Lēcas ir caurspīdīgi objekti, kas var lauzt saules gaismu. Tie galvenokārt ir izgatavoti no stikla. Vārdi "refrakcijas gaisma" attiecas uz spēju mainīt krītošo gaismas staru izplatīšanās virzienu. Apskatīsim, kā attēli tiek konstruēti plānā objektīvā.
Vēstures fons
Pirmās lēcas, ko pazina senie grieķi un romieši, bija sfēriski stikla trauki, kas piepildīti ar ūdeni. Šie moderno optisko briļļu prototipi tika izmantoti ugunsgrēku iekuršanai.
Tikai 13. gadsimta beigās Eiropā tika izgatavotas pirmās stikla lēcas. Kopš tā laika to ražošanas process nav daudz mainījies. Vienīgais jauninājums bija darvas izmantošana, ko Īzaks Ņūtons 17. gadsimtā izmantoja optisko objektu virsmu pulēšanai.
Optisko stiklu savākšana un izkliedēšana
Lai būtu vieglāk saprast attēlu uzbūvi plānā objektīvā, apsveriet tojautājums ir, kas ir optiskie brilles. Kopumā ir tikai divu veidu lēcas, kas atšķiras pēc formas un spējas lauzt gaismas plūsmu. Izšķir šādus veidus:
- Konverģējošās lēcas. Šim tipam centrālās daļas biezums ir lielāks par malu biezumu. Iegūtais attēls saplūstošā lēcā veidojas uz tā krītošās gaismas otrā pusē. Šim tipam ir iespēja savākt gaismu vienā punktā (pozitīvs fokuss).
- Atšķirīgas lēcas. To centrālā daļa ir plānāka par malām. Pateicoties savai formai, šie optiskie stikli izkliedē uz tiem krītošo gaismu, kas noved pie attēla veidošanās tajā pašā objektīva pusē, kurā uz tās krīt objekta stari. Ģenerētais attēls ir daudz mazāks par faktisko vienumu. Ja šī optiskā stikla izkliedētos starus turpinās tā, lai noteiktu to izcelsmi, tad liksies, ka tie iznāk no viena punkta tā priekšā. Šo punktu sauc par fokusu, kas ir negatīvs vai iedomāts atšķirīgam objektīvam.
Dažādu formu optiskie brilles
Esošos divu veidu objektīvus var izgatavot vairākos veidos. Izšķir šādas 6 formas:
- Abpusēji izliekta.
- Plāniski izliekta.
- Ar izliektu menisku (ieliekts-izliekts).
- Abpusēji ieliekts.
- Plāniski ieliekts.
- Ar ieliektu menisku (izliekts-ieliekts).
Izliekti stikla elementi
Lai izprastu objektīva un iebūves fizikuplānās attēlveidošanas lēcas, ir jāzina šī optiskā objekta pamatelementi. Uzskaitīsim tos:
- Optiskais centrs (O) ir punkts, caur kuru gaisma iziet, nelūstot.
- Galvenā ass ir taisna līnija, kas iet caur optiskā centra punktu un galveno fokusu.
- Galvenais jeb galvenais fokuss (F) ir punkts, caur kuru iziet gaismas stari vai to paplašinājumi, ja tie krīt uz optiskā stikla paralēli tā galvenajai asij.
- Palīgasis - jebkura taisna līnija, kas iet caur optisko centru.
- Izliekuma rādiusi ir divi objektīvu veidojošo sfēru rādiusi: R1 un R2.
- Izliekuma centri - divi sfēru centri C1 un C2, kas veido optiskā stikla virsmas.
- Fokālais attālums (f) - attālums starp fokusa punktu un optisko centru. Ir arī cita vērtības (f) definīcija: tas ir attālums no optiskās lēcas centra līdz attēlam, kas nodrošina objektu, kas atrodas bezgalīgi tālu.
Optiskās īpašības
Neatkarīgi no tā, vai tas ir vienkāršs izliekts stikls vai sarežģītas optiskās sistēmas, kas ir atsevišķu lēcu kopums, to optiskās īpašības ir atkarīgas no diviem parametriem: fokusa attāluma un attiecības starp fokusa attālumu un objektīva diametru.
Fokālais attālums tiek mērīts divos veidos:
- Parastā attāluma vienībās, piemēram, 10 cm, 1 m utt.
- Dioptrijās šī ir vērtība, kas ir apgriezti proporcionāla fokusa attālumam, ko mēra metros.
Piemēram, optiskajam stiklam ar jaudu 1 dioptrija ir 1 m fokusa attālums, savukārt objektīvam ar jaudu 2 dioptrijas ir tikai 0,5 m.
Lēcas diametrs un tā attiecība pret fokusa attālumu nosaka optiskā stikla spēju savākt gaismu vai tās gaismas atdevi.
Caur objektīvu ejošo staru īpašības
Skolās 8. klasē attēlu veidošana plānos objektīvos ir viena no svarīgākajām tēmām fizikā. Lai uzzinātu, kā veidot šos attēlus, jāzina ne tikai pamatjēdzieni un elementi, bet arī dažu staru īpašības, kas iet cauri optiski aktīvam objektam:
- Jebkurš stars, kas iet paralēli galvenajai asij, tiek lauzts tā, ka tas vai nu iziet cauri fokusam (konverģējoša objektīva gadījumā), vai arī tā iedomātais turpinājums iet caur fokusu (ja ir atšķirīgs).
- Siju, kas iet cauri fokusam, tiek lauzta tā, lai tā turpinātu kustību paralēli galvenajai asij. Ņemiet vērā, ka novirzoša objektīva gadījumā šis noteikums ir spēkā, ja uz to krītošā stara turpinājums iet caur fokusu, kas atrodas optiskā objekta otrā pusē.
- Jebkurš gaismas stars, kas iet cauri objektīva centram, nerodas refrakcijā un nemaina virzienu.
Attēlu veidošanas funkcijas plānos objektīvos
Lai gan savāc un izkliedē optiskobrillēm ir līdzīgas īpašības, attēlu konstrukcijai katrā no tām ir savas īpatnības.
Veidojot attēlus, plānā objektīva formula ir šāda:
1/f=1/do+1/di, kur do un di ir attālums no optiskā centra līdz objektam un tā attēlam.
Ņemiet vērā, ka fokusa attālums (f) ir pozitīvs saplūstošām lēcām un negatīvs atšķirīgām lēcām.
Iepriekšminēto īpašību izmantošana stariem, kas iet cauri savācējam optiskajam stiklam, rada šādus rezultātus:
- Ja objekts atrodas vairāk nekā 2f attālumā, tad tiek iegūts reāls attēls, kura izmērs ir mazāks nekā objektam. Mēs to redzam otrādi.
- Priekšmets, kas novietots 2f attālumā no objektīva, rada reālu apgrieztu attēlu, kura izmērs ir tāds pats kā objektam.
- Ja objekts atrodas attālumā, kas lielāks par f, bet mazāks par 2f, tad tiek iegūts reāls tā apgriezts un palielināts attēls.
- Ja objekts atrodas fokusa punktā, stari, kas iet caur optisko stiklu, kļūst paralēli, kas nozīmē, ka attēla nav.
- Ja objekts atrodas tuvāk par vienu fokusa attālumu, tad tā attēls izrādīsies iedomāts, tiešs un lielāks par pašu objektu.
Tā kā staru īpašības, kas iet cauri saplūstošam un diverģējošam objektīvam, ir līdzīgas, attēlu konstruēšana, izmantojot šāda veida plānu objektīvu, tiek veikta saskaņā ar līdzīgiem noteikumiem.
Zīmējumiattēlveidošana dažādiem gadījumiem
Zīmējumos saplūstošs objektīvs ir apzīmēts ar līniju, kuras galos ir uz āru vērstas bultiņas, un atšķirīgu lēcu norāda ar līniju, kuras galos ir bultiņas, kas ir vērstas uz iekšu, tas ir, viens pie otra.
Dažādi zīmējumu varianti attēlu konstruēšanai plānās lēcās, kas tika apspriesti iepriekšējā rindkopā, ir parādīti zemāk esošajā attēlā.
Kā redzams attēlā, visi attēli (jebkura veida optiskajam stiklam un objekta atrašanās vieta attiecībā pret tiem) ir veidoti uz diviem stariem. Viens ir vērsts paralēli galvenajai asij, bet otrs iet caur optisko centru. Šo staru izmantošana ir ērta, jo ir zināma to uzvedība pēc izlaišanas caur objektīvu. Tāpat ņemiet vērā, ka objekta apakšējā mala (šajā gadījumā sarkanā bultiņa) atrodas uz galvenās optiskās ass, tāpēc pietiek izveidot tikai objekta augšējā punkta attēlu. Ja objekts (sarkanā bultiņa) atrodas patvaļīgi attiecībā pret optisko stiklu, tad ir nepieciešams atsevišķi izveidot attēlu gan no tā augšējās, gan apakšējās daļas.
Jebkuru attēlu izveidošanai pietiek ar diviem stariem. Ja ir neskaidrības par rezultātu, tad to var pārbaudīt, izmantojot trešo staru. Tam jābūt vērstam caur fokusu (konverģējošā objektīva priekšā un aiz diverģējošās lēcas), tad pēc tam, kad tas iziet cauri optiskajam stiklam un refrakcijas tajā, stars būs paralēls galvenajai optiskajai asij. Ja tiek atrisināta attēla veidošanas problēma plānā objektīvāpa labi, tad tas iet caur punktu, kur krustojas divi galvenie stari.
Optisku objektu ražošanas process
Lielākā daļa lēcu ir izgatavotas no īpaša veida stikla, ko sauc par optiskajām lēcām. Šādā stiklā nav iekšēju spriegumu, gaisa burbuļu un citu nepilnību.
Lēcu izgatavošanas process notiek vairākos posmos. Vispirms no optiskā stikla bloka, izmantojot atbilstošus metāla instrumentus, izgriež vēlamās formas ieliektu vai izliektu priekšmetu. Pēc tam to pulē, izmantojot darvu. Pēdējā posmā optiskā stikla izmērs tiek mainīts, izmantojot abrazīvus instrumentus, lai smaguma centrs precīzi sakristu ar optisko centru.
Attīstoties dažādu veidu plastmasas iegūšanas un apstrādes tehnoloģijām, lēcas tagad arvien vairāk tiek izgatavotas no caurspīdīga veida plastmasas, kas ir lētākas, vieglākas un mazāk trauslas nekā stikla izstrādājumi.
Lietošanas jomas
Optiskās brilles izmanto dažādu redzes problēmu risināšanai. Šim nolūkam tiek izmantotas gan plastmasas kontaktlēcas, gan stikla (ar brillēm).
Turklāt optiskās brilles tiek izmantotas fotokamerās, mikroskopos, teleskopos un citos optiskajos instrumentos. Viņi izmanto visu lēcu sistēmu. Piemēram, visvienkāršākā mikroskopa gadījumā, kas sastāv no diviem optiskajiem stikliem, pirmais veido reālu objekta attēlu unotro izmanto, lai palielinātu tā attēlu. Tāpēc otrais stikls atrodas atbilstošā attālumā no pirmā, saskaņā ar noteikumiem par attēlu konstruēšanu plānā objektīvā.
