لنزها اشیایی شفاف هستند که می توانند نور خورشید را بشکنند. آنها عمدتا از شیشه ساخته می شوند. کلمه "شکست نور" به توانایی تغییر جهت انتشار پرتوهای نور فرودی اشاره دارد. بیایید در نظر بگیریم که چگونه تصاویر در یک عدسی نازک ساخته می شوند.
پیشینه تاریخی
اولین عدسی هایی که یونانیان و رومیان باستان شناخته بودند ظروف شیشه ای کروی شکل پر از آب بودند. این نمونه‌های اولیه از عینک‌های نوری مدرن برای برافروختن آتش مورد استفاده قرار گرفتند.
تنها در پایان قرن سیزدهم بود که اولین عدسی شیشه ای در اروپا ساخته شد. از آن زمان تاکنون، روند ساخت آنها تغییر چندانی نکرده است. تنها نوآوری استفاده از قیر توسط اسحاق نیوتن در قرن هفدهم برای صیقل دادن سطوح اجسام نوری بود.
جمع آوری و پراکندگی عینک های نوری
برای سهولت درک ساخت تصاویر در یک لنز نازک، در نظر بگیریدسوال این است که عینک های نوری چیست؟ به طور کلی، تنها دو نوع لنز وجود دارد که از نظر شکل و توانایی در شکست شار نور با هم تفاوت دارند. انواع زیر متمایز می شوند:
- عدسی های همگرا. این نوع دارای ضخامت قسمت مرکزی آن بیشتر از ضخامت لبه ها است. تصویر به دست آمده در یک عدسی همگرا در سمت دیگر نوری که روی آن می تابید تشکیل می شود. این نوع توانایی جمع آوری نور در یک نقطه واحد (فوکوس مثبت) را دارد.
- لنزهای واگرا. قسمت مرکزی آنها نازکتر از لبه ها است. این عینک های نوری به دلیل شکلی که دارند، نور تابیده شده را بر روی خود پراکنده می کنند که منجر به تشکیل تصویری در همان سمت عدسی می شود که پرتوهای یک جسم روی آن می افتند. تصویر تولید شده بسیار کوچکتر از مورد واقعی است. اگر پرتوهای پراکنده شده توسط این شیشه نوری به گونه ای ادامه یابد که منشا آنها مشخص شود، به نظر می رسد که از یک نقطه مقابل آن بیرون می آیند. این نقطه فوکوس نامیده می شود که برای یک عدسی واگرا منفی یا خیالی است.
اشکال مختلف عینک های نوری
دو نوع لنز موجود را می توان به روش های مختلفی ساخت. 6 شکل زیر متمایز می شوند:
- دو محدب.
- Plano-convex.
- با منیسک محدب (مقعر-محدب).
- دو مقعر.
- Plano-concave.
- با منیسک مقعر (محدب - مقعر).
عناصر شیشه ای محدب
برای درک فیزیک لنز و ساخت داخللنزهای تصویربرداری نازک، لازم است عناصر اصلی این شی نوری را بشناسید. بیایید آنها را فهرست کنیم:
- مرکز نوری (O) نقطه ای است که نور بدون شکست از آن عبور می کند.
- محور اصلی یک خط مستقیم است که از نقطه مرکز نوری و کانون اصلی می گذرد.
- کانون اصلی یا اصلی (F) نقطه ای است که پرتوهای نور یا امتداد آنها در صورتی که روی شیشه نوری موازی با محور اصلی آن بیفتند از آن عبور می کنند.
- محور کمکی - هر خط مستقیمی که از مرکز نوری می گذرد.
- شعاع انحنا دو شعاع R1 و R2 از کره هایی است که عدسی را تشکیل می دهند.
- مرکز انحنا - دو مرکز کره، C1 و C2، که سطوح شیشه نوری را تشکیل می دهند.
- فاصله کانونی (f) - فاصله بین نقطه کانونی و مرکز نوری. تعریف دیگری از مقدار (f) وجود دارد: این فاصله از مرکز لنز نوری تا تصویر است که یک شی را در فاصله بی نهایت دور نشان می دهد.
خواص نوری
چه یک شیشه محدب ساده باشد و چه سیستم‌های نوری پیچیده، که مجموعه‌ای از لنزهای جداگانه هستند، خواص نوری آنها به دو پارامتر بستگی دارد: فاصله کانونی و رابطه بین فاصله کانونی و قطر لنز.
فاصله کانونی به دو روش اندازه گیری می شود:
- به واحدهای فاصله معمولی، مانند 10 سانتی متر، 1 متر، و غیره.
- در دیوپترها، این مقداری است که با فاصله کانونی نسبت معکوس دارد که بر حسب متر اندازه گیری می شود.
به عنوان مثال، یک شیشه نوری با توان 1 دیوپتر دارای فاصله کانونی 1 متر است، در حالی که عدسی با قدرت 2 دیوپتر دارای فاصله کانونی تنها 0.5 متر است.
قطر عدسی و ارتباط آن با فاصله کانونی توانایی شیشه نوری در جمع آوری نور یا خروجی نور آن را تعیین می کند.
خواص پرتوهای عبوری از عدسی
در مدارس کلاس هشتم، ساختن تصاویر با لنزهای نازک یکی از موضوعات مهم در فیزیک است. برای یادگیری نحوه ساخت این تصاویر، نه تنها باید مفاهیم و عناصر اساسی، بلکه ویژگی های برخی از پرتوهای عبوری از یک جسم فعال نوری را نیز بدانیم:
- هر پرتویی که به موازات محور اصلی بگذرد به گونه ای منکس می شود که یا از کانون عبور کند (در مورد عدسی همگرا) یا ادامه خیالی آن از کانون عبور کند (در مورد یک عدسی). واگرا).
- پرتویی که از کانون عبور می کند شکسته می شود تا حرکت خود را به موازات محور اصلی ادامه دهد. توجه داشته باشید که در مورد عدسی واگرا، این قانون در صورتی معتبر است که ادامه تابش پرتو روی آن از کانون واقع در طرف دیگر جسم نوری عبور کند.
- هر پرتوی نوری که از مرکز عدسی عبور کند هیچ انکساری را تجربه نمی کند و جهت را تغییر نمی دهد.
ویژگی های ساخت تصاویر در لنزهای نازک
اگرچه جمع آوری و پراکندگی نوریعینک ها خواص مشابهی دارند، ساخت تصاویر در هر کدام ویژگی های خاص خود را دارد.
هنگام ساختن تصاویر، فرمول لنز نازک این است:
1/f=1/do+1/di،
که در آن do و di فاصله مرکز نوری تا جسم و تصویر آن است.
توجه داشته باشید که فاصله کانونی (f) برای لنزهای همگرا مثبت و برای لنزهای واگرا منفی است.
کاربرد خواص فوق پرتوهای عبوری از شیشه نوری جمع‌آوری منجر به نتایج زیر می‌شود:
- اگر جسم در فاصله بیش از 2f قرار گیرد، یک تصویر واقعی به دست می آید که اندازه آن کوچکتر از جسم است. ما آن را وارونه می بینیم.
- جسمی که در فاصله 2f از عدسی قرار می گیرد، یک تصویر وارونه واقعی به همان اندازه خود جسم ایجاد می کند.
- اگر جسم در فاصله ای بیشتر از f، اما کمتر از 2f باشد، یک تصویر وارونه و بزرگ شده واقعی از آن به دست می آید.
- اگر جسم در نقطه کانونی باشد، پرتوهایی که از شیشه نوری عبور می کنند موازی می شوند، به این معنی که هیچ تصویری وجود ندارد.
- اگر جسمی نزدیکتر از یک فاصله کانونی باشد، تصویر آن تخیلی، مستقیم و بزرگتر از خود جسم است.
از آنجایی که خواص پرتوهایی که از یک عدسی همگرا و واگرا می گذرند مشابه است، ساخت تصاویری که توسط یک عدسی نازک از این نوع ارائه می شود طبق قوانین مشابهی انجام می شود.
نقاشیتصویربرداری برای مناسبت های مختلف
در نقاشی‌ها، یک عدسی همگرا با خطی نشان داده می‌شود که در انتهای آن فلش‌هایی به سمت بیرون وجود دارد، و یک عدسی واگرا با یک خط با فلش‌هایی در انتهای آن که به سمت داخل هستند نشان داده می‌شود، یعنی: به یکدیگر.
انواع مختلف نقشه ها برای ساخت تصاویر در لنزهای نازک، که در پاراگراف قبلی مورد بحث قرار گرفت، در شکل زیر نشان داده شده است.
همانطور که از شکل مشخص است، تمام تصاویر (برای هر نوع شیشه نوری و موقعیت جسم نسبت به آنها) بر روی دو پرتو ساخته شده اند. یکی به موازات محور اصلی هدایت می شود و دیگری از مرکز نوری عبور می کند. استفاده از این پرتوها راحت است زیرا رفتار آنها پس از عبور از عدسی مشخص است. همچنین توجه داشته باشید که لبه پایینی جسم (فلش قرمز در این مورد) روی محور نوری اصلی قرار دارد، بنابراین کافی است فقط تصویر نقطه بالای جسم را بسازید. اگر جسم (فلش قرمز) به طور دلخواه نسبت به شیشه نوری قرار گرفته باشد، لازم است تصویری از هر دو قسمت بالایی و پایینی آن به طور مستقل ساخته شود.
دو پرتو برای ساختن هر تصویر کافی است. اگر در مورد نتیجه عدم اطمینان وجود داشته باشد، می توان با استفاده از پرتو سوم آن را بررسی کرد. باید از طریق فوکوس (در مقابل عدسی همگرا و پشت عدسی واگرا) هدایت شود، سپس پس از عبور از شیشه نوری و شکست در آن، پرتو موازی با محور اصلی نوری خواهد بود. اگر مشکل ساخت تصویر در عدسی نازک حل شوددرست است، سپس از نقطه ای که دو پرتو اصلی تلاقی می کنند عبور می کند.
فرایند ساخت اشیاء نوری
بیشتر لنزها از انواع خاصی از شیشه به نام لنزهای نوری ساخته می شوند. هیچ تنش داخلی، حباب هوا و سایر عیوب در چنین شیشه ای وجود ندارد.
فرایند ساخت لنزها در چند مرحله انجام می شود. ابتدا یک شی مقعر یا محدب به شکل مورد نظر را با استفاده از ابزارهای فلزی مناسب از یک بلوک شیشه نوری برش می دهند. سپس با استفاده از قطران جلا داده می شود. در مرحله آخر، اندازه شیشه نوری با استفاده از ابزارهای ساینده تغییر می‌کند تا مرکز ثقل دقیقاً با مرکز نوری منطبق باشد.
با توجه به توسعه فناوری‌ها برای به دست آوردن و پردازش انواع پلاستیک، اکنون لنزها به طور فزاینده‌ای از انواع پلاستیک شفاف ساخته می‌شوند که ارزان‌تر، سبک‌تر و کمتر شکننده‌تر از همتایان شیشه‌ای خود هستند.
حوزه های کاربردی
عینک های نوری برای حل مشکلات بینایی مختلف استفاده می شود. برای این کار هم از لنزهای پلاستیکی و هم از لنزهای شیشه ای (با عینک) استفاده می شود.
علاوه بر این، عینک های نوری در دوربین های عکاسی، میکروسکوپ ها، تلسکوپ ها و سایر ابزارهای نوری استفاده می شوند. آنها از یک سیستم کامل لنز استفاده می کنند. به عنوان مثال، در مورد ساده ترین میکروسکوپ، که از دو شیشه نوری تشکیل شده است، اولین یک تصویر واقعی از جسم را تشکیل می دهد، ودومی برای بزرگنمایی تصویر آن استفاده می شود. بنابراین شیشه دوم طبق قوانین ساخت تصاویر در عدسی نازک در فاصله مناسبی از اولی قرار گرفته است.
