کانون عدسی چیست؟
عدسی‌ها و نحوهٔ کار آن‌ها
عدسی یک قطعهٔ شفاف، معمولاً از جنس شیشه یا پلاستیک، است که حداقل یک سطح منحنی دارد. کار اصلی عدسی، شکست نور است. وقتی پرتوهای نور از هوا وارد شیشه می‌شوند، سرعت آن‌ها کاهش یافته و مسیرشان تغییر می‌کند؛ این پدیده «شکست نور» نام دارد. عدسی با شکستن مسیر پرتوهای نور، آن‌ها را به هم نزدیک کرده (متمرکز می‌کند) یا از هم دور می‌کند (پخش می‌کند). دو نوع اصلی عدسی وجود دارد:
- عدسی محدب (کوژ): وسط آن ضخیم‌تر از لبه‌هاست. این عدسی پرتوهای نور را متمرکز می‌کند.
- عدسی مقعر (کاو): لبه‌های آن ضخیم‌تر از وسط است. این عدسی پرتوهای نور را پخش می‌کند.
برای درک این موضوع، تصور کنید یک بسته مداد رنگی پرتوهای نور هستند. عدسی محدب مانند دستانی است که این مدادها را به سمت یک نقطه جمع می‌کند، در حالی که عدسی مقعر مانند دستانی است که آن‌ها را از مرکز به بیرون پراکنده می‌سازد.
تعریف علمی کانون عدسی
کانون عدسی (Focal Point) نقطه‌ای است که در آن پرتوهای نور موازی محور اصلی[1] پس از عبور از عدسی، در یک نقطه به هم می‌رسند (در عدسی محدب) یا به نظر میرسد که از آن نقطه پخش شده‌اند (در عدسی مقعر).
فاصله بین مرکز نوری عدسی (O) تا کانون آن (F) را فاصله کانونی (Focal Length) می‌نامند و آن را با حرف f نشان می‌دهند. این فاصله یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های هر عدسی است و قدرت عدسی را تعیین می‌کند. هرچه فاصله کانونی کوتاه‌تر باشد، عدسی قدرت تمرکز بیشتری دارد (نور را بیشتر خم می‌کند).
رابطهٔ قدرت عدسی (P) با فاصله کانونی (f) به صورت زیر است: $ P = \frac{1}{f} $ که در آن قدرت بر حسب دیوپتر (D) و فاصله کانونی بر حسب متر (m) است. برای مثال، عدسی با فاصله کانونی 0.5 m، قدرتی برابر با $ \frac{1}{0.5} = 2 $ دیوپتر دارد.
کانون در عدسی‌های محدب و مقعر
رفتار نور در این دو عدسی کاملاً متفاوت است و در نتیجه، تعریف کانون برای هر کدام فرق می‌کند.
| ویژگی | عدسی محدب (هم‌گرا) | عدسی مقعر (واگرا) |
|---|---|---|
| شکل عدسی | ضخیم در وسط، نازک در لبه | نازک در وسط، ضخیم در لبه |
| نحوهٔ شکست نور | پرتوهای موازی را به هم نزدیک می‌کند (هم‌گرا می‌کند) | پرتوهای موازی را از هم دور می‌کند (واگرا می‌کند) |
| کانون (F) | کانون حقیقی: نقطه‌ای واقعی که پرتوها در آن جمع می‌شوند. | کانون مجازی: نقطه‌ای فرضی که به نظر میرسد پرتوها از آن پخش شده‌اند. |
| نماد در نمودارها | پیکانی که دو سر آن به بیرون انحنا دارد | پیکانی که دو سر آن به داخل انحنا دارد |
کاربردهای کانون عدسی در زندگی روزمره
شناخت کانون عدسی فقط یک موضوع علمی نیست؛ بلکه پایهٔ ساخت بسیاری از ابزارهایی است که هر روز از آن‌ها استفاده می‌کنیم.
- ذره‌بین: ساده‌ترین مثال یک عدسی محدب است. وقتی ذره‌بین را در فاصلهٔ کانونی خود (f) از یک کاغذ قرار می‌دهیم، پرتوهای خورشید در کانون آن متمرکز شده و انرژی زیادی تولید می‌کنند که می‌تواند کاغذ را بسوزاند.
- دوربین عکاسی: لنز دوربین یک عدسی محدب است. این عدسی نور بازتابیده از سوژه را جمع‌آوری کرده و آن را روی فیلم یا سنسور حساس به نور، که دقیقاً در محل تشکیل کانون تصویر قرار دارد، متمرکز می‌کند تا یک تصویر واضح تشکیل دهد.
- عینک: بسیاری از عینک‌ها برای اصلاح اختلالات بینایی از عدسی استفاده می‌کنند. برای مثال، عینک افراد دوربین (نزدیک بین) از عدسی مقعر ساخته شده است. این عدسی، پرتوهای نور را پیش از رسیدن به چشم کمی می‌پراکنند تا تصویر به‌جای تشکیل جلوی شبکیه، دقیقاً روی آن تشکیل شود و فرد بتواند واضح ببیند.
- پروژکتورها و میکروسکوپ‌ها: این دستگاه‌ها از ترکیب چند عدسی با فواصل کانونی مختلف استفاده می‌کنند تا نور را کنترل کرده و تصاویر را بزرگ‌نمایی کنند.
یک آزمایش ساده: یک عدسی محدب (ذره‌بین) بردارید و آن را در یک روز آفتابی روی یک تکه چوب یا کاغذ نگه دارید. فاصلهٔ عدسی از کاغذ را به آرامی تغییر دهید. خواهید دید که در یک فاصلهٔ خاص، نور خورشید به کوچک‌ترین و درخشان‌ترین نقطه تبدیل می‌شود و کمی بعد دود بلند شده و چوب می‌سوزد. این نقطه، کانون عدسی شماست!
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. کانون در عدسی‌های مقعر یک کانون مجازی است. این بدان معنی است که پرتوهای نور در واقعیت در آن نقطه جمع نمی‌شوند، بلکه امتداد پرتوهای شکسته شده به نظر میرسد که از آن نقطه پخش می‌شوند. برخلاف عدسی محدب که می‌توانید یک صفحه را در کانون آن قرار دهید و یک نقطهٔ نورانی داغ ببینید، در عدسی مقعر چنین نقطه‌ای در پشت عدسی وجود خارجی ندارد.
بله، فاصله کانونی یک ویژگی ذاتی و ثابت برای هر عدسی است و به جنس شیشه و انحنای سطح آن بستگی دارد. این فاصله تغییر نمی‌کند مگر اینکه خود عدسی به طور فیزیکی تغییر شکل دهد (مانند لنز چشم انسان که با کمک عضلات مژگانی[2] فاصله کانونی خود را تغییر می‌دهد). آنچه در دوربین‌ها تغییر می‌کند، فاصله بین عدسی و سنسور است تا برای سوژه‌های دور یا نزدیک، تصویر همیشه روی سنسور «کانون‌گیرى» (Focus) شود.
اشتباه رایج این است که فکر می‌کنند هرچه ذره‌بین را به کاغذ نزدیک‌تر کنیم، سریع‌تر می‌سوزاند. در حالی که برای سوزاندن کاغذ، باید ذره‌بین را در دقیقاً فاصله کانونی خود از کاغذ قرار دهید تا پرتوها در کوچک‌ترین نقطه ممکن متمرکز شوند و بیشترین انرژی را انتقال دهند. اگر خیلی نزدیک یا خیلی دور باشد، نقطهٔ نور بزرگ‌تر و سردتر خواهد بود و کاغذ نمی‌سوزد.
پاورقی
[1]محور اصلی (Principal Axis): خط مستقیمی فرضی که از مرکز نوری عدسی می‌گذرد و بر سطح آن عمود است.
[2]عضلات مژگانی (Ciliary Muscles): عضلات کوچکی در چشم که با انقباض و انبساط خود، شکل لنز طبیعی چشم (عدسی) را تغییر می‌دهند تا بتواند روی اشیاء دور و نزدیک فوکوس کند. این پدیده «تطابق» (Accommodation) نام دارد.