Je leven zou niet hetzelfde zijn zonder lenzen. Of u nu corrigerende brillen moet dragen of niet, u kunt nergens een duidelijk beeld van zien zonder een soort lenzen om de lichtstralen die er doorheen gaan naar een enkel brandpunt te buigen.

Wetenschappers zijn afhankelijk van microscopen en telescopen zodat ze zeer kleine of verre objecten kunnen zien, behalve vergroot tot het punt waar ze nuttige gegevens of waarnemingen uit de afbeeldingen kunnen extraheren. En precies dezelfde principes worden gebruikt om ervoor te zorgen dat u een camera hebt die u kan helpen de perfecte selfie te maken.

Van het vergrootglas tot het menselijk oog, alle lenzen werken op dezelfde basisprincipes. Hoewel er belangrijke verschillen zijn tussen convergerende lenzen (convexe lenzen) en divergerende lenzen (concave lenzen), zul je zodra je enkele basisdetails leert, ook veel overeenkomsten opmerken.
Definities om te weten

Voordat u aan deze reis begint om convexe en concave lenzen te begrijpen, is het belangrijk om een inleiding te hebben over enkele van de belangrijkste concepten in de optica. Het brandpunt is het punt waarop parallelle stralen convergeren (dwz elkaar ontmoeten) na het passeren van een lens, en waar een helder beeld wordt gevormd.

De brandpuntsafstand van de lens is de afstand van het midden van de lens naar het brandpunt, met een kleinere brandpuntsafstand die een lens aangeeft die lichtstralen sterker buigt.

De optische as van een lens is de symmetrielijn die door het midden van de lens loopt, die horizontaal loopt als stel je voor dat een lens verticaal rechtop stond.

Een lichtstraal is een handige manier om het pad van een lichtstraal weer te geven, gebruikt in straaldiagrammen om een visuele interpretatie te geven van hoe de aanwezigheid van een lens het pad beïnvloedt van de lichtstraal.

In de praktijk zal elk object lichtstralen hebben die het in elke richting verlaten, maar niet alle bieden nuttige informatie als het gaat om het analyseren van wat de lens eigenlijk doet. Wanneer u straaldiagrammen tekent, is het meestal voldoende om een paar belangrijke lichtstralen te kiezen om de verspreiding van lichtgolven en het proces van beeldvorming te verklaren.
Straaldiagrammen

Straaldiagrammen en straaltracering stellen u in staat om de locatie van de beeldvorming op basis van de locatie van het object en de locatie van de lens.

Het proces van het tekenen van de lichtstralen en hun afbuiging terwijl ze door de lens passeren, kan worden voltooid met behulp van Snell's brekingswet, die de hoek relateert van de straal voordat de lens in de hoek aan de andere kant van de lens wordt bereikt, op basis van de brekingsindices voor lucht (of een ander medium waardoor de straal zich verplaatst) en het stuk glas of ander materiaal dat voor de lens wordt gebruikt.

Dit kan echter tijdrovend zijn en er zijn een paar trucs die u kunnen helpen om ray-diagrammen gemakkelijker te produceren. Onthoud in het bijzonder dat lichtstralen die door het midden van de lens gaan niet merkbaar worden gebroken, en dat parallelle stralen worden afgebogen naar het brandpunt.

Er zijn twee hoofdtypen beeldvorming die optreden met lenzen en dat u ray-diagrammen kunt gebruiken om vast te stellen. De eerste hiervan is een 'echt beeld', dat verwijst naar een punt waar lichtstralen samenkomen om een beeld te produceren. Als u een scherm op deze locatie zou plaatsen, zouden de lichtstralen een scherp beeld op het scherm creëren. Een echt beeld wordt geproduceerd door een convergerende lens, ook wel convexe lens genoemd.

Een virtueel beeld is compleet anders en wordt gemaakt door een divergerende lens. Omdat deze lenzen lichtstralen van elkaar af buigen (dwz ze laten divergeren), wordt het "beeld" feitelijk gevormd aan de zijkant van de lens waar de invallende lichtstralen vandaan kwamen.

Door de stralen aan de tegenovergestelde kant te laten stromen, lijkt het alsof de stralen worden geproduceerd door een object aan dezelfde kant van de lens als de invallende stralen, alsof u de stralen terugvoert op een rechte lijn naar het punt waar ze zouden samenkomen. Dit is echter niet letterlijk waar, en als je een scherm op deze locatie zou plaatsen, zou er geen beeld zijn.
De dunne lensvergelijking

De dunne lensvergelijking is een van de belangrijkste vergelijkingen in de optica , en het relateert de afstand tot het object d
_{o, de afstand tot het beeld d
i en de brandpuntsafstand van de lens f
. De vergelijking is vrij eenvoudig, maar het is een beetje moeilijker te gebruiken dan sommige andere vergelijkingen in de natuurkunde, omdat de belangrijkste termen in de noemers van breuken zijn, als volgt:
\\ frac {1} {d_o} + \\ frac {1 } {d_i} \u003d \\ frac {1} {f}}

De conventie is dat een virtueel beeld een negatieve afstand heeft en dat echte beelden een positieve beeldafstand hebben. De brandpuntsafstand van de lens volgt ook dezelfde conventie, dus positieve brandpuntsafstanden vertegenwoordigen convergerende lenzen en negatieve brandpuntsafstanden vertegenwoordigen divergerende lenzen. , dus zolang u begrijpt hoe deze zich gedragen, kunt u elke vraag beantwoorden.

Het is belangrijk op te merken dat deze vergelijking voor een "dunne" lens is. Dit betekent dat de lens kan worden behandeld als het afbuigen van het pad van een lichtstraal vanaf slechts één locatie, het midden van de lens.

In de praktijk is er een afbuiging aan beide zijden van de lens - één op het raakvlak tussen de lucht en het lensmateriaal en de andere op het raakvlak tussen het lensmateriaal en de lucht aan de andere kant - maar deze veronderstelling maakt de berekening veel eenvoudiger.
Concave Lenzen

Een concave lens wordt ook een divergerende lens genoemd, en deze zijn gebogen zodat de "kom" van de lens naar het betreffende object is gericht. Zoals hierboven vermeld, is de conventie dat lenzen als deze een negatieve brandpuntsafstand krijgen toegewezen en het virtuele beeld dat ze produceren zich aan dezelfde kant bevindt als het oorspronkelijke object.

Om het ray tracing-proces voor een concave lens te voltooien , houd er rekening mee dat elke lichtstraal van het object die parallel aan de optische as van de lens beweegt, wordt afgebogen, zodat deze afkomstig lijkt te zijn van nabij het brandpunt van de lens, aan dezelfde kant van de lens als het object zelf.

Zoals hierboven vermeld, gaat elke straal die door het midden van de lens passeert door zonder te worden afgebogen. Ten slotte zal elke straal die naar het brandpunt aan de andere kant van de lens beweegt, worden afgebogen, zodat deze evenwijdig aan de optische as naar voren komt.

Een paar van dergelijke stralen tekenen op basis van een enkel punt op het object zal meestal voldoende zijn om de locatie van het geproduceerde beeld te vinden.
Bolle lenzen

Een bolle lens is ook bekend als een convergerende lens en werkt in wezen op de tegenovergestelde manier van een concave lens. Het is gebogen zodat de buitenste bocht van de vorm van de "kom" het dichtst bij het object is en de brandpuntsafstand een positieve waarde krijgt toegewezen.

Het proces van ray tracing voor een convergerende lens is zeer vergelijkbaar als voor een divergerende lens, met een paar belangrijke verschillen. Zoals altijd worden lichtstralen die door het midden van de lens gaan niet afgebogen.

Als een invallende straal zich parallel aan de optische as voortplant, zal deze door het brandpunt aan de tegenovergestelde zijde van de lens afbuigen. Omgekeerd zal elke lichtstraal die uit het object komt en door het nabije brandpunt op zijn reis naar de lens passeert, worden afgebogen, zodat deze evenwijdig aan de optische as naar voren komt. Nogmaals, door twee of drie stralen te tekenen voor een punt op het object op basis van deze eenvoudige principes, kunt u de locatie van de afbeelding vinden. Dit is het punt waar alle lichtstralen samenkomen aan de andere kant van de lens dan het object zelf.
Vergrotingsconcept

Vergroting is een belangrijk concept in de optica en verwijst naar de verhouding van de grootte van de afbeelding geproduceerd door een lens en de grootte van het originele object. Dit is eigenlijk hoe je vergroting zou begrijpen als een concept uit het dagelijks leven - als het beeld twee keer zo groot is als het object, wordt het vergroot met een factor twee. Maar de precieze definitie is:
M \u003d - \\ frac {i} {o}

Waar M
de vergroting is, verwijst i
naar de grootte van de afbeelding en o
verwijst naar de grootte van het object. Een negatieve vergroting duidt op een omgekeerd beeld, waarbij positieve vergroting rechtop staat.
Overeenkomsten en verschillen

Er zijn overeenkomsten in de basis van convexe en concave lenzen, maar er zijn meer verschillen dan overeenkomsten wanneer u ernaar kijkt in meer detail.

De grote overeenkomst is dat ze allebei op hetzelfde basisprincipe werken, waarbij het verschil in brekingsindex tussen de lens en het omringende medium hen in staat stelt lichtstralen te buigen en een brandpunt te creëren. Uiteenlopende lenzen maken echter altijd virtuele afbeeldingen, terwijl convergerende lenzen echte of virtuele afbeeldingen kunnen maken.

Naarmate de kromming van de lens afneemt, worden convergerende en divergerende lenzen steeds meer op elkaar lijken, omdat de geometrie van de oppervlakken "becomes more similar too.", 3, [[Omdat ze allebei op hetzelfde principe werken, omdat de geometrie meer op elkaar lijkt, wordt het effect op een lichtstraal ook meer op elkaar.
Toepassingen en voorbeelden

Concave en bolle lenzen hebben veel praktische toepassingen , maar de meest voorkomende in het dagelijks leven is het gebruik van corrigerende lenzen (brillen) voor bijziendheid of bijziendheid, of inderdaad hyperopie of verziendheid.

In beide omstandigheden is het brandpunt van de lens van de oog komt niet helemaal overeen met de positie van het lichtgevoelige netvlies aan de achterkant van het oog, met het voor bijziendheid en erachter voor hyperopie. Brillen voor bijziendheid lopen uiteen, dus het brandpunt wordt naar achteren verplaatst, terwijl voor hyperopie convergerende lenzen worden gebruikt.

Vergrootglazen en microscopen werken op dezelfde basismanier, met biconvexe lenzen (lenzen met twee bolle zijden) om een vergrote versie van de afbeeldingen produceren. Een vergrootglas is het eenvoudigere optische apparaat, met een enkele lens die dient om een groter beeldformaat te produceren dan u anders zou kunnen verkrijgen. Microscopen zijn iets gecompliceerder (omdat ze meestal meerdere lenzen hebben), maar ze produceren vergrote afbeeldingen op vrijwel dezelfde manier.

Refractortelescopen werken net als microscopen en vergrootglazen, met een biconvexe lens die een brandpunt produceert in het lichaam van de telescoop, maar het licht blijft het oculair bereiken.

Net als bij microscopen hebben deze een andere lens in het oculair om ervoor te zorgen dat het vastgelegde licht scherp is wanneer het uw oog bereikt. Het andere belangrijke type telescoop is een reflectortelescoop, die spiegels in plaats van lenzen gebruikt om het licht te verzamelen en naar uw oog te sturen. De spiegel is concaaf, dus het focust het licht op een echt beeld aan dezelfde kant van de spiegel als het object