لنز ها چگونه تصویر می سازند؟ از نور پخش شده به تصویر متمرکز

در نوشته های قبلی درباره لنز ها صحبت کردیم انواع مختلف لنز را توضیح دادم و حتی راهنمای خرید لنز دست دوم را نیز براتون گذاشتم. در این نوشته می خواهیم بررسی کنیم که لنز چگونه تصویر متمرکز  را درست می کند. لنز به طرز فریبکارانه ساده به نظر می رسد یک تکه شیشه شفاف با سطوح منحنی که می تواند به دوربین وصل بشود. با اینحال این جسم ساده می تواند نور پخش شده را تبدیل به یک عکس قابل شناسایی بکند. لنز مهمترین عنصر شما برای دوربین، میکروسکوپ، تلسکوپ، پروژکتور، دوربین شکاری و حتی چشم انسان است.

برای فهمیدن اینکه لنز چگونه تصویر را درست می کند ما باید نوری که از جسم خارج می شود و در لنز تغییر مسیر داده شده و به سطحی رسانده می شود که تصویر درست شود را دنبال کنیم. تشکیل عکس به معنای ساخت نور نیست. بلکه شناخت محتاطانه نوریست که در حال حاضر وجود دارد.

تصویر وقتی شروع می شود که نور از جسم خارج شود

هر نقطه پیدایی در یک جسم نور را به جهت های مختلف می فرسد. نور شمع نور خود را ساطع می کند در حالی که کتاب، چهره یا درخت با انعکاس نور از یک منبع دیگر روشن به نظر می رسند.

یک نقطه را در بالای درخت تصور کنید. نور منعکس شده از آن نقطه به پرتو های بی شمار به سمت بیرون پخش می شود. یک گروه دیگر از پرتو ها از تنه درخت در حالی که پرتو های دیگری از شاخ و برگ به سمت شما منعکس می شود.

بدون یک سیستم اپتیکی، این پرتو ها پخش می شوند و روی هم می افتند. یک صفحه ای که در مسیر آن قرار گرفته تصویر واضحی از عکس دریافت نمی کند بلکه یک مخلوط گیج کننده از نوری از نقاط مختلف را می گیرد.

یک لنز تصویر را با تغییر مسیر این نور های پخش شونده از هر نقطه جسم به یک نقطه معادل بر روی تصویر تشکیل می دهد.

انکسار، اصل فیزیکی پشت هر لنز

نکته کلیدی ایجاد تصویر در لنز در پدیده انکسار است. انکسار یا شکست نور تغییر جهت نور است وقتی نور از یک محیط به محیط دیگر با شریب شکست متفاوت می رود.

نور با سرعت های متفاوتی در هوا، شیشه، آب و پلاستیک حرکت می کند وقتی که پرتوی نور با یک زاویه وارد شیشه می شود یک بخش از طول موجش سرعت خود را قبل از طول موج های قبلی تغییر داده که این باعث خم شدن نور می شود. نور دوباره با خروج شده از شیشه تغییر جهت می دهد.

یک صفحه صاف شیشه می تواند نور ها را به کنار ببرد. اما سطوح مواظری باعث می شوند که نور های به وجود آمده تقریبا در همان مسیر اصلی حرکت کنند. لنز بدلیل سطوح منحنی تفاوت دارد. بخش های مختلف لنز با نور های ورودی در زوایای مختلف برخورد می کنند که باعث می شوند هر پرتوی نور به یک میزان تعیین شده خم بشود.

از این رو انحنای لنز با تغییر میزان شکست، امکان تشکیل تصویر متمرکز را ایجاد می کند.

عدسی محدب، جمع کردن نور برای تشکیل تصویر متمرکز

عدی محدب در مرکز خود ضخیم تر از لبه هایش است. این عدسی عدسی همگرا نیز خوانده می شوند چرا که نورهای موازی را به یک محور اپتیکال خم می کند.

وقتی نور ها به صورت موازی از روی لنز می گذرند در یک نقطه معین به اسم فاصله کانونی متمرکز می شوند فاصله بین مرکز اگتیکی لنز و این نقطه را فاصله کانونی می گویند.

با اینحال یک جسم مثل شخص یا ساختمان فقط پرتوهای موازی به سمت لنز نمی فرستد هر نقطه روی جسم یک نور مخلوطی باز شونده به سمت لنز می فرستد. لنز بخش کوچکی از هر مخروط را دریافت و آن را تغییر مسیر می دهد.

پرتوهایی که از یک نقطه جسم شروع می شود در یک نقطه عکس متمرکز می شود. پرتوهای جسم دیگر در جای دیگه متمرکز می شوند و وقتی این فرآیند در کل اجسام انجام شود یک عکس کامل ظاهر شده است.

خود عکس توسط شیشه شکل نمیگیرد بلکه از فاصله مشخص پشت لنز جایی که پرتو ها همگرا شدنه اند شکل میگیرد.

چرا تصویر برعکس است؟

یک عدسی محدب معمولا یک تصویر برعکس را درست می کند وقتی که جسم آن سوی فاصله کانونیست.

نور بالای جسم به سمت لنز می آید و به سمت صفحه پایینی صفحه تصویر هدایت می شود. نور پایین به سمت بالا می رود. خوشه های نور بعد از عبور از میان لنز با معکوس شدن افقی و عمودی صحنه بر روی صفحه تصویر می نشینند.

بخاطر همین است تصویر افتاده بر سنسور دوربین معکوس است. سنسور این تصویر بر عکس را ضبط می کند و پردازشگر دوربین آن را در جهت درست بر روی مانیتور نمایش می دهد.

همین اصل درباره چشم انسان نیز صدق می کند. قرنیه و زجاجیه یک تصویر بر عکس بر شبکیه ثبت می کنند سپس مغز این اطلاعات شبکیه را تفسیر و با توجه به روابط فضایی و تجربه ما از جهان آن را درک می کند. برای آشنایی بیشتر با درک نور در مغز و طریقه دیدن به این دو نوشته مراجعه کنید.

تصاویر واقعی و تصاویر مجازی

تمام تصاویر عدسی را نمی توان روی صفحه نمایش انداخت. یک تصویر واقعی وقتیست که  پرتوهای نور به صورت فیزیکی با هم تلاقی کنند و می تواند توسط فیلم عکاسی، سنسور دیجیتال، شبکیه یا صفحه نمایش ثبت شود. لنز های دوربین، پروژکتور های سینما و خیلی از تلسکوپ ها وابسته به تصاویر واقعی هستند.

یک تصویر مجازی از موقعیتی میاد که پرتوها واقعا با هم برخورد نکرده اند. یک ذره بین به خوبی این مسئله را نشان می دهد وقتی که جسم نزدیک تر به عدسی محدب نسبت به فاصله کانونیش قرار بگیرد این پرتوهای ظاهر شده به پخش شدن ادامه می دهند. چشم آن ها را در مسیر بر عکس دنبال می کند و یک عکس بزرگ شده، غیر معکوس پشت لنز می بیند.

یک لنز مقعر که در مرکز باریکتر از لبه ها است باعث واگرا شدن پرتو ها می شوند و معمولا یک تصویر غیر وارونه، کوچک شده و مجازی را نمایش می دهند هرچند که این عدسی نمی تواند پرتوهای موازی نور را در یک نقطه واقعی متمرکز کند با اینحال برای عینک و سیستم های اپتیکی پیچیده بسیار مفید هستند.

مطالعه بیشتر: پریسکوپ چیست؟

فاصله جسم تصویر را تغییر می دهد.

مکان، اندازه و طبیعت عکس وابسته به رابطه فاصله جسم، فاصله تصویر و فاصله کانونیست. برای یک لنز باریک این رابطه از طریق رابطه معروف عدسی ها که در اول دبیرستان در فصل نورشناسی خوانده ایم نشان داده می شوند.

وارون فاصلهٔ کانونی برابر است با وارون فاصلهٔ جسم تا عدسی، به‌علاوهٔ وارون فاصلهٔ تصویر تا عدسی.

یعنی اگر فاصله کانونی عدسی 10 سانتی متر و فاصله جسم 30 سانتی متر باشد آن وقت تصویر در فاصله 15 سانتی متری از عدسی تشکیل می شود.

وقتی که جسم دور نزدیک تر شود تصویر در نقطه ای دور پشت لنز همگرا تشکیل می شود این توضیح می دهد چرا دوربین  وقتی از منظره دور به چهره نزدیک می رود باید فوکوس خود را تنظیم کند.

دوربین های معمول با تغییر دادن عناصر لنز به جلو یا دور از سنسور عمل فوکوس را انجام می دهند اما لنز های مدرن فقط یک گروه از عناصر را تکان می دهند که باعث فوکوس سریعتر می شود در حالی که لوله لنز را فیکس نگه می دارد.

فاصله کانونی بیشتر از فوکوس اهمیت دارد

فاصله کانونی، میدان دیدن لنز و مقیاس ظاهری اجسام داخل عکس ار معین می کند.

یک عدسی با فاصله کانونی کم نور را با قدرت بیشتری خم می کند که در نتیجه میدان دید بیشتری را ثبت می کن ددر حالی که لنز با فاصله کانونی بیشتر پرتوهای ورودی را با شیب کمتری خم می کند و در نتیجه بخش کوچکتری از صحنه را با بزرگنمایی بیشتر ثبت می کند.

بخاطر همین هم لنز های واید برای عکاسی ساختمان، داخلی و مناظر گسترده استفاده می شود در حالی که لنز های تله فوتو برای حیات وحش، ورزش و اجسام دور استفاده می شود.

فاصله کانونی  به طور مستقل اعوجاج پرسپکتیو ایجاد نمی کند. پرسپکتیو در ابتدا توسط موقعیت دوربین ایجاد می شود. انتخاب لنز به طور غیر مستقیم بر روی پرسپکتیو به صورت غیر مستقیم اثر می گذارد چرا که عکاسان با جابجایی خود سر می کنند سوژه را داخل قاب قرار بدهند.

پیشنهاد مطالعه: قانون یک سوم در عکاسی

چرا فوکوس در یک صفحه قرار دارد؟

لنز ها می توانند پرتوهای یک جسم دور را در یک نقطه دقیق روی سطح فوکوس کنند. اجسام در فواصل دیگر تصویر واضح خود را در کمی دور تر یا جلوتر سطح تشکیل می دهند در نتیجه با ظاهر محو به نظر می رسند.

آن منطقه ای که به طرز قابل قبولی واضح است را عمق میدان می نامند که توسط دیافراگم، فاصله فوکوس، فاصله کانونی، نوع سنسور، وضعیت دید تعیین می شود.

یک دیافراگم بسته تر جلوی ورود نور های بیشتر به لنز را می گیرد که نتیجه آن نور های مخروطی باریکتر دایره های محو کوچکتری درست می کنند وقتی نقطه فوکوسشان دقیقا روی سنسور نمی افتد که عمق میدان را در نتیجه بیشتر می کند.

لنز ها کامل نیستند

یک لنز ایده آل باریک اصل مرکزی تشکیل عکس را توضیح می دهد اما سیستم های اپتیکی باید با چندین ناقصی کنار بیایند.

ابیراهی کروی  جلوی عبور نور از بخش های مختلف عدسی کروی را می گیرد و نمی گذارد در یک نقطه مشخص با هم تلاقی کنند. ابیراهی کروماتیک برای این اتفاق می افتد که طول موج های مختلف نور با مقدار های متفاوت می شکند. مشکلات دیگر مثل کوما، آستیگماتیسم ، انحنای میدان، اعوجاج، فلر و از دست دادن کنتراست نیز جر مشکلات ایجاد تصویر است.

لنز های عکاسی مدرن با ترکیب چندین المان با شکل های مختلف، ضرایب شکستی متفاوت و لایه های پوششی سعی می کنن این مشکلات را کم کنند.

یک المان می تواند مشکل المان دیگر را حل کند هدف فقط تلاقی دادن نور نیست بلکه این است که میلیون ها پرتو به طور مناسب در طول تصویر با هم تلاقی کنند.

پیشنهاد مطالعه:  اختراع دوربین، نگاهی اجمالی به تاریخ ثبت تصاویر

نتیجه گیری، لنز به عنوان سازمان دهنده نور

یک لنز، جسم را کپی نمی کند و همچنین یک تصویر مینیاتور را در خود ندارد که رها کند. نور های واگرا را دریافت و سپس با ضریب شکست آن ها را تغییر جهت می دهد.

با آوردن نور ها از اجسام به نقاط روی تصویر، لنز بی نظمی دیداری را تبدیل به ساختار اپتیکی می کند. نتیجه یا تصویر واقعیست یا مجازی، بزرگ شده یا کاهش یافته، مستقیم یا وارون، واضح یا محو.

از چشم انسان تا دوربین سینما و ذره بین داخل دست یک بچه تا تلسکوپ فضایی، عمل نهایی همیشه یکیست لنز تصویر را با خم کردن نور به شکل معنی دار ایجاد می کند.