เลนส์เป็นวัตถุโปร่งแสงที่หักเหแสงได้ ส่วนใหญ่ทำจากแก้ว คำว่า "หักเหแสง" หมายถึงความสามารถในการเปลี่ยนทิศทางการแพร่กระจายของรังสีแสงตกกระทบ ลองพิจารณาว่าภาพถูกสร้างขึ้นในเลนส์บางอย่างไร
ภูมิหลังทางประวัติศาสตร์
เลนส์ตัวแรกที่ชาวกรีกและโรมันโบราณรู้จักคือภาชนะแก้วทรงกลมที่บรรจุน้ำ แว่นสายตาสมัยใหม่ต้นแบบเหล่านี้เคยจุดไฟ
เมื่อปลายศตวรรษที่ 13 เลนส์แก้วตัวแรกถูกสร้างขึ้นในยุโรปเท่านั้น ตั้งแต่นั้นมากระบวนการผลิตก็ไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปมากนัก นวัตกรรมเดียวคือการใช้ทาร์โดยไอแซก นิวตันในศตวรรษที่ 17 เพื่อขัดพื้นผิวของวัตถุที่มองเห็นได้
การรวบรวมและโปรยแว่นสายตา
เพื่อให้เข้าใจโครงสร้างของภาพในเลนส์บางได้ง่ายขึ้นคำถามคือแว่นสายตาคืออะไร โดยทั่วไปแล้ว เลนส์มีเพียงสองประเภทเท่านั้น ซึ่งมีรูปร่างและความสามารถในการหักเหของแสงต่างกัน ประเภทต่อไปนี้มีความโดดเด่น:
- คอนเวอร์ริ่งเลนส์. ชนิดนี้มีความหนาของส่วนตรงกลางมากกว่าความหนาของขอบ ภาพที่เกิดในเลนส์บรรจบกันจะเกิดขึ้นที่อีกด้านหนึ่งของแสงที่ตกลงมา ประเภทนี้มีความสามารถในการเก็บแสงเป็นจุดเดียว (โฟกัสบวก)
- เลนส์แยก. ส่วนกลางของพวกมันบางกว่าขอบ เนื่องจากรูปร่างของมัน แว่นตาออพติคอลเหล่านี้จึงกระจายแสงที่ตกกระทบบนตัวพวกมัน ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของภาพที่ด้านเดียวกับเลนส์เมื่อรังสีจากวัตถุตกลงมาบนเลนส์ รูปภาพที่สร้างขึ้นมีขนาดเล็กกว่าของจริงมาก หากรังสีที่กระจัดกระจายโดยกระจกออปติคัลนี้ยังคงดำเนินต่อไปในลักษณะที่จะระบุที่มาของมัน ดูเหมือนว่าพวกมันจะโผล่ออกมาจากจุดหนึ่งที่อยู่ข้างหน้ามัน จุดนี้เรียกว่าจุดโฟกัส ซึ่งเป็นลบหรือจินตภาพสำหรับเลนส์ที่แยกออก
แว่นสายตารูปทรงต่างๆ
เลนส์ที่มีอยู่แล้วสามารถทำได้หลายวิธี 6 รูปแบบต่อไปนี้มีความโดดเด่น:
- Biconvex.
- เพลโนนูน
- มีวงเดือนนูน (เว้า-นูน).
- Biconcave.
- เพลโนเว้า
- มีวงเดือนเว้า (นูนเว้า).
ชิ้นกระจกนูน
เพื่อให้เข้าใจฟิสิกส์ของเลนส์และการสร้างในเลนส์ถ่ายภาพแบบบาง จำเป็นต้องทราบองค์ประกอบพื้นฐานของวัตถุออปติคัลนี้ มาลิสต์กัน:
- ศูนย์ออปติคัล (O) คือจุดที่แสงผ่านไปโดยไม่หักเห
- แกนหลักเป็นเส้นตรงที่ลากผ่านจุดศูนย์กลางแสงและจุดโฟกัสหลัก
- จุดโฟกัสหลักหรือจุดหลัก (F) คือจุดที่รังสีแสงหรือส่วนต่อขยายของแสงผ่านไป หากตกบนกระจกออพติคอลขนานกับแกนหลัก
- แกนเสริม - เส้นตรงใดๆ ที่ผ่านจุดศูนย์กลางแสง
- รัศมีของความโค้งคือรัศมีสองรัศมี R1 และ R2 ของทรงกลมที่ก่อตัวเป็นเลนส์
- จุดศูนย์กลางความโค้ง - จุดศูนย์กลางของทรงกลมสองจุด C1 และ C2 ซึ่งก่อตัวเป็นพื้นผิวของกระจกออปติคัล
- ทางยาวโฟกัส (f) - ระยะห่างระหว่างจุดโฟกัสและศูนย์กลางออปติคัล มีคำจำกัดความอื่นของค่า (f): นี่คือระยะห่างจากศูนย์กลางของเลนส์ออปติคัลไปยังภาพ ซึ่งทำให้วัตถุที่อยู่ห่างไกลออกไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุด
คุณสมบัติทางแสง
ไม่ว่าจะเป็นกระจกนูนธรรมดาหรือระบบออปติคัลที่ซับซ้อน ซึ่งเป็นกลุ่มของเลนส์แต่ละตัว คุณสมบัติทางแสงของเลนส์นั้นขึ้นอยู่กับสองพารามิเตอร์: ทางยาวโฟกัสและความสัมพันธ์ระหว่างทางยาวโฟกัสและเส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์
ความยาวโฟกัสวัดได้สองวิธี:
- ในหน่วยระยะปกติ เช่น 10ซม. 1ม. เป็นต้น
- ในไดออปเตอร์ นี่คือค่าที่เป็นสัดส่วนผกผันกับทางยาวโฟกัส ซึ่งวัดเป็นเมตร
เช่น กระจกออปติคอลที่มีกำลัง 1 ไดออปเตอร์จะมีทางยาวโฟกัส 1 ม. ในขณะที่เลนส์ที่มีกำลัง 2 ไดออปเตอร์จะมีทางยาวโฟกัสเพียง 0.5 ม.
เส้นผ่านศูนย์กลางของเลนส์และความสัมพันธ์กับทางยาวโฟกัสเป็นตัวกำหนดความสามารถของแก้วออปติคัลในการรวบรวมแสงหรือแสงที่เปล่งออกมา
คุณสมบัติของรังสีที่ผ่านเลนส์
ในโรงเรียนในชั้นประถมศึกษาปีที่ 8 การสร้างภาพในเลนส์บางเป็นหนึ่งในหัวข้อที่สำคัญในวิชาฟิสิกส์ หากต้องการเรียนรู้วิธีสร้างภาพเหล่านี้ เราควรรู้ไม่เพียงแต่แนวคิดและองค์ประกอบพื้นฐานเท่านั้น แต่ยังต้องรู้คุณสมบัติของรังสีบางส่วนที่ลอดผ่านวัตถุที่เคลื่อนไหวด้วยแสงด้วย:
- รังสีใดๆ ที่ขนานไปกับแกนหลักจะหักเหในลักษณะที่ผ่านโฟกัส (ในกรณีของเลนส์บรรจบกัน) หรือความต่อเนื่องจินตภาพผ่านโฟกัส (ในกรณีของ หนึ่งที่แตกต่างกัน).
- ลำแสงที่ลอดผ่านโฟกัสจะหักเหเพื่อให้เคลื่อนที่ต่อไปในแนวขนานกับแกนหลัก โปรดทราบว่าในกรณีของเลนส์เบี่ยงเบน กฎนี้ใช้ได้หากการตกกระทบของลำแสงต่อเนื่องผ่านโฟกัสที่อยู่อีกด้านหนึ่งของวัตถุออปติคัล
- รังสีของแสงใด ๆ ที่ผ่านจุดศูนย์กลางของเลนส์ไม่มีการหักเหของแสงและไม่เปลี่ยนทิศทาง
คุณสมบัติของการสร้างภาพในเลนส์บาง
ทั้งสะสมและกระจายแสงแว่นตามีคุณสมบัติคล้ายกัน การสร้างภาพในแต่ละอันมีลักษณะเฉพาะของตัวเอง
เมื่อสร้างภาพ สูตรเลนส์บางคือ:
1/f=1/do+1/di, โดยที่ do และ di คือระยะทางจากศูนย์กลางแสงไปยังวัตถุและไปยังภาพ
โปรดทราบว่าทางยาวโฟกัส (f) เป็นค่าบวกสำหรับเลนส์บรรจบกัน และเป็นค่าลบสำหรับเลนส์แยกทาง
การประยุกต์ใช้คุณสมบัติข้างต้นของรังสีที่ผ่านแก้วนำแสงที่สะสมจะทำให้เกิดผลลัพธ์ดังต่อไปนี้:
- หากวัตถุอยู่ที่ระยะมากกว่า 2f จะได้ภาพจริงซึ่งมีขนาดที่เล็กกว่าวัตถุ เราเห็นมันกลับหัว
- วัตถุที่วางอยู่ห่างจากเลนส์ 2f จะทำให้ได้ภาพกลับหัวขนาดเดียวกับตัววัตถุ
- หากวัตถุอยู่ห่างจากวัตถุในระยะมากกว่า f แต่น้อยกว่า 2f ก็จะได้ภาพที่กลับหัวและขยายใหญ่ขึ้นจริง
- ถ้าวัตถุอยู่ที่จุดโฟกัส รังสีที่ลอดผ่านกระจกออปติคอลจะกลายเป็นเส้นขนานซึ่งหมายความว่าไม่มีภาพ
- หากวัตถุอยู่ใกล้มากกว่าหนึ่งทางยาวโฟกัส ภาพของวัตถุนั้นจะกลายเป็นจินตภาพ ตรงไปตรงมา และมีขนาดใหญ่กว่าตัววัตถุเอง
เนื่องจากคุณสมบัติของรังสีที่ผ่านเลนส์บรรจบกันและแยกจากกันนั้นคล้ายคลึงกัน การสร้างภาพที่ให้โดยเลนส์บางประเภทนี้จึงเป็นไปตามกฎที่คล้ายกัน
ภาพวาดการถ่ายภาพในโอกาสต่างๆ
ในภาพวาด เลนส์บรรจบกันจะถูกระบุด้วยเส้นที่ปลายซึ่งมีลูกศรชี้ออกไปด้านนอก และเลนส์แยกจะแสดงด้วยเส้นที่มีลูกศรที่ปลายด้านที่หันเข้าด้านใน กล่าวคือ ที่กันและกัน
แบบต่างๆ ของภาพวาดสำหรับการสร้างภาพในเลนส์บาง ๆ ซึ่งได้กล่าวถึงในย่อหน้าก่อนหน้านี้ แสดงไว้ในรูปด้านล่าง
ดังที่เห็นจากภาพ รูปภาพทั้งหมด (สำหรับแก้วแสงประเภทใดก็ได้และตำแหน่งของวัตถุที่สัมพันธ์กับภาพเหล่านั้น) สร้างขึ้นบนคานสองอัน อันหนึ่งขนานไปกับแกนหลัก และอีกอันเคลื่อนผ่านศูนย์กลางออปติคัล การใช้ลำแสงเหล่านี้สะดวกเพราะทราบพฤติกรรมหลังจากผ่านเลนส์ โปรดทราบว่าขอบล่างของวัตถุ (ลูกศรสีแดงในกรณีนี้) ตั้งอยู่บนแกนแสงหลัก ดังนั้นจึงเพียงพอที่จะสร้างเฉพาะภาพของจุดสูงสุดของวัตถุเท่านั้น หากวัตถุ (ลูกศรสีแดง) ตั้งอยู่โดยพลการโดยสัมพันธ์กับกระจกออปติคัล จำเป็นต้องสร้างภาพของทั้งส่วนบนและส่วนล่างอย่างอิสระ
สองบีมก็เพียงพอแล้วที่จะสร้างภาพใดๆ หากมีความไม่แน่นอนเกี่ยวกับผลลัพธ์ ก็สามารถตรวจสอบได้โดยใช้รังสีที่สาม ควรส่งผ่านโฟกัส (ด้านหน้าเลนส์บรรจบกันและด้านหลังเลนส์แยก) จากนั้นหลังจากผ่านกระจกออปติคอลและการหักเหของแสงในนั้น ลำแสงจะขนานกับแกนออปติคัลหลัก หากปัญหาการสร้างภาพในเลนส์บางหมดไปขวา แล้วมันจะผ่านจุดที่คานหลักทั้งสองตัดกัน
กระบวนการผลิตวัตถุเชิงแสง
เลนส์ส่วนใหญ่ทำจากแก้วชนิดพิเศษที่เรียกว่าเลนส์สายตา ไม่มีความเครียดภายใน ฟองอากาศ และความไม่สมบูรณ์อื่นๆ ในกระจกดังกล่าว
กระบวนการผลิตเลนส์มีหลายขั้นตอน ขั้นแรก วัตถุเว้าหรือนูนของรูปร่างที่ต้องการจะถูกตัดออกจากบล็อกแก้วแสงโดยใช้เครื่องมือโลหะที่เหมาะสม แล้วขัดด้วยทาร์ ในขั้นตอนสุดท้าย กระจกออปติคัลจะถูกปรับขนาดโดยใช้เครื่องมือขัดเพื่อให้จุดศูนย์ถ่วงตรงกับศูนย์ออปติคอลพอดี
เนื่องจากการพัฒนาเทคโนโลยีในการรับและแปรรูปพลาสติกประเภทต่างๆ ทำให้ตอนนี้เลนส์ทำจากพลาสติกชนิดใสมากขึ้น ซึ่งมีราคาถูกลง เบากว่า และเปราะบางน้อยกว่าเลนส์แก้ว
พื้นที่สมัคร
แว่นสายตาใช้แก้ปัญหาการมองเห็นต่างๆ ด้วยเหตุนี้จึงใช้ทั้งคอนแทคเลนส์พลาสติกและแบบแก้ว (พร้อมแว่น)
นอกจากนี้ แว่นสายตายังใช้ในกล้องถ่ายภาพ ไมโครสโคป กล้องโทรทรรศน์ และอุปกรณ์เกี่ยวกับสายตาอื่นๆ พวกเขาใช้เลนส์ทั้งระบบ ตัวอย่างเช่น ในกรณีของกล้องจุลทรรศน์แบบธรรมดาที่สุด ซึ่งประกอบด้วยแว่นสายตาสองอัน อันแรกจะสร้างภาพจริงของวัตถุ และส่วนที่สองใช้เพื่อขยายภาพ ดังนั้นแก้วที่สองจะอยู่ในระยะที่เหมาะสมจากแก้วแรกตามกฎสำหรับการสร้างภาพในเลนส์บาง
