ما هي العدسات في الفيزياء

ما هو مفهوم العدسات ؟

تعرف العدسة في البصريات بأنها قطعة من الزجاج أو مادة شفافة أخرى، تُستخدم لتشكيل صورة لكائن عن طريق تركيز أشعة الضوء من الكائن، حيث أن العدسة هي قطعة من مادة شفافة وعادة ما تكون دائرية الشكل بسطحين مصقولين، أحدهما أو كلاهما منحني وقد يكون إما محدب (منتفخ) أو مقعر (منخفض).

تكون المنحنيات دائمًا تقريبًا كروية؛ أي أن نصف قطر الانحناء ثابت و للعدسة خاصية قيّمة في تكوين صور للأشياء الموجودة في الجزء الأمامي منها، كما وتُستخدم العدسات المفردة في النظارات والعدسات اللاصقة ومكبرات الجيب ومكثفات الإسقاط وأضواء الإشارة ومحددات الرؤية وكاميرات الصندوق البسيط.

غالبًا ما يتم دمج عدد من العدسات المصنوعة من مواد مختلفة معًا كعدسة مركبة في أنبوب للسماح بتصحيح الانحرافات، حيث تُستخدم العدسات المركبة في أدوات مثل الكاميرات والمجاهر والتلسكوبات.

المبادىء البصرية للعدسات:

تنتج العدسة تأثير تركيزها لأن الضوء ينتقل في العدسة بشكل أبطأ منه في الهواء المحيط، لذلك يحدث الانكسار، وهو انحناء مفاجئ لحزمة الضوء في كل من المكان الذي يدخل فيه الحزمة إلى العدسة ويخرج من العدسة في الهواء.

تحتوي العدسة الواحدة على سطحين متقابلين منتظمين بدقة؛ بحيث أن كلا السطحين منحنيان أو أحدهما منحني والآخر مستوي، يمكن تصنيف العدسات وفقًا لسطوحها على أنها ثنائية الوجه، مستوية محدبة، محدبة مقعرة (متقاربة الغضروف المفصلي)، مقعرة ثنائية التحدب، مقعر مستوي ومقعر محدب (هلالة متباعدة) بسبب انحناء أسطح العدسة.

تنكسر الأشعة المختلفة لحزمة الضوء الساقط من خلال زوايا مختلفة، بحيث يمكن أن تتلاقى الحزمة الكاملة من الأشعة المتوازية أو تبدو وكأنها تنحرف عن نقطة واحدة وتسمى هذه النقطة بالنقطة المحورية أو التركيز الرئيسي للعدسة (غالبًا ما يتم تصويرها في الرسوم البيانية الشعاعية على أنها F).

يتسبب انكسارأشعة الضوء المنعكس أو المنبعث من جسم ما في تكوين صورة بصرية للكائن، وقد تكون هذه الصورة إما حقيقية – يمكن تصويرها أو مرئية على الشاشة – أو افتراضية – مرئية فقط عند النظر إلى العدسة، كما هو الحال في المجهر، كما وقد تكون الصورة أكبر أو أصغر بكثير من الكائن، اعتمادًا على البعد البؤري للعدسة وعلى المسافة بين العدسة والجسم.

يعرف الطول البؤري للعدسة بأنه المسافة من مركز العدسة إلى النقطة التي تتشكل فيها صورة كائن بعيد، وتشكل العدسة طويلة البؤرة صورة أكبر لجسم بعيد، بينما تشكل العدسة ذات التركيز القصير صورة صغيرة.

عادة لا تكون الصورة المكونة بعدسة واحدة جيدة بما يكفي لعمل دقيق في مجالات مثل علم الفلك والفحص المجهري والتصوير؛ وهذا لأن مخروط الأشعة المنبعث من نقطة واحدة في جسم بعيد لا يتحد في نقطة مثالية بواسطة العدسة ولكنه يشكل بدلاً من ذلك بقعة صغيرة من الضوء.

تُعرف هذه العيوب وغيرها من العيوب الفطرية في صورة العدسة لنقطة جسم واحدة بالزيغ، ولتصحيح مثل هذه الانحرافات، غالبًا ما يكون من الضروري الجمع بين عدة عناصر عدسة واحدة (عدسات مفردة)، بعضها قد يكون محدبًا وبعضها مقعر، وبعضها مصنوع من زجاج كثيف عالي الانكسار أو عالي التشتت، والبعض الآخر مصنوع من زجاج منخفض – زجاج عاكس أو منخفض التشتت.

يمكن لصق عناصر العدسة معًا أو تركيبها عند فواصل محسوبة بعناية لتصحيح انحرافات العناصر الفردية والحصول على صورة ذات حدة مقبولة، ويضمن التثبيت الدقيق أيضًا أن جميع العدسات تتمركز بشكل صحيح؛ أي أن مراكز الانحناء لجميع أسطح العدسة تقع على خط مستقيم واحد يسمى المحور الرئيسي للعدسة.

المقياس المستخدم بشكل متكرر لجودة أي نظام عدسات هو قدرته على تكوين صورة حادة بما يكفي لفصل أو حل نقطتين أو خطين قريبين جدًا في كائن ما، وتعتمد قوة الحل على مدى جودة تصحيح الانحرافات المختلفة في نظام العدسة.

أبسط عدسة مركبة هي عبارة عن تركيبة رقيقة مثبتة من عدستين فرديتين، مثل تلك المستخدمة في الهدف (العدسة الأقرب للجسم) لتلسكوب انكسار صغير، وقد تحتوي أهداف المجهر على ما يصل إلى ثمانية أو تسعة عناصر، وبعضها قد يكون مصنوعًا من مواد مختلفة من أجل جلب جميع ألوان الضوء إلى بؤرة عامة، وبالتالي منع الانحراف اللوني.

قد تحتوي العدسات الموضوعية المستخدمة في الكاميرات من عنصرين إلى 10 عناصر، في حين أن ما يسمى بالزوم أو العدسة ذات البعد البؤري المتغير قد تحتوي على ما يصل إلى 18 أو 20 عنصرًا في عدة مجموعات، ويمكن تحريك المجموعات المختلفة على طول المحور بواسطة رافعات أو الكاميرات من أجل إحداث التغيير المطلوب في البعد البؤري دون تغيير المستوى البؤري.

تختلف العدسات أيضًا اختلافًا كبيرًا في القطر، من صغيرة مثل 0.16 سم (1/16 بوصة) لعنصر في مجهر موضوعي إلى حجم يصل إلى 100 سم (40 بوصة) لهدف تلسكوب فلكي، أما في العواكس وأنواع أخرى من التلسكوبات الفلكية، تُستخدم المرايا المقعرة للهدف بدلاً من العدسات.

الفرق بين العدسات والمرايا:

أكثر الاختلافات وضوحًا بين المرايا والعدسات هي:

• تعكس المرايا أشعة الضوء (يرتد الضوء إلى الخلف) بينما تنكسر أشعة الضوء (تمر عبر) عبر العدسة بحيث سيكون للمرآة نقطة بؤرية واحدة فقط أمام المرآة، بينما تحتوي العدسة على نقطتي تركيز على كلا الجانبين.
  
• المرآة عبارة عن سطح زجاجي مع دعامة فضية تنتج صورة من خلال الانعكاس ، أما العدسة هي مادة شفافة من الزجاج أو البلاستيك، مرتبطة بسطحين، سطح واحد على الأقل منحني.
  
• المرآة يمكن أن تكون إما مستوية أو منحنية اما العدسة عادة ما تكون منحنية.
  
• مبدأ عمل المرآة هو قانون الانعكاس لكن مبدأ عمل المرآة هو قانون الانكسار.
  

ما هي أنواع العدسات؟

يعتمد تصنيف العدسة على كيفية انحناء أشعة الضوء عند مرورها عبر العدسة، النوعان الرئيسيان من العدسات هما: عدسة محدبة (متقاربة) وعدسة مقعرة (متباعدة).

العدسات المحدبة سميكة في المنتصف وأرق عند الحواف بينما العدسة المقعرة مسطحة في المنتصف وأسمك عند الحواف كما وتُعرف العدسة المحدبة أيضًا بالعدسة المتقاربة، حيث تنحني أشعة الضوء للداخل وتتقارب عند نقطة تُعرف بالبعد البؤري، ومن ناحية أخرى تُعرف العدسة المقعرة أيضًا باسم العدسة المتباعدة؛ لأنها تنحني أشعة الضوء المتوازية للخارج وتبتعد عنها عند النقطة المحورية.

العدسة البسيطة والعدسة المركبة هما تصنيفان للعدسات، وتختلف العدسات البسيطة عن العدسات المركبة بناءً على سطح انحناءها، أما العدسات المركبة هي تلك المصنوعة من مجموعة عدسات بسيطة مختلفة، وقد تحتوي أنواع العدسات المستخدمة لبناء عدسة مركبة على مؤشرات انكسار مختلفة وخصائص أخرى، كما يتم وضع العدسات بحيث تقع على محور واحد، ويتم حساب خصائص مثل الطول البؤري مرة أخرى للعدسة المركبة الجديدة.

هناك أيضا أنواع من العدسات الأخرى هي: اسطواني انحناء في اتجاه واحد، فرينل سطح ضيق يشبه الحلقة، عدسي مجموعة من العدسات الدقيقة، مؤشر التدرج أسطح مستوية ولكن بمؤشرات انكسار مختلفة، اكسيكون سطح مخروطي.