Kuvan rakentaminen ohuessa linssissä: piirustukset, ohuen linssin kaava

2024 Kirjoittaja: Angel Austin | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 05:25

Linssit ovat läpinäkyviä esineitä, jotka voivat taittaa auringonvaloa. Ne on pääasiassa valmistettu lasista. Sanat "valo taittuu" viittaa kykyyn muuttaa tulevan valonsäteiden etenemissuuntaa. Tarkastellaanpa, kuinka kuvat rakennetaan ohuessa linssissä.

Historiallista taustaa

Ensimmäiset muinaisten kreikkalaisten ja roomalaisten tuntemat linssit olivat pallomaisia vedellä täytettyjä lasiastioita. Näitä nykyaikaisten optisten lasien prototyyppejä käytettiin tulipalojen sytyttämiseen.

Ensimmäinen lasilinssi valmistettiin Euroopassa vasta 1200-luvun lopulla. Sen jälkeen niiden valmistusprosessi ei ole muuttunut paljon. Ainoa innovaatio oli, että Isaac Newton käytti tervaa 1600-luvulla optisten esineiden pintojen kiillottamiseen.

Optisten lasien kerääminen ja levittäminen

Jotta on helpompi ymmärtää kuvien rakennetta ohuessa linssissä, harkitsekysymys kuuluu, mitä ovat optiset lasit. Yleensä on olemassa vain kahden tyyppisiä linssejä, jotka eroavat muodoltaan ja kyvystään taittaa valovirtaa. Seuraavat tyypit erotellaan:

1. Suuntuvat linssit. Tämän tyypin keskiosan paksuus on suurempi kuin reunojen paksuus. Tuloksena oleva kuva suppenevassa linssissä muodostuu siihen putoavan valon toiselle puolelle. Tällä tyypillä on kyky kerätä valoa yhteen pisteeseen (positiivinen tarkennus).
2. Erottuvat linssit. Niiden keskiosa on ohuempi kuin reunat. Muotonsa vuoksi nämä optiset lasit sirottavat niihin tulevaa valoa, mikä johtaa kuvan muodostumiseen linssin samalle puolelle, kun objektin säteet putoavat sille. Luotu kuva on paljon pienempi kuin todellinen kohde. Jos tämän optisen lasin hajottamia säteitä jatketaan siten, että niiden alkuperä määritetään, näyttää siltä, että ne tulevat esiin yhdestä pisteestä sen edessä. Tätä pistettä kutsutaan tarkennukseksi, joka on negatiivinen tai kuvitteellinen hajaantuvalle objektiiville.

Erimuotoisia optisia laseja

Nykyiset kaksi linssityyppiä voidaan valmistaa useilla tavoilla. Seuraavat 6 muotoa erotetaan toisistaan:

1. Kaksikupera.
2. Tasokupera.
3. Kuperalla meniskillä (kovera-kupera).
4. Kaksikovera.
5. Plano-kovera.
6. Koveralla meniskillä (kupera-kovera).

Kuperat lasielementit

Ymmärtää linssin fysiikan ja sisäänrakentamisenohuiden kuvantamislinssien kohdalla on välttämätöntä tuntea tämän optisen kohteen peruselementit. Listataan ne:

• Optinen keskus (O) on piste, jonka läpi valo kulkee taittumatta.
• Pääakseli on suora viiva, joka kulkee optisen keskipisteen ja päätarkenteen kautta.
• Pää- tai pääfokus (F) on piste, jonka läpi valonsäteet tai niiden jatkeet kulkevat, jos ne putoavat optiselle lasille sen pääakselin suuntaisesti.
• Apuakseli - mikä tahansa suora viiva, joka kulkee optisen keskustan läpi.
• Kaarevuussäteet ovat kaksi sädettä, R₁ ja R₂, linssin muodostavilla palloilla.
• Kaarevuuskeskukset - kaksi pallojen keskustaa, C₁ ja C₂, jotka muodostavat optisen lasin pinnat.
• Polttoväli (f) - polttopisteen ja optisen keskustan välinen etäisyys. Arvolle (f) on toinenkin määritelmä: tämä on etäisyys optisen linssin keskustasta kuvaan, mikä antaa äärettömän kaukana sijaitsevan kohteen.

Optiset ominaisuudet

Onpa kyseessä yksinkertainen kupera lasi tai monimutkaiset optiset järjestelmät, jotka ovat kokoelma yksittäisiä linssejä, niiden optiset ominaisuudet riippuvat kahdesta parametrista: polttovälistä sekä polttovälin ja linssin halkaisijan välisestä suhteesta.

Polttoväli mitataan kahdella tavalla:

• Normaalin etäisyyden yksiköissä, kuten 10 cm, 1 m ja niin edelleen.
• Dioptereina tämä on arvo, joka on kääntäen verrannollinen polttoväliin metreinä mitattuna.

Esimerkiksi optisen lasin, jonka teho on 1 diopteria, polttoväli on 1 m, kun taas objektiivin, jonka teho on 2 dioptria, polttoväli on vain 0,5 m.

Linssin halkaisija ja sen suhde polttoväliin määräävät optisen lasin kyvyn kerätä valoa tai sen valotehoa.

Linssin läpi kulkevien säteiden ominaisuudet

Kahdeksannen luokan kouluissa kuvien rakentaminen ohuilla linsseillä on yksi fysiikan tärkeimmistä aiheista. Näiden kuvien rakentamisen oppimiseksi sinun tulee tietää paitsi peruskäsitteet ja -elementit myös joidenkin optisesti aktiivisen kohteen läpi kulkevien säteiden ominaisuudet:

• Jokainen pääakselin suuntainen säde taittuu siten, että se joko kulkee tarkennuksen läpi (kun kyseessä on suppeneva linssi) tai sen kuvitteellinen jatko kulkee tarkennuksen läpi (jos kyseessä on erilainen).
• Keskipisteen läpi kulkeva säde taittuu niin, että se jatkaa liikettä pääakselin suuntaisesti. Huomaa, että hajoavan linssin tapauksessa tämä sääntö pätee, jos siihen tulevan säteen jatke kulkee optisen kohteen toisella puolella sijaitsevan tarkennuksen läpi.
• Mikään linssin keskustan läpi kulkeva valonsäde ei taitu eikä muuta suuntaa.

Ominaisuudet kuvien rakentamiseen ohuissa linsseissä

Vaikka kokoa ja sirottaa optistalasit ovat ominaisuuksiltaan samanlaisia, kuvien rakenteella jokaisessa niistä on omat ominaisuutensa.

Kuvia luotaessa ohuen linssin kaava on:

1/f=1/d_o+1/d_i, jossa d_o ja d_i on etäisyys optisesta keskustasta esineeseen ja sen kuvaan.

Huomaa, että polttoväli (f) on positiivinen suppeneville linsseille ja negatiivinen hajaantuville linsseille.

Yllä olevien ominaisuuksien soveltaminen keräävän optisen lasin läpi kulkeville säteille johtaa seuraaviin tuloksiin:

• Jos kohde sijaitsee yli 2f etäisyydellä, saadaan todellinen kuva, jonka koko on pienempi kuin objekti. Näemme sen ylösalaisin.
• 2f:n etäisyydelle linssistä sijoitettu esine tuottaa todellisen käänteisen kuvan, joka on samankokoinen kuin itse esine.
• Jos kohde on etäisyydellä enemmän kuin f, mutta pienempi kuin 2f, siitä saadaan todellinen käänteinen ja suurennettu kuva.
• Jos kohde on polttopisteessä, optisen lasin läpi kulkevat säteet muuttuvat yhdensuuntaisiksi, mikä tarkoittaa, että kuvaa ei ole.
• Jos kohde on lähempänä kuin yksi polttoväli, sen kuvasta tulee kuvitteellinen, suora ja suurempi kuin itse kohde.

Koska suppenevan ja hajoavan linssin läpi kulkevien säteiden ominaisuudet ovat samank altaiset, tämän tyyppisellä ohuella linssillä saatujen kuvien rakentaminen tapahtuu samanlaisten sääntöjen mukaan.

Piirustuksetkuvantaminen eri tilanteisiin

Piirustuksissa suppeneva linssi on merkitty viivalla, jonka päissä on ulospäin osoittavia nuolia, ja hajaantuva linssi on merkitty viivalla, jonka päissä on nuolet, jotka on suunnattu sisäänpäin, eli toisilleen.

Edellisessä kappaleessa käsiteltyjen kuvien eri muunnelmat ohuiden linssien kuvien rakentamiseen on esitetty alla olevassa kuvassa.

Kuten kuvasta näkyy, kaikki kuvat (kaiken tyyppisille optisille lasille ja kohteen sijainti suhteessa niihin) on rakennettu kahdelle säteelle. Toinen on suunnattu samansuuntaisesti pääakselin kanssa ja toinen kulkee optisen keskuksen läpi. Näiden säteiden käyttö on kätevää, koska niiden käyttäytyminen linssin läpi kulkemisen jälkeen tunnetaan. Huomaa myös, että kohteen alareuna (tässä tapauksessa punainen nuoli) sijaitsee optisella pääakselilla, joten riittää, että rakennat vain kuvan kohteen yläpisteestä. Jos kohde (punainen nuoli) sijaitsee mieliv altaisesti suhteessa optiseen lasiin, niin sen ylä- ja alaosasta on luotava kuva erikseen.

Kaksi sädettä riittää kuvien rakentamiseen. Jos tuloksesta on epävarmuutta, se voidaan tarkistaa kolmannella säteellä. Se tulee suunnata tarkennuksen läpi (konvergoivan linssin eteen ja hajoavan linssin taakse), sitten optisen lasin läpi kulkemisen ja siinä olevan taittumisen jälkeen säde on yhdensuuntainen optisen pääakselin kanssa. Jos kuvan rakentamisongelma ohuessa linssissä on ratkaistuoikealle, niin se kulkee pisteen läpi, jossa kaksi pääkeilää leikkaavat.

Optisten esineiden valmistusprosessi

Useimmat linssit on valmistettu erikoislasityypeistä, joita kutsutaan optisiksi linsseiksi. Tällaisessa lasissa ei ole sisäisiä jännityksiä, ilmakuplia tai muita epätäydellisyyksiä.

Linssien valmistusprosessi tapahtuu useissa vaiheissa. Ensin leikataan optisesta lasista sopivilla metallityökaluilla halutun muotoinen kovera tai kupera esine. Sitten se kiillotetaan tervalla. Viimeisessä vaiheessa optisen lasin kokoa muutetaan hankaavilla työkaluilla niin, että painopiste on täsmälleen samassa kohdassa optisen keskuksen kanssa.

Erityyppisten muovien hankinta- ja käsittelyteknologioiden kehittymisen vuoksi linssejä valmistetaan nykyään yhä enemmän läpinäkyvistä muovityypeistä, jotka ovat halvempia, kevyempiä ja vähemmän hauraita kuin lasit.

Sovellusalueet

Optisia laseja käytetään erilaisten näköongelmien ratkaisemiseen. Tätä varten käytetään sekä muovisia piilolinssejä että lasillisia (lasien kanssa).

Lisäksi optisia laseja käytetään valokuvakameroissa, mikroskoopeissa, kaukoputkissa ja muissa optisissa instrumenteissa. He käyttävät kokonaista linssijärjestelmää. Esimerkiksi yksinkertaisimmassa mikroskoopissa, joka koostuu kahdesta optisesta lasista, ensimmäinen muodostaa todellisen kuvan kohteesta, jatoista käytetään kuvan suurentamiseen. Siksi toinen lasi sijaitsee sopivalla etäisyydellä ensimmäisestä ohuessa linssissä olevien kuvien rakentamissääntöjen mukaisesti.