تحقیق در مورد عدسی

عدسی ها

مقدمه
عدسیها همانند آینه‌ها دارای تصاویر حقیقی و مجازی هستند، این تصاویر از پرتوهای همگرا شونده و واگرا شونده بازتابی ایجاد می‌شود. بر خلاف آینه‌ها در عدسیها عبور نور نیز مطرح است و تصاویر ممکن است در پشت و جلوی عدسی شکل گیرد. عدسیهایی که ضخامت قسمتهای کناریش بزرگتر باشد، پرتوهای موازی را همگرا می‌کند و عدسی محدب نام دارد، که دارای فاصله کانونی مثبت می‌باشد.

بر خلاف آینه‌ها دارای دو کانون در فضاهای جلو و پشت عدسی می‌باشند، عدسیهایی که ضخامت قسمت محوری آنها کمتر از ضخامت قسمت کناری باشد، پرتوهای موازی را از هم باز می‌کنند و دارای فاصله کانونی منفی هستند و عدسی مقعر نام دارند، که اینها نیز دارای دو کانونی در فضای جسم وتصویر هستند.

انواع عدسی‌ها
عدسی محدب (کوژ )
عدسیهایی که نور را همگرا می‌کنند و جهت تصویر سازی حقیقی و نیز همگرا نمودن پرتوهای تابشی از نقاط دور مانند پرتوهای ستارگان مورد استفاده قرار می‌گیرند.

عدسی مقعر ( کاو )
این عدسیها نور را واگرا می‌کنند و جهت واگرا نمودن نورها و اصلاح برخی سیستمها که نیاز به واگرایی نور را دارد از جمله چشم مورد استفاده واقع می‌شوند.
قواعد نحوه رسم پرتو در عدسیها

اکثر قواعد همانند آینه‌هاست و در حالت کلی عمده‌ترین آنها که پرتوهای خاصی را شامل می‌شود عبارتند از :
پرتو موازی با محور نوری بعد از برخورد به عدسی و عبور از آن، از نقطه کانون می‌گذرد که فاصله آن از رأس عدسی f است.
پرتوهای عبوری از کانون عدسی بعد از شکست در آن به موازات محور نوری خواهد بود.
پرتو نوری از رأس عدسی بدون شکست از آن رد می‌شود.

همواره شیئی نوری در سمت چپ عدسی قرار داده می‌شود و نور از چپ به راست بر عدسی می‌تابد و در عدسی‌ها برعکس آینه‌ها ردیابی پرتویی ( ترسیم پرتو ) برای نور عبوری( شکستنی) صورت می‌گیرد.

فضای سمت چپ عدسی فضای جسم و فضای سمت راست عدسی فضای تصویر می‌باشد که جسم موجود در سمت چپ ( فضای جسم ) را جسم حقیقی و جسم موجود در سمت راست (فضای تصویر ) را جسم مجازی گویند. که وجود خارجی ندارد و نیز تصویر حقیقی و تصویر در فضای جسم مجازی می‌باشد.
عدسی‌های مرکب

عدسی کوژ – تخت آنچنان عدسی است که یک طرف آن کوژ و یک طرف آن تخت می‌باشد.
عدسی دو کوژ : آنچنان عدسی است که هر دو طرف آن کوژ می‌باشد.

عدسی هلالی ( محدب ) : آنچنان عدسی است که یک‌یک طرف آن کوژ و طرف دیگرش کاو باشد.
عدسی تخت – کاو : آنچنان عدسی است که یک طرف آن کاو و طرف دیگرش تخت باشد.

عدسی دو کاو : آنچنان عدسی است که هر دو طرف آن کاو باشد.
عدسی هلالی ( مقعر ) : آنچنان عسی است که یک طرف آن کوژ و طرف دیگر آن کاو باشد.
عدسی‌های هلالی دو نوعند، یکی آن است که کناره‌هایش نازک و مرکزش ضخیم است و دیگری دارای کناده‌های ضخیم و مرکز نازکی می‌باشد، یعنی اولی خواصیت همگرایی و دومی خاصیت واگرایی نور را دارد.

دستگاه‌های نوری شامل عدسی‌ها
اکثر دستگاه‌های نور یشامل دو نوع عدسی می‌باشند که یکی را که نور اول بر آن می‌تابد و در ورودی دستگاه کار گذاشته می‌شود عدسی شیئی و دومی را که در خروجی دستگاه قرار دارد و نور از آن خارج می‌شود عدسی چشمی کویند. از جمله از این دستگاهها میکوسکوپ نوری – زیردریایی – میکروسکوپ پلاریزان – دوربینهای دو چشمی – دوربینها – انواع عینکها و … را می‌توان نام برد.

عیوب عدسیها
عدسیها به لحاظ داشتن ضخامت زیاد و ناخالصیها دارای ابیراهیهایی هستند که در سیستم اعوجاج ایجاد می‌کنند و وضوح تصویر حاصل از دستگاه نوری را به هم می‌زنند. از جمله از این ابیراهیها عبارتند از :
ابیراهی رنگی علاوه از بهم زدن وضوح و کیفیت تصویر رنگ آنرا هم بهم می‌زند و تا حدی آن را از حالت طبیعی خارج می‌کند که اینها هم به دو دسته ابیراهی رنگی طولی و عرضی تقسیم می‌شوند.

ابیراهی اعوجاج : تصویر هندسه واقعی خود را پیدا نمی‌کند و قسمتهای مختلف عدسی که دارای ضخامتهای متفاوتی است، در میزان انحراف پرتوهای تابشی به یک مقدار عمل نمی‌کند و انحراف یکنواخت نبوده و تصویر از وضوح می‌افتد، که این ابیراهی نیز به دسته اعوجاج بشکه‌ای و اعوجاج بالشی تقسیم می‌شود. برخی ابیراهیهای دیگری مانند ابیراهی کروی که انحراف پرتو از کانون عدسی را سبب می‌شود، وجود دارند که بوسیله ساخت عدسیهای مرکب با هندسه ویژه این ابیراهیها اصلاح می‌شوند.

عدسیهای غیر کروی
برخی دستگاههای اپتیکی به لحاظ محدودیت در طراحی و سایر محدودیتها و ماهیت دستگاه عدسیهای غیر کروی را لازم دارند که جهت ایفای نقش در آن سیستمها ساخته شده‌اند.

مشخصات تصویر در عدسی
بسته به اینکه جسم در چه فاصله‌ای از عدسی قرار گیرد دارای تصویری حقیقی یا مجازی، مستقیم یا وارون، راست یا برگردان، کوچکتر از جسم یا بزرگتر از آن و … خواهد بود رابطه حاکم بر فواصل جسم و تصویر عدسی نازک و فاصله کانونی آن بصورت زیر است :
f = 1/ ( 1/p + 1/q )

که برای عدسی خیلی نازک ( f = R/2 ) است، که در آن R شعاع کره دیوپتر عدسی و P فاصله جسم از رأس و q فاصله تصویر از رأس عدسی می‌باشد. برای یک عدسی ضخیم :
f = 1/( n – ۱ ) ( ۱/R1 – ۱/R2 )
که R1 شعاع دیوپتر داخلی و کوچک و R2 شعاع دیوپتر خارجی ( بزرگ ) و n ضریب شکست شیشه عدسی می‌باشد. این رابطه در طراحی و ساخت عینکهای طبی بکار برده می‌شود، طوری که به توسط این رابطه چشم‌پزشکان نمره چشم را مشخص می‌نمایند. یعنی با داشتن n معلوم و فاصله کانونی مورد نیاز برای چشم بیمار شعاعهای داخلی و خارجی عدسی را متناسب با فاصله کانونی مناسب انتخاب می‌کنند تا اصلاح چشم توسط عینک مربوطه صورت گیرد، رابطه اخیر به فرمول عینک‌سازان معروف است.

بسیاری از افراد به همراه نزدیک‌بینی درجاتی از آستیگماتیسم یا حالت بیضی بودن قرینه را دانرد. آستیگماتیسم وقتی ایجاد می‌شود که قرینه شبیه مقطعی از توپ بیس‌بال است تا توپ بسکتبال. در نتیجه تصاویر بدلیل انکسار نامساوی در قسمتهای مختلف قرنیه کاملاً بر روی شبکیه متمرکز نمی‌شوند و تصاویر و چه نزدیک تار می‌شوند بنابراین افرادی که دچار درجات بالایی از آستیگماتیسم هستند نه تنها همانند افراد نزدیک‌بین اشیای دور را تار می‌بینند، بلکه اشیای نزدیک را هم تار می‌بینند.

اندازه‌گیری آستیگماتیسم نیز بر اساس دیوپتر است. آستیگماتیسم بصورت زیر طبقه‌بندی می‌شود :
آستیگماتیسم خفیف : کمتر از یک دیوپتر
آستیگماتیسم متوسط : یک تا دو دیوپتر
آستیگماتیسم شدید : دو تا دیوپتر
آستیگماتیسم بسیار شدید : بیش از سه دیوپتر
آستیگماتیسم انواع مختلفی دارد و می‌تواند به تنهایی، همراه با نزدیک بینی یا دور بینی وجود داشته باشد.
شکست ( نور )

پدیده دومی که علاوه‌بر بازتاب در دستگاههای نوری مهم می‌باشد شکست هست.
آیا از خود پرسیدید که چرا وقتی چوبی را وارد آب استخر می‌کنیم از بیرون کج دیده می‌شود؟
پرتوهایی که از یک عدسی می‌گذرد از مسیر اولیه‌اش منحرف می‌شود؟

تیری را که از پشت شیشه‌ای به یک نقطه‌ای هدف‌گیری کنیم، به هدف نمی‌خورد؟ و …
در سیستم‌های نوری در برخی ساختارها حضور شکست مفید است ودر برخی از سیستمها ایجاد مزاحمت ( مثلاً اعوجاج ) و … می‌نماید . در منشورها این شکست نور است که با انحراف از مسیر اولیه نور سفید را به ما می‌‍دهد و …

نورهای اجسام خارجی که توسط عدسی خود چشم وبرای چشم‌های بیمار با همکاری عینک‌ها روی شبکیه چشم جمع می‌شوند وتشکیل تصویر می‌دهند.
این تغییر امتداد مسیر پرتوها در عینک وعدسی چشم همان پدیده شکست است.
چون تمام سطح کوچک تخت و کروی با هندسه معین می شوند. ما نیز سطوح اپتیکی سیستم‌ها را به این دو سطح محدود می‌کنیم.
شکست در سطوح تخت

شکست نور در شیشه ( تیغه نازک ) را بررسی می‌کنیم : وقتی نور به شیشه می‌تابد چون طرفین آن هوا ( یا محیطی ) با جنس یکسان است. مثلاً طرفین تیغه شیشه‌ای هوا در سطح اول مقداری منحرف می شود این شکست اولیه یک جابه‌جایی داخلی را برای این نور سبب می‌شود و در سطح دوم دوباره یک شکست دیگری پیدا کرده و امتداد خود را می‌یابد.
پدیده شکست در مرز مشترک محیط‌ها از قانون اسنل تبعیت می‌کند.
n1 sin (i) = n2 sin (r)

شکست در سطوح کروی
در سیستم‌های نوری با اجزای نوری همچون اینه‌ها، عدسی‌ها، منشورها و … قوانین اسنل مربوط به شکست و انعکاس مسیر پرتو را می‌دهد اگر سطح کروی ما یک دیوپتریهای کروی ( سطح شکست کروی ) باشد که دو محیط با جنس‌های مختلف نوری را از هم جدا می‌کند، باشد. مثلاً از یک ستاره‌ای در بینهایت نور به یک دیوپتر کروی بتابد، هم در بی‌نهایت است.

و پرتوهای تابش موازی هم می‌آیند و موازی محور اصلی دیوپتر به قسمت‌های مختلف آن می‌خورند و بعد از شکست در دیوپتر خود یا امتدادهایشان از کانون دیوپتر عبور می‌کنند که محل تقاطع نقطه منفردی است و نیز شکست دو مرحله‌ای منشورها که طیف سالم و دقیق نور سفید را ایجاد می‌کنند.

شکست دو مرحله‌ای
در تیغه‌های متوازی‌السطوح و کلاً شیشه‌های ( دیوپترهای ) با ضخامت معین شکست در سطح اول و شکست در سطح دوم داریم برای تیغه متوازی‌السطوح همانند شیشه نازک ساده فقط یک جابه‌جایی داخلی برای پرتو اتفاق می‌افتد اما برای منشورها و غیره علاوه از جابه‌جایی داخلی امتداد پرتو نیز عوض می‌شود دیوپترهای ضخیم نیز همین حالت را دارند.
در ساختمان طیف سنج‌های نوری در ذات منشورها حضور دارند در مسافت‌یاب منشوری یافت می شوند در دستگاه‌های رادیولوژی جهت جابه‌جایی داخلی کاربرد دارند در ساختمان موجبر نوری در تداخل سنج‌ها در برخی سیستم‌های اندازه‌گیری سرعت نور این پدیده به عنوان مکانیزم دستگاه عمل می‌کند، و …
مباحث مرتبط با عنوان
ضریب شکست ( محیط‌های

همگن )
پدیده‌های روزمره شکست
مشاهدات تجربی و آزمایشات نوری نشان می‌دهد که وقتی نور از یک محیط بر محیطی متفاوت از اولی می‌تابد مسیر اولی خودش را دنبال نمی‌کند :
اگر در کنار استخر آب بایستید قامت خود را در آب کج می‌بینید، اگر یک نی را وارد یک لیوان آب بکنید و از بیرون به داخل لیوان نگاه کنید نی را خم شده حس می‌کنید.
درختان کنار رودخانه در داخل آب تصویر کجی دارند.
غواص‌های داخل آب باید از شکسته شدن مسیر نور در بین محیط‌ها باخبر باشند وال ایستگاه اولیه خود را پیدا نمی‌کنند، و هزاران پدیده دیگر.
چرا شکست اتفاق می‌افتد؟

انتشار نور در محیط‌ها به کمیات فیزیکی محیط‌ها وابسته است وقتی نور از محیطی با گذردهی الکتریکی ( el ) و تراوایی مغناطیسی ( ml ) به محیطی با گذردهی الکتریکی ( e2 ) و تراوایی مغناطیسی ( m2 ) گذر می‌کند با یک کمیات فیزیکی محیطی جدیدی روبرو می‌شوید و سرعت غیر یکسانی در این دو محیط دارد از طرفی تغییرات سرعت هم با کمیات محیط (e,m ) در ارتباط هست هم با کمیت اصلی محیط ضریب شکست ( n ) که از کمیات مهم نوری به حساب می‌آید از محیطی به محیط دیگر تغییر می‌کند بنابراین سرعت و مسیر پرتو نیز تغییر خواهد کرد.
محاسبه الکترومغناطیسی ضریب شکست

در حالت کلی از دید الکترومغناطیسی ( طیف الکترومغناطیسی ) ضریب شکست عبارتست از نبت سرعت نور در خلاء به سرعت نور در آن محیط بنابراین در این رابطه ( n = c/v ) ضریب شکست (n) و با حاصلضرب تراوایی نسبی مغناطیسی ( km ) و ضریب دی‌الکتریک (k) محیط مادی نسبت عکس مجذوری دارد.
اکثر محیط‌های نوری شفاف هستند برای محیط‌های شفاف نوری، خاصیت مغناطیسی چندان مطرح نیست در این صورت ضریب شکست با جذر ضریب دی‌الکتریک داده می‌شود.
{ n=/sqrt2{k)
چون میزان قطبش محیط‌های عادی متفاوت است و ضریب دی‌الکتریک با قطبش در ارتباط است بنابراین ضریب شکست محیط‌ها از خواص الکتریکی بیشتر تأثیر می‌پذیرد. در اکثر گازها این مقدار ثابت است در اجسام غیر قطبی نیز جواب‌ها دقیق هستند اما در مواردی با مولکولهای قطبی مثلاً آب و الکل و … این بستگی رادیکالی عوض می‌شود و آنهم به خاطر بالا بودن قطبش پذیری این اجسام است.
وابستگی فرکانسی ضریب شکست

ضریب شکست به فرکانس تابش وابسته است و این ویژگی برای همه محیط‌های نوری شفاف صادق است تغییر ضریب شکست در محیط‌های مادی با فرکانس را پاشندگی ماده گویند در چنین موادی دو حالت ممکن است اتفاق بیافتد اگر وابستگی از درجه اول طول موج باشد جذب نور نداریم. مانند پاشندگی شیشه در منشورها که سبب تجزیه نور به رنگ‌های متخلف می‌شود، اگر مرتبه وابستگی بالاتر باشد مواد علاوه از پاشندگی جاذب نور نیز خواهند بود. این پاشندگی هست که سبب انحراف مسیر پرتوها در گذر از محیط‌های مختلف می‌گردد چون میزان پاشندگی برای محیط‌های مختلف متفاوت است.
این وابستگی گاهی مفید و گاهی زیانبار است مثلاً در عدسی‌ها ابیراهی‌ها را سبب می‌شود و وضوح، دقت و کیفیت تصویر را کاهش می‌دهد و در منشور سبب تجزیه نور یک منبع به خطوط طیفی سازنده نورش می‌کند. در حالت کلی برای تشریح پاشندگی بایستی حرکت واقعی الکترونها ( حرکات کاتوره‌ای یا براونی ) را در اثر برهم‌کنش آنها با نور در محیطی که نو بر آن محیط می‌تابد و در آن منتشر بررسی نمود.

در محاسبه میزان پاشندگی برای یک ماده ضرایب شکست فرانهوفر ( ضرایب شکست در طول موج‌های فرانهوفر ) لازم می‌شود. و نیز برای برخی سیستم‌ها دو نوع ضریب شکست داریم که در مبحث کریستالهای دو شکستی تشریح خواهیم کرد. از روی ضریب شکست مواد کاتالوگ‌هایی ساخته‌اند تا مواد را به راحتی بتوان در دستگاه‌های نوری مورد استفاده قرار داد. به عنوان نومنه ضریب شکست چند ماده را در زیر می‌آوریم.
هوا ( با یک اتمسفر فشار ) ۰۰۰۲۹۲۶/۱
شیشه ۵/۱ تا ۵/۷
آب ۳۳/۱
الکل اتیلیک ۳۶/۱
دید کلی :
وقتی سخن از ایرادات می‌شود برای حداکثر رویت مسئله را مطرح می‌کنیم، چون اگر نور از ناحیه نزدیکتر بیاید، عمل تطابق تصویر را بر روی شبکیه تشکیل می‌دهد و در این حالت چشم در حال استراحت نمی‌باشد بنابراین تمام ایرادات را برای چشم در حال استراحت مطرح می‌کنیم، یعنی زمانی که عمل تطابق صورت نمی‌گیرد.
نزدیک‌بینی
چشم نزدیک‌بین، چشمی است که توان همگرایی آن از حد معمول بیشتر شده است. بنابراین پرتوهای نور در صفحه‌ای جلوتر از شبکیه به هم می رسند. درواقع این حالت زمانی روی می‌دهد که شعاع انحنای دیوپترهای تشکیل دهنده چشم از حالت طبیعی خارج شده باشد.
می‌توان گفت شعاع انحنای دیوپترها به نحوی تغییر یافته است که توان همگرایی کل دیوپترها افزایش یافته است. به همین دلیل تصویر در جلوی شبکیه چشم تشکیل می شود وقتی پرتوها همدیگر را در جلوی شبکیه قطع می‌کنند، واگرا می شوند و شبکیه را به جای یک نقطه، در یک سطح قطع می‌کنند. بنابراین چگالی نوری و یا به عبارت دیگر شدت نوری واحد سطح کاهش می‌یابد پرتوها بجای اینکه بر روی یک سلول بیافتد، بر روی تعداد زیادی از سلولهای شبکیه می افتد و این به معنای عدم وضوح در تصویر می‌باشد.
اصلاح نزدیک‌بینی
برای اصلاح این ایراد باید افزایش توان همگرایی چشم را به حد معمول برسانیم، برای اینکه مقداری از توان همگرایی چشم را از بین ببریم، از یک عدسی واگرا کننده در مقابل چشم استفاده می‌کنیم که بسته به توان عدسی از توان همگرایی چشم کاهش می‌یابد.
حداکثر رویت چشم سالم ۱۵ متر می‌باشد که در چشم نزدیک‌بین کاهش یافته است. بنابراین وقتی پرتوها از حداکثر رویت به چشم نزدیک‌بین می‌رسند، واگرایی عدسی به اضافه همگرایی چشم باعث ایجاد تصویر بر روی شبکیه می‌شود پس باید عدسی واگراکننده، تصویر پرتوهای رسیده از بینهایت را روی کانون حداکثر رویت چشم نزدیک‌بین بیاندازد بنابراین عینک تجویز شده با فاصله کانونی برابر با حداکثر رویت چشم نزدیک‌بین خواهد بود.
دوربینی
توان همگرایی چشم دوربین از توان همگرایی حالت طبیعی کمتر شده و تصویر پشت شبکیه و به صورت مجازی تشکیل می‌شود. در این حالت، محل تلاقی پرتوها با شبکیه یک سطح است و تصویر واضح دیده نمی شود.
اصلاح دوربینی
برای تصحیح ایراد چشمهای دوربین باید از عدسی‌های همگرا کننده استفاده کنیم. در این حالت هم مقدار توان عدسی همگرا کننده از طریق تعیین حداکثر رویت چشم دوربین مشخص می‌شود.

پیرچشمی

پیرچشمی ناشی از عدم طبیعی بودن اجزای چشم است. در این حالت اجزای مختلف چشم حداکثر توانهای خود را از دست داده‌اند. در حالت طبیعی عضله‌ها با کشیدن یا فشار دادن ضخامت عدسی را تغییر می‌دهند ولی در این حالت عضله‌ها توانایی خود را از دست داده‌اند. و نمی‌توانند به طور کامل اعمال فشار یا کشش کنند.

در واقع در این حالت دامنه تطابق کاهش یافته است. یعنی حداقل رویت از چشم دور شده و حداکثر رویت به چشم نزدیک شده است. پیرچشمی ، بسته به افراد مختلف از ۴۵ سالگی شروع شده و هر ۵ سال به اندازه ۵/۰ دیوپتری افزایش پیدا می‌کند.
اصلاح پیرچشمی:
در پیرچشمی باید هم حداقل رویت و هم حداکثر رویت اصلاح شود بنابراین یا از دو عینک استفاده می‌کنند و یا از عینک صدو کانونی استفاده می‌کنند که امروزه برای ساخت عینکهای دو کانونی از گرادیان ضریب شکست استفاده می‌شود.