Ви стикаєтесь з лінзами щодня. Будь то лінза на камері мобільного телефону, лінзи на окулярах або контактні лінзи, якими ви добре бачите, збільшувальні окуляри, мікроскопи, телескопи або щось інше, фізика лінз пояснює, як простий шматок скла можна використовувати для збільшення, мінімізації або фокусування зображень для будь-якої мети.
По суті, лінзи працюють, згинаючи промені світла, які проходять через них через заломлення, але ця основна точка може бути реалізована різними способами, що залежить від типу лінзи. На щастя, основи таких лінз легко зрозуміти, коли ви дізнаєтесь трохи більше про те, як вони працюють.
Що таке лінза?
Лінза - це шматок прозорого матеріалу, який має таку форму, що змушує промені світла згинатися певним чином, як вони пройти крізь неї, чи означає це змусити промені сходитися до певної точки або відходити, ніби від певної точка. Матеріалом, що використовується, може бути шматок скла або пластику, а форма лінзи визначає, чи спричиняють вони зближення або розбіжність світлових променів. Слово “лінза” походить від латинського слова “сочевиця”, через подібність форми між збіжною лінзою та бобовими рослинами.
Фактичне вигин світлових променів, що утворюються лінзою, відбувається тому, що матеріал лінзи має інший показник заломлення, ніж навколишнє повітря. Така поведінка описується законом заломлення Снелла, який пов'язує різний кут між падаючим і заломленим променями світла з показниками заломлення для двох матеріалів.
Коротше кажучи, закон говорить, що якщо ви переходите від речовини з нижчим показником заломлення до більш високої (наприклад, від повітря до скла), світловий промінь відхиляється до "нормальної" до поверхні (тобто до напрямку, перпендикулярного поверхні в цій точці), і що протилежне вірно для світлових променів, що переходять від матеріалу з вищим показником заломлення до нижчого один.
Визначення
У оптиці використовується досить багато унікальних термінів, і їх розуміння має вирішальне значення, якщо ви вивчаєте фізику лінз.
- точка фокусу - це точка, де паралельні промені сходяться при проходженні крізь лінзу.
- фокусна відстань лінзи - це відстань від її центру до фокусної точки, що по суті визначає “силу вигину” лінзи.
- оптична вісь - це лінія симетрії для лінзи.
- A світловий промінь є наближенням шляху світла, де прямі лінії використовуються для представлення руху світлових хвиль (або фотонів). Кожна точка на об'єкті виробляє промені світла у всіх можливих напрямках, але зазвичай для вибору місця розташування отриманого зображення вибирають кілька конкретних променів.
- Ан оптична лінза це один шматок матеріалу, призначений для зближення променів світла (опукла лінза) або розбіжностей (увігнута лінза).
- A двоопукла лінза є простою оптичною лінзою з двома опуклими сторонами (утворює сочевицеподібну форму, що дала лінзам їх назву), яку іноді називають опукло-опуклою лінзою і має позитивну фокусну відстань за визначенням. Вони використовуються у збільшувальних окулярах, телескопах, мікроскопах і навіть людському оці.
- глибина різкості описує діапазон відстаней, на яких об’єкти знаходяться у фокусі при розгляді через об’єктив, і, зокрема, є загальноприйнятою термінологією у фотографії. Оскільки датчики світла в камерах мають фіксований розмір, якщо зображення є трохи без фокусування, але кількість помилок досить мала, насправді вона не реєструватиметься як поза фокусом. Цей діапазон фокусування - це глибина різкості.
- основна лінза - це об’єктив, що використовується у фотографії з фіксованою фокусною відстанню, на відміну від зум-об’єктивів, де фокусну відстань можна змінювати. Однак в інших контекстах основна лінза може використовуватися для позначення первинної лінзи в системі, що складається з декількох лінз.
Діаграми Променя
Променеві діаграми є надзвичайно корисним інструментом в оптиці, і їх використовують для пошуку місця, де буде формуватися зображення на основі розташування об’єкта та лінзи. Намалювавши якесь ключове світло, що виходить з предмета, і позначивши їхній шлях, коли вони проходять крізь лінзу, точка зустрічі - це місце, де буде формуватися зображення.
Цей процес можна зробити, використовуючи закон заломлення Снелла, але кілька прийомів також можуть спростити процес. Наприклад, промінь, який проходить через центр лінзи, ледве відхиляється взагалі, і той, що вражає лінзу, перпендикулярну оптичній осі, заломлюється, щоб пройти через фокусну точку для об'єктив.
Зображення, створене об'єктивом, може бути реальним або віртуальним. Для реального зображення світлові промені сходяться, щоб сформувати зображення у певному місці, і ви могли б побачити це зображення, якби розмістили екран у цьому місці. В людському оці та в області за об'єктивом камери для отримання цього зображення використовуються світлочутливі клітини або матеріали.
Віртуальне зображення інше: коли промені розходяться від лінзи, їх орієнтація робить це дивись як вони прийшли з місця розташування віртуального зображення. Іншими словами, якщо ви будете слідувати за заломленими променями назад, але лише слідуючи прямим лініям, вони всі зберуться в місці розташування віртуального зображення. Однак світлові промені фізично не сходяться в цьому місці, і якщо ви розмістите там екран, ви не побачите зображення.
Види лінз і як вони працюють
Об’єктив камери - це один із найбільш звичних типів об’єктивів, з якими ви стикаєтеся щодня, і вони з’являються у багатьох різних типах, хоча всі вони мають однакові основні принципи роботи, окреслені раніше.
Основна лінза - це основна лінза з фіксованою фокусною відстанню, а зум-лінза має змінну фокусну відстань, тому вам не доведеться фізично змінювати своє місце розташування, щоб отримати щось у фокусі. Ширококутна лінза - це тип об’єктива з дуже малою фокусною відстанню, який різко збільшує поле зору, а об’єктив «риб’яче око» є по суті екстремальною версією ширококутного об’єктива.
Іншими прикладами є телеоб'єктиви, які мають дуже великі фокусні відстані і призначені для зйомки предметів, що знаходяться далеко далеко, а також макрооб'єктиви, які призначені для фокусування на дуже близькій відстані, або випускають у натуральну величину або збільшені версії об'єктів.
Інші поширені типи лінз - це лінзи для окулярів або контактні лінзи, і обидва вони працюють для усунення проблем із вашим зором. Якщо ви «короткозорі», це означає, що ваші лінзи для очей створюють зображення перед світлочутливою сітківкою ока, тому вам потрібні розбіжні (увігнуті) лінзи, щоб перемістити зображення назад.
Якщо ви "далекоглядні", лінзи у ваших очах дають зображення, віддалене від сітківки, тому вам потрібні збіжні лінзи, щоб виправити цю проблему.
Як контактні лінзи, так і окуляри коригують це однаково - додаючи додаткову коригуючу лінзу, щоб зробити ефект ефективнішим Фокусна відстань ока відповідає відстані до сітківки ока, але є відмінності, оскільки контактні лінзи сидять прямо на вашому очі. У контактних лінзах лінзі не потрібно охоплювати стільки місця (вона повинна бути лише достатньо великою для вашого зіниці при максимальному розширенні), і її можна досягти за допомогою меншої кількості матеріалу. Для лінз окулярів лінза повинна охоплювати значно більшу площу і, як результат, вона товщі.