עדשות הן חפצים שקופים שיכולים לשבור את אור השמש. הם עשויים בעיקר מזכוכית. המילים "לשבור אור" מתייחסות ליכולת לשנות את כיוון התפשטותן של קרני האור הנכנסות. הבה נבחן כיצד התמונות בנויות בעדשה דקה.
רקע היסטורי
העדשות הראשונות שידעו היוונים והרומאים הקדמונים היו כלי זכוכית כדוריים מלאים במים. אבות טיפוס אלה של משקפיים אופטיות מודרניות שימשו להדלקת שריפות.
רק בסוף המאה ה-13 נוצרה עדשת הזכוכית הראשונה באירופה. מאז, תהליך הייצור שלהם לא השתנה הרבה. החידוש היחיד היה השימוש בזפת על ידי אייזק ניוטון במאה ה-17 לליטוש משטחים של עצמים אופטיים.
איסוף ופיזור משקפיים אופטיים
כדי להקל על הבנת הבנייה של תמונות בעדשה דקה, שקולהשאלה היא, מהן משקפיים אופטיות. באופן כללי, ישנם רק שני סוגי עדשות, הנבדלים בצורתם וביכולת לשבור את שטף האור. ניתן להבחין בין הסוגים הבאים:
- עדשות מתכנסות. לסוג זה עובי חלקו המרכזי גדול יותר מעובי הקצוות. התמונה המתקבלת בעדשה מתכנסת נוצרת בצד השני של האור הנופל עליה. לסוג זה יש את היכולת לאסוף אור לנקודה אחת (פוקוס חיובי).
- עדשות מגוונות. החלק המרכזי שלהם דק יותר מהקצוות. בשל צורתם, משקפיים אופטיים אלו מפזרים את האור הנכנס עליהם, מה שמוביל להיווצרות תמונה באותו צד של העדשה כאשר הקרניים מעצם נופלות עליה. התמונה שנוצרה קטנה בהרבה מהפריט בפועל. אם הקרניים המפוזרות על ידי זכוכית אופטית זו יימשכו באופן שיקבע את מקורן, אזי נראה שהן יוצאות מנקודה אחת לפניה. נקודה זו נקראת הפוקוס, שהיא שלילית או דמיונית עבור עדשה מתפצלת.
צורות שונות של משקפיים אופטיות
ניתן ליצור את שני סוגי העדשות הקיימים בכמה דרכים. יש להבדיל בין 6 הצורות הבאות:
- Biconvex.
- Plano-convex.
- עם מניסקוס קמור (קעור-קמור).
- Biconcave.
- Plano-concave.
- עם מניסקוס קעור (קמור-קעור).
אלמנטים מזכוכית קמורה
כדי להבין את הפיזיקה של העדשה והבנייהעדשות הדמיה דקות, יש צורך להכיר את האלמנטים הבסיסיים של אובייקט אופטי זה. בואו נרשום אותם:
- המרכז האופטי (O) הוא הנקודה שדרכה האור עובר מבלי להישבר.
- הציר הראשי הוא קו ישר העובר דרך נקודת המרכז האופטי והמוקד הראשי.
- המוקד הראשי או הראשי (F) הוא הנקודה שדרכה עוברות קרני האור או הרחבות שלהן אם הן נופלות על זכוכית אופטית במקביל לציר הראשי שלה.
- ציר עזר - כל קו ישר שעובר דרך המרכז האופטי.
- רדיוסי העקמומיות הם שני הרדיוסים, R1 ו-R2, של הכדורים היוצרים את העדשה.
- מרכזי עקמומיות - שני מרכזי כדורים, C1 ו-C2, היוצרים את המשטחים של זכוכית אופטית.
- אורך מוקד (f) - המרחק בין נקודת המוקד למרכז האופטי. ישנה הגדרה נוספת לערך (f): זהו המרחק ממרכז העדשה האופטית לתמונה, מה שנותן עצם הממוקם רחוק לאין שיעור.
מאפיינים אופטיים
בין אם מדובר בזכוכית קמורה פשוטה או במערכות אופטיות מורכבות, שהן אוסף של עדשות בודדות, התכונות האופטיות שלהן תלויות בשני פרמטרים: אורך המוקד והקשר בין אורך המוקד לקוטר העדשה.
אורך המוקד נמדד בשתי דרכים:
- ביחידות של מרחק רגיל, כגון 10 ס"מ, 1 מטר וכן הלאה.
- בדיופטריות, זהו ערך שהוא ביחס הפוך לאורך המוקד, נמדד במטרים.
לדוגמה, לזכוכית אופטית בעוצמה של 1 דיופטר יש אורך מוקד של 1 מ', בעוד שלעדשה בעוצמה של 2 דיופטר יש אורך מוקד של 0.5 מ' בלבד.
קוטר העדשה והקשר שלה לאורך המוקד קובעים את יכולתה של זכוכית אופטית לאסוף אור או תפוקת האור שלה.
מאפיינים של קרניים העוברות בעדשה
בבתי ספר בכיתה ח', בניית תמונות בעדשות דקות היא אחד הנושאים החשובים בפיזיקה. כדי ללמוד כיצד לבנות תמונות אלה, יש להכיר לא רק את המושגים והאלמנטים הבסיסיים, אלא גם את המאפיינים של קרניים מסוימות העוברות דרך אובייקט פעיל אופטית:
- כל קרן העוברת במקביל לציר הראשי נשברת בצורה כזו שאו שהיא עוברת דרך המוקד (במקרה של עדשה מתכנסת), או שהמשכה הדמיוני עובר דרך המוקד (במקרה של אחד מתפצל).
- הקרן שעוברת במוקד נשברת כך שהיא ממשיכה בתנועתה במקביל לציר הראשי. שימו לב שבמקרה של עדשה מתפצלת, כלל זה תקף אם המשך הקרנת האלומה עליה עובר דרך המוקד שנמצא בצד השני של האובייקט האופטי.
- כל קרן אור שעוברת דרך מרכז העדשה אינה חווה שבירה כלשהי ואינה משנה כיוון.
תכונות של בניית תמונות בעדשות דקות
אם כי איסוף ופיזור אופטילמשקפיים תכונות דומות, לבניית התמונות בכל אחת מהן יש מאפיינים משלה.
בעת בניית תמונות, נוסחת העדשה הדקה היא:
1/f=1/do+1/di, כאשר do ו-di הוא המרחק מהמרכז האופטי לאובייקט ולתמונה שלו.
שים לב שאורך המוקד (f) חיובי לעדשות מתכנסות ושלילי לעדשות מתפצלות.
יישום המאפיינים לעיל של קרניים העוברות דרך זכוכית אופטית אוספת מוביל לתוצאות הבאות:
- אם האובייקט ממוקם במרחק של יותר מ-2f, אז מתקבלת תמונה אמיתית, שגודלה קטן יותר מהאובייקט. אנחנו רואים את זה הפוך.
- אובייקט המונח במרחק של 2f מהעדשה מביא לתמונה הפוכה אמיתית בגודל זהה לעצם עצמו.
- אם האובייקט נמצא במרחק של יותר מ-f, אבל פחות מ-2f, אז מתקבלת תמונה ממש הפוכה ומוגדלת שלו.
- אם האובייקט נמצא בנקודת המוקד, אז הקרניים העוברות דרך הזכוכית האופטית הופכות מקבילות, מה שאומר שאין תמונה.
- אם אובייקט קרוב יותר מאורך מוקד אחד, אז התמונה שלו תתברר כדמיונית, ישירה וגדולה מהאובייקט עצמו.
מאחר שתכונות הקרניים העוברות בעדשה מתכנסות ומתפצלות דומות, בניית התמונות הניתנות על ידי עדשה דקה מסוג זה מתבצעת על פי כללים דומים.
ציוריםהדמיה לאירועים שונים
בציורים, עדשה מתכנסת מסומנת בקו שבקצותיה יש חצים המצביעים החוצה, ועדשה מתפצלת מסומנת בקו עם חיצים בקצוות המופנים פנימה, כלומר, אחד בשני.
גרסאות שונות של השרטוטים לבניית תמונות בעדשות דקות, שנדונו בפסקה הקודמת, מוצגות באיור למטה.
כפי שניתן לראות מהאיור, כל התמונות (לכל סוג של זכוכית אופטית ומיקום האובייקט ביחס אליהן) בנויות על שתי קורות. האחד מכוון במקביל לציר הראשי, והשני עובר דרך המרכז האופטי. השימוש באלומות אלו נוח מכיוון שהתנהגותן לאחר מעבר העדשה ידועה. שימו לב גם שהקצה התחתון של האובייקט (חץ אדום במקרה זה) ממוקם על הציר האופטי הראשי, כך שמספיק לבנות רק את התמונה של הנקודה העליונה של האובייקט. אם האובייקט (חץ אדום) ממוקם באופן שרירותי ביחס לזכוכית האופטית, אז יש צורך לבנות תמונה של החלק העליון והתחתון שלו באופן עצמאי.
שתי אלומות מספיקות לבניית כל תמונה. אם קיימת אי ודאות לגבי התוצאה, ניתן לבדוק זאת באמצעות הקרן השלישית. יש לכוון אותו דרך הפוקוס (לפני העדשה המתכנסת ומאחורי העדשה המתפצלת), ואז לאחר מעבר דרך הזכוכית האופטית ושבירה בה, הקרן תהיה מקבילה לציר האופטי הראשי. אם נפתרה הבעיה של בניית תמונה בעדשה דקהימינה, אז הוא יעבור דרך הנקודה שבה שתי הקורות הראשיות מצטלבות.
תהליך ייצור אובייקטים אופטיים
רוב העדשות עשויות מסוגי זכוכית מיוחדים הנקראים עדשות אופטיות. אין מתחים פנימיים, בועות אוויר ופגמים אחרים בזכוכית כזו.
תהליך ייצור העדשות מתרחש במספר שלבים. ראשית, אובייקט קעור או קמור בצורה הרצויה נחתך מתוך גוש זכוכית אופטית באמצעות כלי מתכת מתאימים. לאחר מכן הוא מלוטש באמצעות זפת. בשלב הסופי, גודל הזכוכית האופטית משתנה באמצעות כלים שוחקים כך שמרכז הכובד יתאים בדיוק למרכז האופטי.
עקב התפתחות טכנולוגיות להשגה ועיבוד של סוגים שונים של פלסטיק, עדשות מיוצרות כיום יותר ויותר מסוגי פלסטיק שקופים, שהם זולים יותר, קלים יותר ופחות שבריריים מעמיתיהם מזכוכית.
אזורי יישום
משקפיים אופטיות משמשות לפתרון בעיות ראייה שונות. לשם כך, נעשה שימוש גם בעדשות מגע מפלסטיק וגם בעדשות זכוכית (עם משקפיים).
בנוסף, משקפיים אופטיים משמשים במצלמות צילום, מיקרוסקופים, טלסקופים ומכשירים אופטיים אחרים. הם משתמשים במערכת שלמה של עדשות. לדוגמה, במקרה של המיקרוסקופ הפשוט ביותר, המורכב משתי כוסות אופטיות, הראשון יוצר תמונה אמיתית של האובייקט, והשני משמש להגדלת התמונה שלו. לכן, הזכוכית השנייה ממוקמת במרחק מתאים מהראשונה, לפי הכללים לבניית תמונות בעדשה דקה.
