Läätsed on läbipaistvad objektid, mis võivad päikesevalgust murda. Need on peamiselt valmistatud klaasist. Sõnad "valgus murduvad" viitavad võimele muuta langevate valguskiirte levimissuunda. Vaatleme, kuidas pilte õhukeses objektiivis konstrueeritakse.
Ajalooline taust
Esimesed iidsete kreeklaste ja roomlaste teadaolevad läätsed olid sfäärilised veega täidetud klaasanumad. Neid kaasaegsete optiliste klaaside prototüüpe kasutati tulekahjude süütamiseks.
Alles 13. sajandi lõpus valmistati Euroopas esimene klaaslääts. Sellest ajast peale pole nende valmistamise protsess palju muutunud. Ainus uuendus oli tõrva kasutamine Isaac Newtoni poolt 17. sajandil optiliste objektide pindade poleerimiseks.
Optiliste klaaside kogumine ja hajutamine
Selleks, et õhukeses objektiivis piltide ülesehitust oleks lihtsam mõista, kaalugeküsimus on selles, mis on optilised prillid. Üldiselt on ainult kahte tüüpi läätsi, mis erinevad oma kuju ja valgusvoo murdmise võime poolest. Eristatakse järgmisi tüüpe:
- Koonverdavad läätsed. Seda tüüpi keskosa paksus on suurem kui servade paksus. Saadud kujutis koonduvas läätses moodustub teisele poole sellele langevat valgust. Sellel tüübil on võime koguda valgust ühte punkti (positiivne fookus).
- Erinevad läätsed. Nende keskosa on servadest õhem. Tänu oma kujule hajutavad need optilised klaasid neile langevat valgust, mis viib kujutise moodustumiseni läätse samale küljele, kui sellele langevad objektilt tulevad kiired. Loodud pilt on tegelikust üksusest palju väiksem. Kui selle optilise klaasi poolt hajutatud kiiri jätkata nii, et määrata nende päritolu, siis tundub, et need väljuvad ühest punktist selle ees. Seda punkti nimetatakse fookuseks, mis on lahkneva objektiivi puhul negatiivne või kujuteldav.
Erineva kujuga optilised klaasid
Olemasolevaid kahte tüüpi objektiive saab valmistada mitmel viisil. Eristatakse 6 järgmist vormi:
- Kaksikkumer.
- Plano-kumer.
- Kumera meniskiga (nõgus-kumer).
- Kaksinõgus.
- Plano-nõgus.
- Nõgusa meniskiga (kumer-nõgus).
Kumerad klaaselemendid
Läätse füüsika ja sisseehitamise mõistmiseksõhukesed pildiläätsed, on vaja teada selle optilise objekti põhielemente. Loetleme need:
- Optiline keskpunkt (O) on punkt, mida valgus läbib ilma murdumiseta.
- Peatelg on sirgjoon, mis läbib optilise keskpunkti punkti ja põhifookuse.
- Põhi- või põhifookus (F) on punkt, mida valguskiired või nende laiendused läbivad, kui need langevad põhiteljega paralleelselt optilisele klaasile.
- Abitelg – mis tahes sirgjoon, mis läbib optilist keskpunkti.
- Kummerusraadiused on läätse moodustavate sfääride kaks raadiust R1 ja R2.
- Kumeruskeskused – kaks sfääri keskpunkti, C1 ja C2, mis moodustavad optilise klaasi pinnad.
- Fookuskaugus (f) – fookuspunkti ja optilise keskpunkti vaheline kaugus. Väärtusel (f) on veel üks määratlus: see on kaugus optilise läätse keskpunktist kujutiseni, mis annab objektile, mis asub lõpmatult kaugel.
Optilised omadused
Olenemata sellest, kas tegemist on lihtsa kumera klaasiga või keerukate optiliste süsteemidega, mis on üksikute läätsede kogum, sõltuvad nende optilised omadused kahest parameetrist: fookuskaugusest ning fookuskauguse ja läätse läbimõõdu vahelisest seosest.
Fookuskaugust mõõdetakse kahel viisil:
- Normaalkauguse ühikutes, näiteks 10 cm, 1 m jne.
- Dioptrites on see väärtus, mis on meetrites mõõdetuna pöördvõrdeline fookuskaugusega.
Näiteks 1 dioptrilise võimsusega optilise klaasi fookuskaugus on 1 m, samas kui 2 dioptrilise võimsusega objektiivi fookuskaugus on vaid 0,5 m.
Läätse läbimõõt ja selle seos fookuskaugusega määrab optilise klaasi võime valgust koguda või selle valgusväljundit.
Läätse läbivate kiirte omadused
Koolides 8. klassis on õhukeste läätsedega kujutiste ehitamine üks füüsika olulisi teemasid. Nende kujutiste loomise õppimiseks peaks teadma mitte ainult põhimõisteid ja elemente, vaid ka optiliselt aktiivset objekti läbivate kiirte omadusi:
- Iga põhiteljega paralleelselt kulgev kiir murdub nii, et see kas läbib fookust (koonduva läätse puhul) või selle kujuteldav jätk läbib fookust (juhul, kui lahknev).
- Fookust läbiv kiir murdub nii, et see jätkab liikumist peateljega paralleelselt. Pange tähele, et lahkneva läätse puhul kehtib see reegel, kui sellele langeva kiire jätk läbib optilise objekti teisel küljel asuvat fookust.
- Ükski valguskiir, mis läbib läätse keskpunkti, ei murdu ega muuda suunda.
Kujutiste loomise omadused õhukeste objektiividega
Kuigi kogumine ja hajutamine optilineprillidel on sarnased omadused, kujutiste ehitusel on igaühel neist oma eripärad.
Piltide koostamisel on õhukese läätse valem järgmine:
1/f=1/do+1/di, kus do ja di on kaugus optilisest keskpunktist objekti ja selle kujutiseni.
Pange tähele, et fookuskaugus (f) on koonduvate objektiivide puhul positiivne ja lahknevate objektiivide puhul negatiivne.
Ülenimetatud optilist klaasi läbivate kiirte omaduste rakendamine annab järgmised tulemused:
- Kui objekt asub kaugemal kui 2f, siis saadakse reaalne pilt, mis on objektist väiksem. Näeme seda tagurpidi.
- Objekt, mis asetatakse objektiivist 2f kaugusele, annab tõelise ümberpööratud kujutise, mis on sama suurusega kui objekt ise.
- Kui objekt on kaugemal kui f, kuid vähem kui 2f, siis saadakse sellest tõeline ümberpööratud ja suurendatud kujutis.
- Kui objekt on fookuspunktis, muutuvad optilist klaasi läbivad kiired paralleelseks, mis tähendab, et pilti pole.
- Kui objekt on lähemal kui üks fookuskaugus, siis osutub selle pilt kujuteldavaks, otseseks ja suuremaks kui objekt ise.
Kuna koonduvat ja lahknevat läätse läbivate kiirte omadused on sarnased, toimub seda tüüpi õhukese läätsega antud kujutiste konstrueerimine sarnaste reeglite järgi.
Joonisedpildistamine erinevatel puhkudel
Joonistel on koonduvat läätse tähistatud joonega, mille otstes on väljapoole suunatud nooled, ja lahknevat läätse on tähistatud joonega, mille otstes on nooled, mis on suunatud sissepoole, st üksteisele.
Jooniste erinevad variandid õhukeste läätsede kujutiste konstrueerimiseks, mida käsitleti eelmises lõigus, on näidatud alloleval joonisel.
Nagu jooniselt näha, on kõik kujutised (igat tüüpi optilise klaasi puhul ja objekti asukoht nende suhtes) ehitatud kahele talale. Üks on suunatud peateljega paralleelselt ja teine läbib optilist keskpunkti. Nende kiirte kasutamine on mugav, kuna on teada nende käitumine pärast läätse läbimist. Pange tähele ka seda, et objekti alumine serv (antud juhul punane nool) asub optilisel peateljel, seega piisab ainult objekti ülemise punkti kujutise ehitamisest. Kui objekt (punane nool) paikneb optilise klaasi suhtes suvaliselt, siis tuleb nii selle ülemisest kui ka alumisest osast iseseisv alt üles ehitada kujutis.
Kahest talast piisab mis tahes kujutise loomiseks. Kui tulemuse suhtes on ebakindlust, saab seda kontrollida kolmanda kiirte abil. See tuleks suunata läbi fookuse (koonduva läätse ette ja lahkneva läätse taha), siis pärast optilise klaasi läbimist ja selles murdumist on kiir optilise põhiteljega paralleelne. Kui õhukeses objektiivis pildi ehitamise probleem on lahendatudparemale, siis läbib see punkti, kus kaks põhikiirt ristuvad.
Optiliste objektide valmistamise protsess
Enamik objektiive on valmistatud spetsiaalsest klaasist, mida nimetatakse optilisteks läätsedeks. Sellisel klaasil pole sisepingeid, õhumulle ega muid defekte.
Läätsede valmistamise protsess toimub mitmes etapis. Esm alt lõigatakse optilise klaasi plokist sobivate metalltööriistade abil välja soovitud kujuga nõgus või kumer objekt. Seejärel poleeritakse see tõrva abil. Viimases etapis muudetakse optilise klaasi suurust abrasiivsete tööriistade abil nii, et raskuskese langeb täpselt kokku optilise keskmega.
Erinevate plastiliikide saamise ja töötlemise tehnoloogiate arendamise tõttu valmistatakse nüüd üha enam läätsesid läbipaistvast plastist, mis on odavamad, kergemad ja vähem haprad kui nende klaasist analoogid.
Kasutusvaldkonnad
Optilisi prille kasutatakse erinevate nägemisprobleemide lahendamiseks. Selleks kasutatakse nii plastikust kontaktläätsi kui ka klaasist (prillidega).
Lisaks kasutatakse optilisi prille fotokaamerates, mikroskoopides, teleskoopides ja muudes optilistes instrumentides. Nad kasutavad tervet läätsede süsteemi. Näiteks kõige lihtsama mikroskoobi puhul, mis koosneb kahest optilisest klaasist, moodustab esimene objektist reaalse kujutise jateist kasutatakse selle pildi suurendamiseks. Seetõttu asub teine klaas esimesest sobival kaugusel vastav alt õhukese objektiiviga kujutiste konstrueerimise reeglitele.
