ชีวิตของคุณจะไม่เหมือนเดิมหากไม่มีเลนส์ ไม่ว่าคุณจะต้องใส่แว่นสายตาที่ถูกต้องหรือไม่ก็ตาม คุณไม่สามารถมองเห็นภาพที่ชัดเจนของสิ่งใดๆ ได้หากไม่มีเลนส์บางชนิดที่จะหักเหแสงที่ผ่านเข้าไปในจุดโฟกัสเดียว
นักวิทยาศาสตร์พึ่งพากล้องจุลทรรศน์และกล้องโทรทรรศน์เพื่อให้มองเห็นวัตถุขนาดเล็กมากหรืออยู่ห่างไกล ยกเว้นจะขยายจนถึงจุดที่สามารถดึงข้อมูลที่เป็นประโยชน์หรือการสังเกตจากภาพได้ และใช้หลักการเดียวกันนี้เพื่อให้แน่ใจว่าคุณมีกล้องที่ช่วยให้คุณถ่ายเซลฟี่ได้สมบูรณ์แบบ
ตั้งแต่แว่นขยายจนถึงสายตามนุษย์ เลนส์ทั้งหมดทำงานบนหลักการพื้นฐานเดียวกัน แม้ว่าเลนส์คอนเวอร์ริ่ง (เลนส์นูน) และเลนส์ไดเวอร์ริ่งจะมีความแตกต่างที่สำคัญ important (เลนส์เว้า) ทันทีที่คุณเรียนรู้รายละเอียดพื้นฐานบางอย่าง คุณจะสังเกตเห็นความคล้ายคลึงกันมากมาย เกินไป.
คำจำกัดความที่ควรทราบ
ก่อนเริ่มการเดินทางเพื่อทำความเข้าใจเลนส์นูนและเลนส์เว้า จำเป็นต้องมีไพรเมอร์ตามแนวคิดหลักบางประการในเลนส์จุดโฟกัสคือจุดที่รังสีคู่ขนานมาบรรจบกัน (เช่น บรรจบกัน) หลังจากผ่านเลนส์ และเกิดภาพที่ชัดขึ้น
ความยาวโฟกัสของเลนส์คือระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของเลนส์ไปยังจุดโฟกัส โดยทางยาวโฟกัสที่เล็กกว่าแสดงว่าเลนส์ที่หักเหแสงได้แรงกว่า
แกนแสงของเลนส์คือเส้นสมมาตรที่ลากผ่านตรงกลางเลนส์ ซึ่งจะวิ่งในแนวนอน ถ้าคุณนึกภาพว่าเลนส์ตั้งตรงในแนวตั้ง
อารังสีแสงเป็นวิธีที่มีประโยชน์ในการแสดงเส้นทางของลำแสง ซึ่งใช้ในไดอะแกรมรังสีเพื่อให้เห็นภาพว่าการมีอยู่ของเลนส์ส่งผลต่อเส้นทางของลำแสงอย่างไร
ในทางปฏิบัติ วัตถุใดๆ ก็ตามจะมีรังสีของแสงแผ่ออกไปในทุกทิศทาง แต่ไม่ใช่ทั้งหมดนี้จะให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์ในการวิเคราะห์สิ่งที่เลนส์ทำจริงๆ เมื่อคุณวาดไดอะแกรมรังสี การเลือกรังสีแสงหลักสองสามเส้นมักจะเพียงพอที่จะอธิบายการแพร่กระจายของคลื่นแสงและกระบวนการสร้างภาพ
เรย์ไดอะแกรม
แผนภาพรังสีและการติดตามรังสีช่วยให้คุณกำหนดตำแหน่งของการก่อตัวของภาพตามตำแหน่งของวัตถุและตำแหน่งของเลนส์ได้
กระบวนการวาดรังสีแสงและการโก่งตัวของแสงขณะผ่านเลนส์สามารถทำได้โดยใช้กฎการหักเหของแสงของ Snell ซึ่งสัมพันธ์กับมุมของรังสีก่อนถึง กับมุมอีกด้านหนึ่งของเลนส์ โดยพิจารณาจากดัชนีการหักเหของอากาศ (หรือตัวกลางอื่นที่รังสีเคลื่อนที่ผ่าน) และชิ้นส่วนของแก้วหรือวัสดุอื่นที่ใช้สำหรับ เลนส์
อย่างไรก็ตาม การทำเช่นนี้อาจใช้เวลานาน และมีเทคนิคบางอย่างที่สามารถช่วยให้คุณผลิตได้ไดอะแกรมรังสีได้ง่ายขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จำไว้ว่าแสงที่ส่องผ่านตรงกลางเลนส์จะไม่หักเหในระดับที่เห็นได้ชัดเจน และรังสีคู่ขนานจะเบี่ยงเบนไปยังจุดโฟกัส
การก่อตัวของภาพมีสองประเภทหลักที่สามารถเกิดขึ้นได้กับเลนส์ และคุณสามารถใช้ไดอะแกรมรังสีเพื่อสร้าง ประการแรกคือ “ภาพจริง” ซึ่งหมายถึงจุดที่แสงมาบรรจบกันเพื่อสร้างภาพ หากคุณวางหน้าจอไว้ที่ตำแหน่งนี้ รังสีของแสงจะสร้างภาพที่อยู่ในโฟกัสบนหน้าจอ ภาพจริงเกิดจากเลนส์บรรจบกัน ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าเลนส์นูน
ภาพเสมือนจริงนั้นแตกต่างอย่างสิ้นเชิงและถูกสร้างขึ้นโดยเลนส์ที่แยกจากกัน เพราะเลนส์เหล่านี้โค้งงอแสงห่างออกไปจากกันและกัน (กล่าวคือ ทำให้มันแตกต่าง) "ภาพ" จะเกิดขึ้นที่ด้านข้างของเลนส์ที่รังสีของแสงตกกระทบมาจาก
ช่องทางออกจากรังสีที่อยู่ฝั่งตรงข้ามทำให้ดูเหมือนรังสีเกิดจากวัตถุที่อยู่ด้านเดียวกัน ของเลนส์เป็นรังสีตกกระทบ ราวกับว่าคุณลากเส้นกลับเป็นเส้นตรงไปยังจุดที่จะ มาบรรจบกัน สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงอย่างแท้จริง และหากคุณวางหน้าจอไว้ที่ตำแหน่งนี้ ก็จะไม่มีภาพ
สมการเลนส์บาง
สมการเลนส์บางเป็นหนึ่งในสมการที่สำคัญที่สุดในทัศนศาสตร์ และสัมพันธ์กับระยะห่างจากวัตถุdo, ระยะห่างของภาพdผม และทางยาวโฟกัสของเลนส์ฉ. สมการนี้ค่อนข้างเรียบง่าย แต่ใช้ยากกว่าสมการอื่นๆ ในวิชาฟิสิกส์เล็กน้อย เนื่องจากคำศัพท์สำคัญอยู่ในตัวส่วนของเศษส่วน ดังนี้
\frac{1}{d_o} + \frac{1}{d_i} = \frac{1}{f}
หลักการคือภาพเสมือนมีระยะห่างเป็นลบ และภาพจริงมีระยะห่างของภาพเป็นบวก ความยาวโฟกัสของเลนส์ยังเป็นไปตามหลักการเดียวกันนี้ ดังนั้นทางยาวโฟกัสเชิงบวกจึงหมายถึงเลนส์บรรจบกัน และทางยาวโฟกัสเชิงลบแสดงถึงเลนส์ที่เบี่ยงเบน
เลนส์นูนและเลนส์เว้าเป็นเลนส์สองประเภทหลักที่กล่าวถึงในชั้นเรียนฟิสิกส์เบื้องต้น ตราบใดที่คุณเข้าใจลักษณะการทำงานเหล่านี้ คุณจะสามารถตอบคำถามได้ทุกข้อ
สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าสมการนี้มีไว้สำหรับเลนส์ที่ "บาง" ซึ่งหมายความว่าเลนส์สามารถถือเป็นการเบี่ยงเบนเส้นทางของรังสีแสงจากหนึ่งตำแหน่งเท่านั้น ศูนย์กลางของเลนส์
ในทางปฏิบัติ มีการโก่งตัวที่ทั้งสองด้านของเลนส์ – ด้านหนึ่งอยู่ที่รอยต่อระหว่างอากาศกับวัสดุเลนส์ และ อื่น ๆ ที่ส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุเลนส์กับอากาศในอีกด้านหนึ่ง – แต่สมมติฐานนี้ทำให้การคำนวณมาก ง่ายกว่า
เลนส์เว้า
เลนส์เว้ายังเรียกอีกอย่างว่าเลนส์เบี่ยงเบนและเลนส์เหล่านี้โค้งเพื่อให้ "ชาม" ของเลนส์หันเข้าหาวัตถุที่เป็นปัญหา ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ข้อตกลงคือว่าเลนส์ประเภทนี้ถูกกำหนดทางยาวโฟกัสเชิงลบ และภาพเสมือนที่สร้างขึ้นนั้นจะอยู่ด้านเดียวกับวัตถุดั้งเดิม
เพื่อให้กระบวนการติดตามรังสีสำหรับเลนส์เว้า โปรดทราบว่ารังสีแสงใดๆ จากวัตถุที่เคลื่อนที่ขนานกับแกนแสงของเลนส์จะเป็น โก่งตัวจึงดูเหมือนมีจุดกำเนิดใกล้จุดโฟกัสของเลนส์ด้านเดียวกับตัวเลนส์ ตัวเอง.
ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น รังสีใดๆ ที่ผ่านตรงกลางเลนส์จะคงอยู่ต่อไปโดยไม่เบี่ยงเบนความสนใจ สุดท้าย รังสีใดๆ ที่เคลื่อนที่ไปยังจุดโฟกัสที่อยู่ฝั่งตรงข้ามของเลนส์จะถูกเบี่ยงเบน ดังนั้นรังสีจะออกมาขนานกับแกนออปติคัล
การวาดรังสีดังกล่าวสองสามจุดโดยอาศัยจุดเดียวบนวัตถุมักจะเพียงพอต่อการค้นหาตำแหน่งของภาพที่สร้างขึ้น
เลนส์นูน
เลนส์นูนเรียกอีกอย่างว่าเลนส์บรรจบกันและทำงานในทางตรงกันข้ามกับเลนส์เว้า มันโค้งเพื่อให้ส่วนโค้งด้านนอกของรูปร่าง "ชาม" อยู่ใกล้กับวัตถุมากที่สุด และทางยาวโฟกัสถูกกำหนดเป็นค่าบวก
กระบวนการของ Ray Tracing สำหรับเลนส์บรรจบกันนั้นคล้ายกันมากกับเลนส์ Diverging โดยมีข้อแตกต่างที่สำคัญสองสามประการ และเช่นเคย ลำแสงที่ส่องผ่านจุดศูนย์กลางของเลนส์จะไม่เบี่ยงเบนไปจากเดิม
หากรังสีตกกระทบเคลื่อนที่ขนานกับแกนออปติคัล รังสีจะเบี่ยงเบนผ่านจุดโฟกัสที่อยู่ฝั่งตรงข้ามของเลนส์ ในทางกลับกัน รังสีแสงใดๆ ที่มาจากวัตถุและผ่านจุดโฟกัสใกล้ระหว่างการเดินทางไปยังเลนส์จะถูกเบี่ยงเบน ดังนั้นมันจึงปรากฏขนานกับแกนออปติคัล
อีกครั้ง โดยการวาดภาพรังสีสองหรือสามจุดบนวัตถุตามหลักการง่ายๆ เหล่านี้ คุณจะสามารถค้นหาตำแหน่งของภาพได้ นี่คือจุดที่รังสีของแสงทั้งหมดมาบรรจบกันที่ด้านตรงข้ามของเลนส์กับตัววัตถุ
แนวคิดการขยาย
การขยายภาพเป็นแนวคิดที่สำคัญในด้านเลนส์ และมันหมายถึงอัตราส่วนของขนาดของภาพที่ผลิตโดยเลนส์และขนาดของวัตถุดั้งเดิม นี่เป็นวิธีที่คุณจะเข้าใจการขยายภาพเป็นแนวคิดจากชีวิตประจำวันได้ค่อนข้างมาก หากภาพมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าของวัตถุ ภาพนั้นจะถูกขยายเป็นสองเท่า แต่คำจำกัดความที่แน่นอนคือ:
M= -\frac{i}{o}
ที่ไหนเอ็มคือกำลังขยายผมหมายถึงขนาดของภาพและoหมายถึงขนาดของวัตถุ กำลังขยายเชิงลบหมายถึงภาพที่กลับด้าน โดยมีกำลังขยายที่เป็นบวกตั้งตรง
ความเหมือนและความแตกต่าง
มีความคล้ายคลึงกันระหว่างเลนส์นูนและเลนส์เว้าในแง่พื้นฐาน แต่มีความแตกต่างมากกว่าความคล้ายคลึงกันเมื่อคุณดูรายละเอียดเพิ่มเติม
ความคล้ายคลึงกันที่สำคัญคือทั้งคู่ทำงานบนหลักการพื้นฐานเดียวกัน โดยที่ความแตกต่างใน ดัชนีการหักเหของแสงระหว่างเลนส์กับสื่อรอบข้างช่วยให้แสงโค้งงอและสร้าง a จุดโฟกัส อย่างไรก็ตาม เลนส์ Diverging จะสร้างภาพเสมือนได้เสมอ ในขณะที่เลนส์ที่บรรจบกันสามารถสร้างภาพจริงหรือภาพเสมือนได้
เมื่อความโค้งของเลนส์ลดลง เลนส์ Converging และ Diverging มีความคล้ายคลึงกันมากขึ้น เนื่องจากรูปทรงของพื้นผิวมีความคล้ายคลึงกันมากขึ้นเช่นกัน เนื่องจากทั้งคู่ทำงานบนหลักการเดียวกัน เมื่อเรขาคณิตมีความคล้ายคลึงกันมากขึ้น เอฟเฟกต์ที่มีต่อรังสีแสงก็จะคล้ายกันมากขึ้นด้วย
แอปพลิเคชันและตัวอย่าง
เลนส์เว้าและเลนส์นูนมีประโยชน์ในการใช้งานหลายอย่าง แต่โดยทั่วไปแล้วในชีวิตประจำวันคือการใช้เลนส์แก้ไข(แว่นตา) สำหรับสายตาสั้นหรือสายตาสั้นหรือสายตายาวหรือสายตายาว
ในสภาวะทั้งสองนี้ จุดโฟกัสของเลนส์ตาไม่ค่อยตรงกับตำแหน่งของ เรตินาที่ไวต่อแสงที่ด้านหลังดวงตา โดยอยู่ด้านหน้าสำหรับสายตาสั้น และด้านหลังสำหรับสายตายาว แว่นสายตาสำหรับสายตาสั้นจะแยกจากกัน ดังนั้นจุดโฟกัสจะถูกเลื่อนไปข้างหลัง ในขณะที่สำหรับเลนส์ที่มีภาวะสายตาสั้นจะถูกนำมาใช้
แว่นขยายและกล้องจุลทรรศน์ทำงานในลักษณะพื้นฐานเดียวกัน โดยใช้เลนส์สองด้าน (เลนส์ที่มีสองด้านนูน) เพื่อสร้างภาพที่ขยายใหญ่ขึ้น แว่นขยายเป็นอุปกรณ์ออปติคัลที่เรียบง่ายกว่า โดยมีเลนส์เพียงตัวเดียวที่ให้ภาพขนาดใหญ่กว่าที่คุณจะหาได้ทั่วไป ไมโครสโคปมีความซับซ้อนกว่าเล็กน้อย (เพราะมักจะมีเลนส์หลายตัว) แต่โดยทั่วไปแล้วพวกมันจะสร้างภาพที่ขยายได้ในลักษณะเดียวกัน
กล้องโทรทรรศน์หักเหทำงานเหมือนกับกล้องจุลทรรศน์และแว่นขยายกับเลนส์ biconvex ทำให้เกิดจุดโฟกัสภายในตัวกล้องดูดาว แต่แสงยังคงส่องไปถึง ช่องมองภาพ
เช่นเดียวกับกล้องจุลทรรศน์ เลนส์เหล่านี้มีเลนส์อีกตัวในเลนส์ใกล้ตาเพื่อให้แน่ใจว่าแสงที่จับได้นั้นอยู่ในโฟกัสเมื่อไปถึงดวงตาของคุณ กล้องโทรทรรศน์หลักอีกประเภทหนึ่งคือกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงซึ่งใช้กระจกแทนเลนส์เพื่อรวบรวมแสงและส่งไปยังดวงตาของคุณ กระจกเป็นเว้าจึงเน้นแสงไปยังภาพจริงในด้านเดียวกับวัตถุ