فاصله کانونی: فاصله بین مرکز عدسی و کانون

فاصله کانونی: از ذره‌بین تا دوربین موبایل

عدسی و کانون: یک آشنایی ساده

تقریباً همه‌ی ما با یک ذره‌بین ساده بازی کرده‌ایم. اگر یک ذره‌بین را زیر آفتاب بگیرید و روی یک تکه کاغذ نور متمرکز کنید، بعد از چند ثانیه کاغذ دود می‌کند یا حتی آتش می‌گیرد. به آن نقطه‌ی کوچک و پرنور روی کاغذ چه می‌گویند؟ کانون². حالا فاصله‌ی بین وسط ذره‌بین (عدسی) تا آن نقطه‌ی داغ روی کاغذ را چه می‌نامند؟ پاسخ دقیقاً همان فاصله کانونی است.

عدسی‌ها وسایلی از جنس شیشه یا پلاستیک شفاف هستند که نور را از خود عبور می‌دهند و به دلیل شکل ویژه‌ای که دارند، مسیر پرتوهای نور را تغییر می‌دهند. این تغییر مسیر باعث می‌شود پرتوهای نور در یک نقطه جمع شوند یا از هم دور شوند.

انواع عدسی و فاصله کانونی آنها

عدسی‌ها را بر اساس شکل و کاری که انجام می‌دهند، به دو دسته‌ی اصلی تقسیم می‌کنیم. این تقسیم‌بندی رابطه‌ی مستقیمی با علامت فاصله کانونی آنها دارد.

عدسی هم‌گرا مانند ذره‌بین، پرتوهای نور را به یک نقطه واقعی در پشت عدسی همگرا می‌کند. به همین دلیل فاصله کانونی آن را مثبت در نظر می‌گیریم. اما عدسی واگرا کاری می‌کند که به نظر برسد پرتوهای نور از یک نقطه در جلوی عدسی پخش می‌شوند. این نقطه یک کانون مجازی است و فاصله کانونی عدسی واگرا منفی است.

فاصله کانونی چه تأثیری بر تصویر دارد؟

فاصله کانونی بر دو ویژگی مهم تصویر تأثیر می‌گذارد: بزرگ‌نمایی و میدان دید⁶.

• عدسی با فاصله کانونی کوتاه (مثلاً f = 20 mm): مانند چشمان ماهی! این عدسی‌ها زاویه دید بسیار وسیعی دارند و فضای زیادی را در یک قاب جای می‌دهند. اما تصویر اجسام را کوچک‌تر نشان می‌دهند. مثل دوربین‌های امنیتی که می‌خواهند تمام حیاط را ببینند.
• عدسی با فاصله کانونی بلند (مثلاً f = 200 mm): مانند تلسکوپ یا دوربین‌های شکاری. این عدسی‌ها زاویه دید باریکی دارند اما تصویر اجسام دور را خیلی بزرگ می‌کنند. مانند وقتی که با دوربین عکاسی از یک پرنده روی درخت دور عکس می‌گیریم.

یک آزمایش ساده: از یک لوله‌ی مقوایی (مثل لوله‌ی دستمال کاغذی) به عنوان بدنه‌ی یک دوربین ساده استفاده کنید. یک ذره‌بین با فاصله کانونی کوتاه (کوچک و پرانحنا) و یک ذره‌بین با فاصله کانونی بلند (بزرگ‌تر و کم‌انحناتر) را جداگانه جلوی لوله قرار دهید. می‌بینید که با ذره‌بین فاصله کانونی کوتاه، تصویر وسیع‌تر ولی کوچک‌تر است و با ذره‌بین فاصله کانونی بلند، تصویر محدودتر اما بزرگ‌نمایی بیشتر دارد.

فاصله کانونی در دنیای اطراف ما

شاید فکر کنید فاصله کانونی فقط مربوط به آزمایشگاه فیزیک است. اما در واقع شما هر روز با آن سروکار دارید!

مثال ۱: عینک‌های طبی چشم‌های نزدیک‌بین، تصویر را جلوتر از شبکیه می‌سازند. عینک این افراد از عدسی واگرا (با فاصله کانونی منفی) ساخته شده که نور را پیش از ورود به چشم کمی پخش می‌کند تا تصویر دقیقاً روی شبکیه بیفتد. برعکس، عینک افراد دوربین از عدسی هم‌گرا (با فاصله کانونی مثبت) است.

مثال ۲: دوربین موبایل شما دوربین‌های پیشرفته‌ی موبایل‌ها اغلب چندین دوربین با عدسی‌های مختلف دارند. یکی با فاصله کانونی کوتاه برای عکس‌های گروهی یا سلفی (تا همه در قاب جا شوند)، یکی با فاصله کانونی معمولی برای عکس‌های روزمره و گاهی یک عدسی با فاصله کانونی بلند برای زوم اپتیکال⁷ و عکس‌برداری از اجسام دور.

مثال ۳: پروژکتور کلاس پروژکتور از یک عدسی هم‌گرا با فاصله کانونی خاص استفاده می‌کند تا تصویر کوچک داخل دستگاه را بزرگ کرده و روی پرده بیندازد. اگر فاصله کانونی عدسی پروژکتور را تغییر دهید، یا تصویر تار می‌شود یا اندازه‌ی آن روی پرده تغییر می‌کند.

پرسش‌های رایج و اشتباهات معمول

پاورقی

¹فاصله کانونی (Focal Length): فاصله بین مرکز نوری یک عدسی یا آینه تا کانون آن.

²کانون (Focus): نقطه‌ای که پرتوهای نور موازی محور اصلی، پس از برخورد با عدسی یا آینه در آنجا به هم می‌رسند (حقیقی) یا به نظر می‌رسد از آنجا پخش می‌شوند (مجازی).

³مرکز نوری عدسی (Optical Center): نقطه‌ای در عدسی که پرتوهای نور بدون انحراف از آن عبور می‌کنند.

⁴عدسی هم‌گرا / محدب (Converging Lens / Convex Lens): عدسی که لبه‌های نازک و وسط ضخیم دارد و پرتوهای نور را به یک نقطه جمع می‌کند. فاصله کانونی مثبت دارد.

⁵عدسی واگرا / مقعر (Diverging Lens / Concave Lens): عدسی که لبه‌های ضخیم و وسط نازک دارد و پرتوهای نور را از هم دور می‌کند. فاصله کانونی منفی دارد.

⁶میدان دید (Field of View): محدوده‌ای از صحنه که توسط یک دستگاه نوری (مثل دوربین) دیده یا ثبت می‌شود.

⁷زوم اپتیکال (Optical Zoom): بزرگ‌نمایی تصویر با استفاده از تغییر فاصله کانونی لنز دوربین به صورت فیزیکی، که باعث کاهش کیفیت تصویر نمی‌شود.