линза в строительстве что это
Линза. Виды линз. Фокусное расстояние.
теория по физике 🧲 оптика
Мы уже познакомились с явлением преломления света на границе двух плоских сред. Но на практике особый интерес представляет явление преломления света на сферических поверхностях линз.
Линза — прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями.
Какими бывают линзы?
По форме различают следующие виды линз:
Выпуклые линзы тоже имеют разновидности:
Разновидности вогнутых линз:
Тонкая линза
Мы будем говорить о линзах, у которых толщина l = AB намного меньше радиусов сферических поверхностей этой линзы R1 и R2. Такие линзы называют тонкими.
Тонкая линза — линза, толщина которой пренебрежимо мала по сравнению с радиусами сферических поверхностей, которыми она ограничена.
Главная оптическая ось тонкой — прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линзы (на рисунке она соответствует прямой O1O2).
Оптический центр линзы — точка, расположенная в центре линзы на ее главной оптической оси (на рисунке ей соответствует точка О). При прохождении через оптический центр линзы лучи света не преломляются.
Побочная оптическая ось — любая другая прямая, проходящая через оптический центр линзы.
Изображение в линзе
Подобно плоскому зеркалу, линза создает изображения источников света. Это значит, что свет, исходящий из какой-либо точки предмета (источника), после преломления в линзе снова собирается в точку (изображение) независимо от того, какую часть линзы прошли лучи.
Оптическое изображение — картина, получаемая в результате действия оптической системы на лучи, испускаемые объектом, и воспроизводящая контуры и детали объекта.
Практическое использование изображений часто связано с изменением масштаба изображений предметов и их проектированием на поверхность (киноэкран, фотоплёнку, фотокатод и т. д.). Основой зрительного восприятия предмета является его изображение, спроектированное на сетчатку глаза.
Изображения разделяют на действительные и мнимые. Действительные изображения создаются сходящимися пучками лучей в точках их пересечения (см. рисунок а). Поместив в плоскости пересечения лучей экран или фотоплёнку, можно наблюдать на них действительное изображение.
Если лучи, выходящие из оптической системы, расходятся, но если их мысленно продолжить в противоположную сторону, они пересекутся в одной точке (см. рисунок б). Эту точку называют мнимым изображением точки-объекта. Она не соответствует пересечению реальных лучей, поэтому мнимое изображение невозможно получить на экране или зафиксировать на фотоплёнке. Однако мнимое изображение способно играть роль объекта по отношению к другой оптической системе (например, глазу или собирающей линзе), которая преобразует его в действительное.
Собирающая линза
Обычно линзы изготавливают из стекла. Все выпуклые линзы являются собирающими, поскольку они собирают лучи в одной точке. Любую из таких линз условно можно принять за совокупность стеклянных призм. В воздухе каждая призма отклоняет лучи к основанию. Все лучи, идущие через линзу, отклоняются в сторону ее главной оптической оси.
Если на линзу падают световые лучи, параллельные главной оптической оси, то при прохождении через нее они собираются на одной точке, лежащей на оптической оси. Ее называют главным фокусом линзы. У выпуклой линзы их два — второй главный фокус находится с противоположной стороны линзы. В нем будут собираться лучи, которые будут падать с обратной стороны линзы.
Главный фокус линзы обозначают буквой F.
Фокусное расстояние — расстояние от главного фокуса линзы до их оптического центра. Оно обозначается такой же букой F и измеряется в метрах (м).
В однородных средах главные фокусы собирающих линз находятся на одинаковом расстоянии от оптического центра.
Пример №1. Что произойдет с фокусным расстоянием линзы, если ее поместить в воду?
Вода — оптически более плотная среда, поэтому преломленные лучи будут располагаться ближе к перпендикуляру, восстановленному к разделу двух сред. Следовательно, фокусное расстояние увеличится. На рисунке лучам, выходящим из линзы в воздухе, соответствуют красные линии. Лучам, выходящим из линзы в воде — зеленые. Видно, что зеленые линии больше приближены к перпендикуляру, восстановленному к разделу двух сред, что соответствует закону преломления света.
Направим три узких параллельных пучка лучей от осветителя под углом к главной оптической оси собирающей линзы. Мы увидим, что пересечение лучей произойдет не в главном фокусе, а в другой точке (рисунок а). Но точки пересечения независимо от углов, образуемых этими пучками с главной оптической осью, будут располагаются в плоскости, перпендикулярной главной оптической оси линзы и проходящей через главный фокус (рисунок б). Эту плоскость называют фокальной плоскостью.
Поместив светящуюся точку в фокусе линзы (или в любой точке ее фокальной плоскости), получим после преломления параллельные лучи.
Если сместить источник дальше от фокуса линзы, лучи за линзой становятся сходящимися и дают действительное изображение.
Когда же источник света находится ближе фокуса, преломленные лучи расходятся и изображение получается мнимым.
Рассеивающая линза
Вогнутые линзы обычно являются рассеивающими (лучи, выходя из них, не собираются, а рассеиваются). Это бывает если, поместить вогнутую линзу в оптически менее плотную среду по сравнению с материалом, из которого изготовлена линза. Так, стеклянная линза в воздухе является рассеивающей.
Если направить на вогнутую линзы световые лучи, являющиеся параллельными главной оптической оси, то образуется расходящийся пучок лучей. Если провести их продолжения, то они пересекутся в главном фокусе линзы. В этом случае фокус (и изображение в нем) является мнимым. Этот фокус располагается на фокусном расстоянии, равном F.
Другой мнимый фокус находится по другую сторону линзы на таком же расстоянии при условии, что среда по обе стороны линзы одинаковая.
Оптическая сила линзы
Оптическая сила линзы — величина, характеризующая преломляющую способность симметричных относительно оси линз и центрированных оптических систем, состоящих из таких линз.
Обозначается оптическая сила линзы буквой D. Единица измерения — диоптрий (дптр). Оптической силой в 1 дптр обладает линза с фокусным расстоянием 1 м.
Оптическая сила линзы равна величине, обратной ее фокусному расстоянию:
На рисунке показан ход двух лучей от точечного источника света А через тонкую линзу. Какова приблизительно оптическая сила этой линзы?
Как самостоятельно собрать жидкостную линзу с настраиваемым фокусным расстоянием
Эта инструкция расскажет вам, как создать свой собственный объектив с регулируемым фокусным расстоянием, используя простые компоненты. Эта линза сможет изменять форму и, следовательно, фокусное расстояние, в зависимости от количества жидкости внутри нее. У него также будет мягкая поверхность, на которую мы можем надавить, чтобы исказить все, что мы видим через линзу!
Предупреждение: мне потребовалось несколько попыток сделать линзу, которая не протекала. Я надеюсь, что это руководство сработает с первого раза, но если нет, задайте вопрос в комментариях! Кроме того, фотографии в этом руководстве сделаны в течение нескольких разных попыток, поэтому могут не совсем точно соответствовать тому, что получится у вас. Наконец, в этом руководстве используется лазерная резка и сварка акриловым растворителем, поэтому всегда соблюдайте соответствующие меры безопасности при работе с опасными или неизвестными веществами и инструментами!
Шаг 1: Справочная информация
Прежде чем мы начнем, позвольте нам сначала немного рассказать об оптике!
Свет меняет свое направление, проходя через разные среды (явление, называемое преломлением). В линзах мы тщательно контролируем угол, под которым свет проходит из одной среды (воздуха) в другую (стекло или пластик, из которого состоит линза) и обратно, чтобы сфокусировать или иным образом видоизменить свет. Большинство объективов камер состоят из ряда отдельных элементов, которые работают совместно для коррекции различных типов аберраций (оптических ошибок) и создания плоского сфокусированного изображения на плоскости изображения (датчик камеры). Но если все элементы объектива имеют фиксированный размер и форму, как объективы камеры фокусируют или масштабируют изображение? Когда объектив камеры меняет масштаб или фокус, он перемещает отдельные элементы объектива (или группы элементов) вперед и назад по отношению друг к другу внутри объектива.
Шаг 2: Подбор материалов
В этом руководстве мы собираемся создать только один элемент объектива, но в отличие от элементов в типичном объективе камеры, наш сможет изменять форму (что приведет к изменению его оптических свойств). Это потому, что одна сторона нашей линзы будет иметь прозрачную силиконовую мембрану, которая будет менять форму в зависимости от количества жидкости внутри линзы. Другая сторона нашей линзы будет плоской. Наша линза сможет изменять форму от плоско-вогнутой линзы (одна сторона плоская, одна сторона вогнутая) до плосковыпуклой линзы (одна сторона плоская, одна сторона выпуклая) линзы и всего, что между ними!
Ниже приведены материалы и инструменты, необходимые для этого проекта:
Материалы :
Шаг 3: Подбор инструментов
Инструменты:
Шаг 4: Проектирование / подготовка файла для лазерного резака
Некоторые размеры, которые вы захотите проверить и, возможно, скорректировать для вашей конкретной сборки, включают:
Размер отверстия для трубки: он должен быть примерно таким же, как диаметр трубки, которой вы располагаете. Оставшееся пространство мы заполним силиконовым герметиком.
Размер отверстий для болтов: отверстия для крепежных болтов должны соответствовать имеющимся у вас болтам. Я бы не стал располагать их рядом с краями или уплотнительным кольцом.
Уплотнительное кольцо: в этой конструкции акриловое уплотнительное кольцо вырезается из того же куска акрила, который образует канавку для уплотнительного кольца. Чтобы обеспечить достаточный зазор для прохождения силиконового листа вокруг уплотнительного кольца, я добавил дополнительные прорези внутри и снаружи уплотнительного кольца. Это означает, что уплотнительное кольцо и канавка образованы 4 концентрическими кругами в конструкции. Возможно, потребуется разрезать несколько уплотнительных колец и отрегулировать их толщину, пока вы не найдете подходящее, но не протекающее!
Шаг 5: Лазерная резка акриловых деталей
Вырежьте детали из листа акрила, используя настройки для конкретной машины, которую вы используете!
Шаг 6: Припаяйте нижнюю половину линзы растворителем
Удалите бумагу со слоев №1-3 и положите их поверх другого, убедившись, что их отверстия для болтов совпадают (для этого вы можете использовать сами болты). В хорошо проветриваемом помещении тщательно спаяйте или склейте слои растворителем, следя за тем, чтобы растворитель не попал на открытый центр слоя №1.
Шаг 7: Установите трубку в нижнюю половину
Далее мы установим трубку, которая изменяет количество жидкости внутри линзы.
Шаг 8: Продолжайте сборку со слоем # 4
Добавьте слой № 4 поверх нижней половины и припаяйте растворителем. Убедитесь, что в районе трубки нет зазоров. Возможно, вам понадобится использовать зажимы, чтобы обеспечить хорошее уплотнение. На этом этапе трубка должна быть установлена на своем месте.
Шаг 9: Продолжите сборку со слоем # 5 (слой уплотнительного кольца)
Слой 5 состоит из трех частей: внешней части, уплотнительного кольца и самой внутренней части. Приклейте внешнюю и внутреннюю части к слою 4. Пока оставьте уплотнительное кольцо в стороне.
После того, как клей высохнет, хорошо отшлифуйте все детали вокруг канавки для уплотнительного кольца и само уплотнительное кольцо, чтобы избежать острых краев, которые могут порезать силиконовый лист.
Шаг 10: Добавьте слой силиконового герметика на дно канавки под уплотнительное кольцо
Одна из первых вещей, чему меня научил этот проект, — это то, что очень сложно сделать вещи воздухо- или водонепроницаемыми. «Жизнь всегда пробивает себе дорогу», и пропиленгликоль тоже! Добавление капель силиконового герметика на дно канавки для уплотнительного кольца, определенно помогает удерживать пропиленгликоль на месте, внутри линзы!
Шаг 11: Продолжайте сборку с помощью силиконового листа и слоя №6
Честно предупреждаю, что это один из самых сложных шагов в этой инструкции, так что перед этим этапом лучше устроить себе перерыв.
На этом этапе мы пытаемся закрепить силиконовый лист на верхней части линзы и соединить все вместе с помощью крепежных болтов и гаек. Это должно выглядеть примерно так:
Шаг 12: Проверка на протечки!
Если вам удалось пройти предыдущий шаг, не разорвав силиконовый лист, поздравляем! Теперь проверьте герметичность, подув в трубку. На видео из линзы выходит воздух: когда я дую, силиконовый лист раздувается, но когда я перестаю дуть, воздух откуда то выходит наружу. 🙁 Надеюсь, ваша конструкция на этом этапе будет держать свою форму!
Шаг 13: Заполняем!
На этом этапе, если ваша линза герметична, вы можете заполнить ее пропиленгликолем и использовать.
Шаг 14: Пробуем в работе
На данный момент у вас должна быть рабочая линза с регулируемым фокусным расстоянием! Очень круто! Что дальше?
Что ж, есть много проектов, в которых можно было бы использовать такие линзы. Вы можете использовать его перед проектором или камерой для необычных эффектов, или использовать его как увеличительное стекло, или час за часом прижимать пальцы к его липкому совершенству (просто посмотрите на эти ногти!). Это зависит от вас. В приведенном выше видео есть примеры того, как я тестировал / играл со своим объективом.
Пожалуйста, дайте мне знать в комментариях, как у вас получается, нашли ли вы способ улучшить этот процесс или обнаружили ещё какой то способ использования этого объектива.
Шаг 15: Дальнейшие исследования
Надеюсь, этот объектив — только начало новых оптических проектов. Этот проект во многом был вдохновлен некоторыми проектами, приведенными ниже:
Практический опыт с жидкими линзами
Линзы, изготовленные с применением ЧПУ / 3D печати.
Прим. переводчика:Все современные устройства находится в бесконечной гонке в поисках всё большей и большей компактности своих компонентов. Благодаря этому происходит и ускорение научно-технического прогресса, и постоянное уменьшение электронных компонентов, а также механических систем.
Оптика тоже не осталась в стороне от действия этих тенденций. Если на предыдущем этапе, для уменьшения оптических систем использовались плоские линзы Френеля, то на современном этапе наука вплотную подошла к использованию линз с изменяемыми свойствами.
Ещё в 1995 году один из французских физиков предложил использовать жидкие линзы для применения их в фотоаппаратах:
И буквально в марте этого года вышла новость о том, что фирма Xiaomi собирается внедрять подобные линзы в своих смартфонах будущих поколений:
Облачные серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
Линзы. Построение изображений в линзе
Что такое линза? Простейшая линза представляет собой сферическую поверхность.
Виды линз
Линза может быть ограничена:
Как отличить выпуклую линзу от вогнутой? Очень просто. Достаточно посмотреть на структуру линзы. Если она толще посередине, чем у краёв, значит это выпуклая линза. Если, наоборот, края значительно толще середины, то линза вогнутая.
Тонкая линза
Тонкая линза представляет собой модель реальной линзы. То есть тонкая линза – это линза, толщина (l=AB) которой слишком мала и ей можно пренебречь относительно радиусов R1 и R2 сферических поверхностей линзы и расстояния объекта до линзы.
Оптический центр линзы – это вершины сферических плоскостей, которые расположены в тонкой линзе на максимально близком расстоянии друг от друга. В силу их близости подразумевают одну точку.
Прямая линия, которая проходит через центры сферических поверхностей, называется главной оптической осью. Любая другая линия, пересекающая оптический центр, называется побочной оптической осью.
Теперь, когда мы разобрались с устройством линзы, можно поговорить об особенностях оптических законов света в ней. Главная оптическая ось тонкой линзы направлена через оптический центр. Следовательно, луч света, траектория которого совпадает с главной оптической осью не меняет своего направления, а лишь смещается. Но, к счастью, этим перемещением можно пренебречь.
Изображение в линзе
Линза и зеркало используются для одинаковых целей – для получения изображения источника света. Соответственно, они имеют одинаковые принципы работы. Действительно, свет, который попадает на линзу преломляется, а затем заново собирается в одну точку, создавая изображение. Важно отметить, что создание изображения не зависит от части линзы, через которую прошли световые пучки.
Меняя линзы и дальность источника света можно получать разные изображения. Так, например, если преломлённые лучи сходятся в одну точку, то говорят о действительном изображении. Но, если прошедшие пучки расходятся, то получается мнимое изображение.
Что такое собирающая линза
Линзы изготавливаются из стекла. Соответственно, мы имеем аналогию с переходом света в средах «воздух-стекло». Так выпуклые линзы в воздухе создают действительное изображение, то есть являются собирающими.
Линзу можно представить как совокупность стеклянных призм, которые, как мы помним, отклоняют попадающие на ребро лучи к основанию. Вернёмся к линзе. В ней все лучи примыкают к главной оптической оси. Если пучки прошли через линзу параллельно главной оптической оси, то на момент выхода из неё они соберутся в одной точке, называемой фокусом линзы (а).
Если развернуть систему и направить пучки в обратную сторону (б), то и они тоже сойдутся только в другом главном фокусе. Получается, что у линзы есть два фокуса. Они располагаются на одинаковых расстояниях по обе стороны от линзы. Отрезок, связывающий фокусы и оптический центр линзы называется фокусным расстоянием линзы.
Возьмём ту же линзу и направим на неё три параллельных пучка света от источника под некоторым углом к главной оптической оси линзы. Зафиксируем, что объединения лучей в фокусе не произошло. Точка, в которой собрались все три пучка находится в перпендикулярной к главной оптической оси плоскости и проходит через главный фокус. Плоскость, в котором находится эта точка, называется фокальной плоскостью.
Установим светящуюся точку в фокусе линзы и получим параллельные друг другу преломлённые лучи. Теперь сместим источник света и станем свидетелями сходящихся за линзой лучей, которые создают действительное изображение. И, наоборот, если мы приблизим источник, то преломлённые лучи разойдутся и мы увидим мнимое изображение.
Рассеивающая линза
Возьмём вогнутую линзу и поместим её в оптически менее плотную среду (относительно её материала). Такая линза будет рассеивающей. Если направить на неё световые пучки, параллельные главной оптической оси, то мы не найдём единой точки пересечения. Лишь продолжения лучей пересекутся в главном фокусе рассеивающей линзы. Такая картинка говорит о наличии мнимого фокуса.
Определение оптической силы линзы
Существует величина, обратная фокусному расстоянию: D= ±1/F. Она называется оптической силой линзы. D>0 в случае, если линза собирающая, а оптическая сила D
Жидкая линза — будущее мобильной фотографии. И вот почему
Прошло всего несколько дней с тех пор, как Xiaomi выкатила первый в своей истории складной телефон Mi Mix Fold. Больше всего в новостях говорили о том, что это именно складное устройство, но есть у него одна особенность, которую многие пропустили мимо ушей. В новинке применена очень интересная технология камеры — жидкая линза. Звучит как какая-то ерунда или просто маркетинг, вроде ”жидкого металла” от Apple, который вполне себе обычный. Уверен, что многие или не слышали про такую технологию, или просто не до конца поняли, что она может стать революцией в мобильной фотографии, и почему так произойдет. А главное — технология уже применяется в реальных продуктах, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Так что нам в итоге даст эта жидкая линза?
Жидкая линза это уже не фантастика, а реальность.
Что такое жидкая линза
Xiaomi утверждает, что Mi Mix Fold является первым случаем применения новой технологии камеры в мире. Проще говоря, до нее так никто не делал. Как видно из названия, в Liquid Lens есть какая-то жидкость. Это указывает на то, что мы говорим о линзе, которая является как минимум гибкой по своей природе.
В природе такая технология применяется уже миллионы лет и встречается в человеческом (и не только) глазе. Новинка фактически имитирует бионику органов зрения. Конструкция представляет собой прозрачную жидкость, заключенную в не менее прозрачную пленку. Это и есть основное отличие от привычных нам стеклянных линз (или пластиковых), которые мы привыкли видеть в современных устройствах.
Сейчас камера выглядит так, но многое может поменяться.
Для того, чтобы линза помогала камере фокусироваться на разном расстоянии, она может менять свою форму, а следовательно, и оптические свойства. В движение она приводится небольшим, но очень точным мотором. В случае с Xiaomi Mi Mix Fold компания уверяет, что он сделан по ее собственной технологии. В итоге камера может покрывать почти все сценарии использования — от 3-кратного до 30-кратного зума и при этом фокусироваться на расстоянии 3 сантиметров.
Как сделать камеру лучше
В итоге мы получаем не просто очередное дежурное улучшение камеры, а полноценный рывок вперед. Одна такая конструкция может заменить сразу несколько модулей на камере телефона, а в оставшихся уменьшить количество оптических элементов. В итоге сокращение числа сенсоров позволит сделать цену смартфона ниже, а упрощение конструкции потенциально может уменьшить выпирание камеры или и вовсе сделать ее совсем ровной. Лично для меня этого уже достаточно для того, чтобы поддержать данную разработку.
Xiaomi также утверждает, что эта технология более долговечна, чем традиционные линзы. Однако она не говорит о том, сколько стоит такой модуль в производстве. Мы понимаем, что если он будет очень дорогим и увеличит цену смартфона в два раза, то никакого смысла в нововведении нет. При этом любая технология сейчас довольно быстро дешевеет, и поэтому мы можем рассчитывать, что высокая цена (даже если она будет) не сохранится надолго.
«Жидкая линза» — звучит так, что она может вытечь. Но этого не случится. А еще она не замерзнет.
Другие производители без сомнения тоже будут проявлять интерес к новой камере. Более того, уже ходят слухи, что новый Huawei P50, который должен появиться уже довольно скоро, получит именно такой модуль. Около года назад компания даже подала патент на камеру с использованием таких линз.
OnePlus тоже выразила свой интерес к применению нового типа оптики для камер своих будущих смартфонов. Сделала она это сразу после того, как представила новый OnePlus 9 и 9 Pro с камерой Hasselblad. Скорее всего, революционной будет юбилейная модель следующего года — OnePlus 10.
Утечка показала, как будет выглядеть очень необычная камера Huawei P50.
Существующие приборы с жидкой линзой
Я так позитивно рассказал о новой камере и ее жидкой линзе, что вы могли забыть о том, с чего я начал. В самом начале я сказал, что технология жидких линз уже применяется на практике и есть приборы в нашем повседневном быте, которые работают с такой технологией. Не читая дальше, сможете угадать, о чем идет речь?
Xiaomi может сделать большой упор на эту технологию. Надеюсь, и другие производители подтянутся.
Жидкие линзы применяются в промышленных и портативных сканерах штрих-кодов и QR. В этой сфере нет необходимости делать оптический элемент микроскопическим и как-то идеально точно передавать детали изображения, включая цвета. Зато есть потребность в моментальной фокусировке и именно жидкие линзы дают прибору эту возможность. Они настраивают резкость в 5-10 раз быстрее традиционных оптических систем.
Компания Corning, которую мы знаем в основном по ее стеклу Gorilla Glass (большую историю этого бренда мы рассказывали ранее), уже много лет производит жидкие линзы Varioptic для промышленного сектора. Среди основных преимуществ конструкции компания приводит следующие.
Преимущества жидких линз
Вместе с Xiaomi, OnePlus и Huawei (как минимум) мы переходим на новый виток развития технологий мобильной камеры. Лично я очень рад тому, что мы перестаем бесконечно дробить пиксели и постоянно наращивать разрешение, а получаем что-то действительно удобное. Возможно, благодаря новым свойствам оптического модуля можно будет увеличить и размер матрицы, не меняя габаритов фотомодуля в целом. Это тоже исключительно положительно скажется на качестве фотографий. А еще новинка может избавить нас от необходимости использования оптического стабилизатора, у которого есть как плюсы, так и минусы.
Когда появятся смарты с жидкими линзами
Единственное, что нужно знать, это то, можно ли действительно построить жидкие линзы рентабельным способом. Возможно, еще рано так оптимистично смотреть в будущее этой технологии, но если она уже появляется во флагманах, то вопрос перехода в более доступный сегмент лишь дело пары лет.
А что вы думаете по поводу новой технологии и возможностей ее применения? Вы согласны с тем, что это действительно куда более важное изменения принципов работы камеры, чем очередное увеличение разрешения или никому ненужный 100х зум?