป็นวัสดุชิ้นเดียวที่ออกแบบมาเพื่อให้แสงมาบรรจบกัน (เลนส์นูน) หรือเลนส์เบี่ยงเบน (เลนส์เว้า)
• อา เลนส์นูนสองด้าน เป็นเลนส์ออพติคอลธรรมดาที่มีด้านนูนสองด้าน (ทำให้เกิดรูปร่างคล้ายถั่วเลนทิลที่ทำให้เลนส์ได้รับชื่อ) ซึ่งบางครั้งเรียกว่าเลนส์นูน-นูนและมีความยาวโฟกัสบวกตามคำจำกัดความ ใช้ในแว่นขยาย กล้องโทรทรรศน์ กล้องจุลทรรศน์ และแม้กระทั่งตามนุษย์
  
• ความชัดลึก อธิบายช่วงของระยะทางที่วัตถุอยู่ในโฟกัสเมื่อมองผ่านเลนส์ และเป็นคำศัพท์ทั่วไปในการถ่ายภาพโดยเฉพาะ เนื่องจากเซนเซอร์แสงในกล้องมีขนาดคงที่ หากภาพเป็น เล็กน้อย ไม่ได้โฟกัสแต่จำนวนข้อผิดพลาดมีน้อยเพียงพอ จริง ๆ แล้วจะไม่บันทึกว่าอยู่นอกโฟกัส ช่วงโฟกัสนี้คือระยะชัดลึก
• ไพรม์เลนส์ เป็นเลนส์ที่ใช้ในการถ่ายภาพที่มีความยาวโฟกัสคงที่ ซึ่งต่างจากเลนส์ซูมที่สามารถเปลี่ยนทางยาวโฟกัสได้ ในบริบทอื่น แม้ว่าเลนส์เดี่ยวอาจใช้เพื่อหมายถึงเลนส์หลักในระบบที่ประกอบด้วยเลนส์หลายตัว

ไดอะแกรมรังสีเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์อย่างยิ่งในด้านออปติก และจะใช้เพื่อค้นหาตำแหน่งที่ภาพจะถูกสร้างขึ้นตามตำแหน่งของวัตถุและเลนส์ โดยการดึงแสงหลักที่ออกมาจากวัตถุและทำเครื่องหมายเส้นทางของพวกมันขณะที่พวกมันผ่านเลนส์ จุดที่พวกมันมาบรรจบกันคือที่ที่ภาพจะถูกสร้างขึ้น

กระบวนการนี้สามารถทำได้โดยใช้กฎการหักเหของแสงของ Snell แต่มีกลอุบายบางอย่างสามารถทำให้กระบวนการง่ายขึ้นได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น รังสีที่ผ่านจุดศูนย์กลางของเลนส์แทบจะไม่เบี่ยงเบนเลย และรังสีที่ กระทบเลนส์ตั้งฉากกับแกนแสงหักเหผ่านจุดโฟกัสสำหรับ เลนส์

ภาพที่ผลิตโดยเลนส์อาจเป็นจริงหรือเสมือนก็ได้ สำหรับภาพจริง รังสีของแสงจะมาบรรจบกันเป็นภาพ ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง และคุณจะเห็นภาพนั้นได้หากวางหน้าจอไว้ที่ตำแหน่งนั้น ในสายตามนุษย์และบริเวณหลังเลนส์กล้อง เซลล์หรือวัสดุที่ไวต่อแสงถูกใช้เพื่อจับภาพนี้

ภาพเสมือนจริงนั้นแตกต่าง: เมื่อรังสีแยกออกจากเลนส์ การวางแนวจะทำให้ makes ดู เหมือนมาจากตำแหน่งของภาพเสมือน กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากคุณติดตามรังสีหักเหไปข้างหลังแต่เดินตามเส้นตรงเท่านั้น รังสีเหล่านี้จะมาบรรจบกันที่ตำแหน่งของภาพเสมือน อย่างไรก็ตาม รังสีของแสงไม่ได้มาบรรจบกันที่ตำแหน่งนี้ และหากคุณวางหน้าจอไว้ที่นั่น คุณจะไม่เห็นภาพ

เลนส์กล้องเป็นเลนส์ประเภทหนึ่งที่คุณคุ้นเคยมากที่สุดในชีวิตประจำวัน และเลนส์เหล่านี้ก็มาพร้อม ในหลายประเภท แม้ว่าทั้งหมดจะใช้หลักการพื้นฐานเดียวกันของการดำเนินการที่ระบุไว้ outline ก่อนหน้านี้

เลนส์เดี่ยวเป็นเลนส์พื้นฐานที่มีความยาวโฟกัสคงที่ และเลนส์ซูมมีความยาวโฟกัสที่ปรับได้ ดังนั้นคุณจึงไม่ต้องเปลี่ยนตำแหน่งทางกายภาพเพื่อให้บางสิ่งอยู่ในโฟกัส เลนส์มุมกว้างเป็นเลนส์ประเภทหนึ่งที่ทางยาวโฟกัสเล็กมาก ซึ่งเพิ่มระยะการมองเห็นได้อย่างมาก และเลนส์ฟิชอายเป็นเลนส์มุมกว้างรุ่นเอ็กซ์ตรีมอย่างแท้จริง

ตัวอย่างอื่นๆ ได้แก่ เลนส์เทเลโฟโต้ ซึ่งมีทางยาวโฟกัสยาวมากและมีจุดประสงค์เพื่อถ่ายภาพตัวแบบที่อยู่ไกล ห่างออกไป และเลนส์มาโครที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อโฟกัสในระยะใกล้มาก และสร้างเวอร์ชันขนาดเท่าจริงหรือแบบขยายของ วัตถุ

เลนส์ประเภทอื่นๆ ทั่วไป ได้แก่ เลนส์แว่นตาหรือคอนแทคเลนส์ และทั้งสองวิธีนี้ช่วยแก้ไขปัญหาการมองเห็นของคุณ หากคุณ "สายตาสั้น" แสดงว่าเลนส์ตาของคุณสร้างภาพต่อหน้าเรตินาที่ไวต่อแสงในดวงตาของคุณ ดังนั้นคุณจึงต้องแยกเลนส์ (เว้า) เพื่อย้ายภาพไปทางด้านหลัง

หากคุณ "มองการณ์ไกล" เลนส์ในดวงตาของคุณจะสร้างภาพด้านหลังได้ไกลกว่าเรตินาของคุณ ดังนั้น คุณจึงต้องใช้เลนส์ที่บรรจบกันเพื่อแก้ไขปัญหานี้

ทั้งคอนแทคเลนส์และแว่นตาแก้ไขสิ่งนี้ในลักษณะเดียวกัน - โดยการเพิ่มเลนส์แก้ไขเพิ่มเติมเพื่อให้มีประสิทธิภาพ ทางยาวโฟกัสของดวงตาตรงกับระยะห่างกับเรตินาของคุณ – แต่มีความแตกต่างกันเนื่องจากคอนแทคเลนส์วางบนตัวของคุณโดยตรง ตา. ในคอนแทคเลนส์ เลนส์ไม่จำเป็นต้องครอบคลุมพื้นที่มากนัก (ต้องมีขนาดใหญ่เพียงพอสำหรับรูม่านตาของคุณที่การขยายสูงสุด) และสามารถทำได้โดยใช้วัสดุน้อยลง สำหรับเลนส์แว่นตา เลนส์ต้องครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่กว่ามากและหนาขึ้นด้วย