ما هو مفهوم العدسات في الفيزياء؟
يمكن تعريف العدسة بأنها قطعة من الزجاج أو مادة شفافة أخرى، تُستخدم لتشكيل صورة لكائن عن طريق تركيز أشعة الضوء من الكائن، والعدسة عبارة عن قطعة من مادة شفافة، عادة ما تكون دائرية الشكل ذات سطحين مصقولين، أحدهما أو كلاهما منحني وقد يكون إما محدب (منتفخ) أو مقعر (منخفض).
تكون المنحنيات دائمًا تقريبًا كروية؛ أي أن نصف قطر الانحناء ثابت، وتتمتع العدسة بخاصية قيّمة تتمثل في تكوين صور للأشياء الموجودة في الجزء الأمامي منها، حيث تُستخدم العدسات الفردية في النظارات، العدسات اللاصقة، مكبرات الجيب، مكثفات الإسقاط، أضواء الإشارة، محددات الرؤية، وكاميرات الصندوق البسيط.
غالبًا ما يتم دمج عدد من العدسات المصنوعة من مواد مختلفة معًا كعدسة مركبة في أنبوب للسماح بتصحيح الانحرافات، إذ تُستخدم العدسات المركبة في أدوات مثل الكاميرات والمجاهر والتلسكوبات.
المبادئ التي تعمل بها العدسات:
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؛ حيث كلا السطحين منحنيان أو أحدهما منحني والآخر مستوي، ويمكن تصنيف العدسات وفقًا لسطوحها على أنها ثنائية الوجه، مستوية محدبة، محدبة مقعرة (متقاربة الغضروف المفصلي)، مقعرة ثنائية التحدب، مقعر مستوي، مقعر 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 انكسار أشعة الضوء المنعكس من أو المنبعث من جسم ما في تكوين صورة بصرية للكائن، بحيث قد تكون هذه الصورة إما حقيقية، ويمكن تصويرها أو مرئية على الشاشة – أو افتراضية – مرئية فقط عند النظر إلى العدسة، كما هو الحال في المجهر، وقد تكون الصورة أكبر أو أصغر بكثير من الكائن، اعتمادًا على البعد البؤري للعدسة وعلى المسافة بين العدسة والجسم.
الطول البؤري للعدسة هو 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؛ هذا 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، إذ تعتمد قوة الحل على مدى جودة تصحيح الانحرافات المختلفة في نظام العدسة.
أنواع العدسات:
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، وفي العواكس وأنواع أخرى من التلسكوبات الفلكية، تُستخدم المرايا المقعرة للهدف بدلاً من العدسات.
هناك أنواع مختلفة من العدسات، وتختلف العدسات عن بعضها البعض من حيث شكلها والمواد التي صنعت منها، إن العدسات المتماثلة عبر محورها الأفقي – المعروف باسم المحور الرئيسي تصنف العدسات على أنها عدسات متقاربة وعدسات متباينة، حيث إن العدسة المتقاربة هي العدسة التي تقرب أشعة الضوء التي تسير بالتوازي مع محورها الرئيسي.
يمكن التعرف على العدسات المتقاربة من خلال شكلها؛ فهي سميكة نسبيًا عبر الوسط ورقيقة عند الحواف العلوية والسفلية، أما العدسة المتباعدة فهي العدسة التي تشعب أشعة الضوء التي تسير بالتوازي مع محورها الرئيسي، ويمكن أيضًا تحديد العدسات المتباينة من خلال شكلها؛ فهي رقيقة نسبيًا عبر منتصفها وسميكة عند حوافها العلوية والسفلية.
العدسة المحدبة المزدوجة متماثلة عبر محورها الأفقي والرأسي، إذ يمكن اعتبار كل وجه من وجهي العدسة على أنهما في الأصل جزء من كرة، وحقيقة أن العدسة المحدبة المزدوجة أكثر سمكًا عبر منتصفها هي مؤشر على أنها ستلتقي أشعة الضوء التي تسير بالتوازي مع محورها الرئيسي.
العدسة المحدبة المزدوجة هي عدسة متقاربة، والعدسة المقعرة المزدوجة متناظرة أيضًا عبر محورها الأفقي والرأسي، إذ يمكن اعتبار وجهي العدسة المقعرة المزدوجة على أنهما في الأصل جزء من كرة.
حقيقة أن العدسة المقعرة المزدوجة أرق عبر منتصفها هي مؤشر على أنها ستشتت أشعة الضوء التي تسير بالتوازي مع محورها الرئيسي، والعدسة المقعرة المزدوجة هي عدسة متباعدة، هذان النوعان من العدسات – العدسة المحدبة المزدوجة والعدسة المقعرة المزدوجة ستكون الأنواع الرئيسية من العدسات.
البعد البؤري:
إذا كان يُعتقد أن العدسة المتماثلة هي شريحة من كرة، فسيكون هناك خط يمر عبر مركز الكرة ويلتصق بالمرآة في مركز العدسة بالضبط، ويُعرف هذا الخط التخيلي بالمحور الرئيسي، إذ تحتوي العدسة أيضًا على محور عمودي وهمي يقسم العدسة المتماثلة إلى نصفين.
إن أشعة الضوء الساقطة باتجاه أي من وجهي العدسة والسفر بالتوازي مع المحور الرئيسي سوف تتقارب أو تتباعد، إذا تقاربت أشعة الضوء (كما في العدسة المتقاربة)، فسوف تتقارب إلى نقطة، حيث تُعرف هذه النقطة بالنقطة المحورية للعدسة المتقاربة، أما إذا تباعدت أشعة الضوء (كما هو الحال في عدسة متباينة)، فيمكن تتبع الأشعة المتباعدة للخلف حتى تتقاطع عند نقطة ما، حيث تُعرف نقطة التقاطع هذه بالنقطة المحورية لعدسة متباينة.
يتم الإشارة إلى النقطة المحورية بالحرف F، ويلاحظ أن كل عدسة لها نقطتا تركيز – واحدة على كل جانب من جوانب العدسة، وذلك على عكس المرايا، يمكن أن تسمح العدسات للضوء بالمرور عبر أي من الوجهين، اعتمادًا على المكان الذي تأتي منه الأشعة الساقطة.
بعد ذلك، تحتوي كل عدسة على نقطتي تنسيق محتملتين، وتُعرف المسافة من المرآة إلى النقطة البؤرية بالبعد البؤري (يُختصر بـ f)، ومن الناحية الفنية، لا تحتوي العدسة على مركز انحناء ومع ذلك، تحتوي العدسة على نقطة تخيلية نشير إليها على أنها النقطة 2F، هذه هي النقطة الموجودة على المحور الرئيسي والتي تبعد ضعف المسافة عن المحور الرأسي مثل النقطة المحورية.
العدسة هي مجرد قطعة أرضي أو مصبوبة بعناية من مادة شفافة تنكسر أشعة الضوء بطريقة تشكل صورة، ويمكن اعتبار العدسات على أنها سلسلة من موشورات الانكسار الصغيرة، كل منها ينكسر الضوء لإنتاج صورته الخاصة، وعندما تعمل هذه المناشير معًا، فإنها تنتج صورة ساطعة مركزة على نقطة.
يوفر مقاعد البدلاء التفاعلية مقعدًا بصريًا افتراضيًا لاستكشاف الصور التي تشكلها المرايا والعدسات، حيث يمكن تعديل ارتفاع الكائن (إما شمعة أو سهم أو مجموعة من الأحرف) بسهولة، ويمكن أيضًا تغيير البعد البؤري للمرآة أو العدسة، إذ يمكن للمتعلمين سحب الكائن للخلف وللأمام على طول المحور الرئيسي وملاحظة كيف يتغير هذا الموضع والحجم والاتجاه للصورة، وقيم مسافات وارتفاعات الكائن والصورة متدرجة في المحاكاة ويتم تحديثها في الوقت الفعلي.
