La tua vita non sarebbe la stessa senza obiettivi. Che tu abbia bisogno di indossare occhiali correttivi o meno, non puoi vedere un'immagine chiara di nulla senza un qualche tipo di lente per piegare i raggi di luce che li attraversano in un singolo punto focale.

Gli scienziati dipendono da microscopi e telescopi per consentire loro di vedere oggetti molto piccoli o distanti, tranne che ingranditi al punto in cui possono estrarre dati utili o osservazioni dalle immagini. E esattamente gli stessi principi vengono utilizzati per essere sicuri di avere una fotocamera che può aiutarti a scattare il selfie perfetto.

Dalla lente d'ingrandimento all'occhio umano, tutti gli obiettivi funzionano con gli stessi principi di base. Mentre ci sono importanti differenze tra lenti convergenti (lenti convesse) e lenti divergenti (lenti concave), non appena apprendi alcuni dettagli di base, noterai anche molte somiglianze.
Definizioni da sapere

Prima di intraprendere questo viaggio per comprendere le lenti convesse e concave, è importante avere un primer su alcuni dei concetti chiave dell'ottica. Il punto focale è il punto in cui i raggi paralleli convergono (cioè si incontrano) dopo essere passati attraverso un obiettivo e dove si forma un'immagine chiara.

La lunghezza focale dell'obiettivo è la distanza dal centro dell'obiettivo al punto focale, con una lunghezza focale minore che indica un obiettivo che piega i raggi di luce in modo più forte.

L'asse ottico di un obiettivo è la linea di simmetria che attraversa il centro dell'obiettivo, che scorre orizzontalmente se immagini una lente posizionata verticalmente in posizione verticale.

Un raggio di luce è un modo utile per rappresentare il percorso di un raggio di luce, utilizzato nei diagrammi di raggio per fornire un'interpretazione visiva di come la presenza di un obiettivo influisce sul percorso del raggio di luce.

In pratica, qualsiasi oggetto avrà raggi di luce che lo lasciano in ogni direzione, ma non tutti questi offrono informazioni utili quando si tratta di analizzare ciò che effettivamente fa l'obiettivo. Quando si disegnano diagrammi di raggi, la scelta di alcuni raggi di luce chiave è in genere sufficiente per spiegare la propagazione delle onde luminose e il processo di formazione delle immagini.
Diagrammi di raggi

I diagrammi di raggi e la tracciabilità dei raggi consentono di determinare posizione della formazione dell'immagine basata sulla posizione dell'oggetto e sulla posizione dell'obiettivo.

Il processo di disegno dei raggi luminosi e della loro deflessione mentre passano attraverso l'obiettivo può essere completato usando la legge di rifrazione di Snell, che mette in relazione l'angolo del raggio prima di raggiungere l'obiettivo nell'angolo dall'altro lato dell'obiettivo, in base agli indici di rifrazione dell'aria (o di un altro mezzo attraverso il quale il raggio viaggia) e al pezzo di vetro o altro materiale utilizzato per l'obiettivo.

Tuttavia, ciò può richiedere molto tempo e ci sono alcuni trucchi che possono aiutarti a produrre diagrammi a raggi più facilmente. In particolare, ricorda che i raggi di luce che passano attraverso il centro dell'obiettivo non sono rifrangenti in modo evidente e che i raggi paralleli vengono deviati verso il punto focale.

Esistono due tipi principali di formazione dell'immagine che possono si verificano con obiettivi e che è possibile utilizzare diagrammi a raggi per stabilire. La prima di queste è una "immagine reale", che si riferisce a un punto in cui i raggi di luce convergono per produrre un'immagine. Se si posizionasse uno schermo in questa posizione, i raggi luminosi creerebbero un'immagine a fuoco sullo schermo. Un'immagine reale è prodotta da una lente convergente, altrimenti nota come lente convessa.

Un'immagine virtuale è completamente diversa e viene creata da una lente divergente. Poiché queste lenti piegano i raggi di luce di distanza l'uno dall'altro (cioè li fanno divergere), l '"immagine" si forma effettivamente sul lato dell'obiettivo da cui provengono i raggi di luce incidente.

L'imbuto dei raggi sul lato opposto fa sembrare che i raggi siano stati prodotti da un oggetto sullo stesso lato della lente dei raggi incidenti, come se i raggi fossero stati rintracciati su una linea retta verso il punto dove converrebbero. Questo non è letteralmente vero, e se posizionassi uno schermo in questa posizione non ci sarebbe alcuna immagine.
L'equazione dell'obiettivo sottile

L'equazione dell'obiettivo sottile è una delle equazioni più importanti nell'ottica e si riferisce alla distanza dall'oggetto d
_{o, la distanza dall'immagine d
i e la lunghezza focale dell'obiettivo f
. L'equazione è piuttosto semplice, ma è un po 'più difficile da usare rispetto ad alcune altre equazioni in fisica perché i termini chiave sono nei denominatori delle frazioni, come segue:
\\ frac {1} {d_o} + \\ frac {1 } {d_i} \u003d \\ frac {1} {f}}

La convenzione è che un'immagine virtuale ha una distanza negativa e che le immagini reali hanno una distanza dell'immagine positiva. Anche la lunghezza focale dell'obiettivo segue questa stessa convenzione, quindi le lunghezze focali positive rappresentano gli obiettivi convergenti e le lunghezze focali negative rappresentano gli obiettivi divergenti.

Gli obiettivi convessi e concavi sono i due principali tipi di obiettivi discussi nelle classi di fisica introduttiva , quindi finché capisci come si comportano, sarai in grado di rispondere a qualsiasi domanda.

È importante notare che questa equazione è per un obiettivo “sottile”. Ciò significa che l'obiettivo può essere trattato come una deviazione del percorso di un raggio di luce da una sola posizione, il centro dell'obiettivo.

In pratica, c'è una deflessione su entrambi i lati di l'obiettivo - uno all'interfaccia tra l'aria e il materiale dell'obiettivo e l'altro all'interfaccia tra il materiale dell'obiettivo e l'aria dall'altro lato - ma questo presupposto rende il calcolo molto più semplice.
Obiettivi concavi

Una lente concava viene anche definita lente divergente, e queste sono curve in modo tale che la "ciotola" della lente sia rivolta verso l'oggetto in questione. Come accennato in precedenza, la convenzione prevede che a obiettivi come questo sia assegnata una lunghezza focale negativa e che l'immagine virtuale che producono sia sullo stesso lato dell'oggetto originale.

Per completare il processo di ray tracing per un obiettivo concavo , si noti che qualsiasi raggio di luce dall'oggetto che viaggia parallelo all'asse ottico dell'obiettivo verrà deviato, quindi sembra che abbia avuto origine vicino al punto focale dell'obiettivo, sullo stesso lato dell'obiettivo dell'oggetto stesso.

Come accennato in precedenza, qualsiasi raggio che passa attraverso il centro dell'obiettivo continuerà senza essere deviato. Infine, qualsiasi raggio che si sposta verso il punto focale sul lato opposto dell'obiettivo sarà deviato, quindi emerge parallelamente all'asse ottico.

Di solito, disegnare alcuni di questi raggi in base a un singolo punto sull'oggetto sarà di solito basti per trovare la posizione dell'immagine prodotta.
Lenti convesse

Una lente convessa è anche conosciuta come lente convergente e sostanzialmente funziona in modo opposto a una lente concava. È curvo in modo tale che la curva esterna della forma a "coppa" sia più vicina all'oggetto e alla lunghezza focale venga assegnato un valore positivo.

Il processo di ray tracing per un obiettivo convergente è molto simile a quello di un lente divergente, con un paio di differenze importanti. Come sempre, i raggi di luce che attraversano il centro dell'obiettivo non vengono deviati.

Se un raggio incidente sta viaggiando parallelamente all'asse ottico, si fletterà attraverso il punto focale sul lato opposto dell'obiettivo. Al contrario, qualsiasi raggio di luce proveniente dall'oggetto e che passa attraverso il punto focale vicino nel suo viaggio verso l'obiettivo verrà deviato, quindi emergerà parallelamente all'asse ottico.

Ancora una volta, disegnando due o tre raggi per un punto sull'oggetto basato su questi semplici principi, sarai in grado di trovare la posizione dell'immagine. Questo è il punto in cui tutti i raggi luminosi convergono sul lato opposto dell'obiettivo rispetto all'oggetto stesso.
Concetto di ingrandimento

L'ingrandimento è un concetto importante nell'ottica e si riferisce al rapporto tra dimensione dell'immagine prodotta da un obiettivo e dimensione dell'oggetto originale. Questo è praticamente il modo in cui comprenderesti l'ingrandimento come un concetto della vita di tutti i giorni - se l'immagine è due volte più grande dell'oggetto, è stata ingrandita di un fattore due. Ma la definizione precisa è:
M \u003d - \\ frac {i} {o}

Dove M
è l'ingrandimento, i
si riferisce alla dimensione dell'immagine e o
si riferisce alla dimensione dell'oggetto. Un ingrandimento negativo indica un'immagine invertita, mentre l'ingrandimento positivo è verticale.
Somiglianze e differenze

Ci sono somiglianze tra lenti convesse e concave in termini di base, ma ci sono più differenze che somiglianze quando le guardi in modo più dettagliato.

La principale somiglianza è che entrambi lavorano sullo stesso principio di base, in cui la differenza nell'indice di rifrazione tra l'obiettivo e il mezzo circostante consente loro di piegare i raggi di luce e creare un punto focale. Tuttavia, le lenti divergenti creano sempre immagini virtuali, mentre le lenti convergenti possono creare immagini reali o virtuali.

Man mano che la curvatura dell'obiettivo diminuisce, le lenti convergenti e divergenti diventano sempre più simili tra loro, perché la geometria delle superfici diventa anche più simile. Poiché entrambi funzionano in base allo stesso principio, poiché la geometria diventa più simile, anche l'effetto che hanno su un raggio di luce diventa più simile.
Applicazioni ed esempi

Le lenti concave e convesse hanno molte applicazioni pratiche , ma il più comune nella vita di tutti i giorni è l'uso di lenti correttive (occhiali) per miopia o miopia, o in effetti ipermetropia o lungimiranza.

In entrambe queste condizioni, il punto focale dell'obiettivo del l'occhio non coincide perfettamente con la posizione della retina sensibile alla luce nella parte posteriore dell'occhio, essendo davanti per la miopia e dietro per l'ipermetropia. Gli occhiali per miopia sono divergenti, quindi il punto focale viene spostato all'indietro, mentre per le lenti convergenti ipermetropia vengono utilizzati.

Lenti d'ingrandimento e microscopi funzionano nello stesso modo di base, usando lenti biconvesse (lenti con due lati convessi) per produrre una versione ingrandita delle immagini. Una lente d'ingrandimento è il dispositivo ottico più semplice, con una singola lente che serve a produrre una dimensione dell'immagine più grande di quella che si potrebbe ottenere altrimenti. I microscopi sono un po 'più complicati (perché di solito hanno obiettivi multipli), ma producono immagini ingrandite praticamente nello stesso modo.

I telescopi rifrattori funzionano proprio come i microscopi e le lenti d'ingrandimento, con una lente biconvessa che produce un punto focale all'interno del corpo del telescopio, ma la luce continua a raggiungere l'oculare.

Come sui microscopi, questi hanno un'altra lente nell'oculare per assicurarsi che la luce catturata sia a fuoco quando raggiunge l'occhio. L'altro principale tipo di telescopio è un telescopio riflettore, che utilizza specchi anziché lenti per raccogliere la luce e inviarla al tuo occhio. Lo specchio è concavo, quindi concentra la luce su un'immagine reale sullo stesso lato dello specchio dell'oggetto.