איך לבנות מקרן וידאו מטלפון וזכוכית מגדלת?

בניסוי הנוכחי נלמד איך להקרין תמונה מצג הטלפון על קיר או על מסך.

ציוד

• זכוכית מגדלת
• טלפון נייד או טאבלט (כל מכשיר עם מסך מאיר)
• קיר או מסך לבן בחדר חשוך

• כדאי גם להוריד ולהתקין בטלפון אפליקציה שמבטלת את היפוך תצוגת המסך כשמסובבים אותו, למשל Rotation Locker

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הסבר

מבחינה פיזיקלית זכוכית מגדלת היא למעשה עדשה (דו-)קמורה או מרכזת. מה שמאפיין עדשה כזאת, זה שהיא ממקדת את קרני האור בצד הנגדי שלה. אם מגיעות אליה קרני אור מקבילות (למשל מהשמש) הם מתרכזות בנקודה שנקראת מוקד העדשה, שהמרחק שלה מהעדשה תלוי בקימור של העדשה. בכל צד של העדשה יש מוקד, כך שאפשר להפוך אותה והיא עדיין תתפקד. הקו המחבר בין שתי נקודות המוקד נקרא "הציר האופטי של העדשה".

אולם איך עדשה מרכזת יוצרת דמות? הדרך הטובה להבין מה קורה לדמות של עצם (אובייקט) היא לשרטט דיאגרמת קווים שתציג איך יתנהגו קרני האור שחוזרות מעצב. כיוון שהאור נע בקווים ישרים, נוח לשרטט קרני אור כקווים ישרים. לצורך ההסבר נשתמש במונחים "ציר אופטי" ו"נקודת מוקד" שהזכרנו קודם.

גוף שנמצא בין המרחק לנקודת המוקד לפעמיים המרחק לנקודת המוקד. הדמות שנוצרת גדולה יותר מהגוף והפוכה לו | תרשים: ויקיפדיה

כדי לייצג באופן גרפי את ההקרנה של עצם (החץ השחור בשרטוט, בצד שמאל) המאונך לציר האופטי מצד אחד של עדשה לצדה השני, נהוג לשרטט שלוש קרני אור שנשברות לפי כללי האופטיקה של עדשות מרכזות (העדשה בציור במרכז, בצבע סגול):

1. הקרן שמצויירת בצבע אדום: קרן שיוצאת מראש העצם ומקבילה לציר האופטי. היא פוגעת בעדשה וסוטה / נשברת / משנה את כיוונה, כך שהיא עוברת דרך המוקד בצד השני (כאמור זו הקרן האדומה בשרטוט).
2. הקרן שמצויירת בצבע ירוק: קרן שפוגעת במרכז העדשה ממשיכה במסלולה בלי סטייה.
3. הקרן שמצויירת בצבע ורוד: קרן שיוצאת מהחלק העליון של הדמות ועוברת דרך המוקד בצד אחד של העדשה. היא פוגעת בעדשה וסוטה / 'נשברת' / משנה את כיוונה - כך שהיא מקבילה לציר האופטי אחרי שהיא עוברת את העדשה.

התוצאה היא שקרני האור מתרכזות בצד השני של העדשה – שם נוצרת הדמות, שבנוייה מריכוז של קרני אור. שימו לב שבדוגמה למעלה ביצענו את ניתוח שבירת קרני האור רק לראש החץ, אבל אפשר לבצע ניתוח דומה לכל נקודה ונקודה שבחץ, כך נוצרת כל הדמות. כפי שרואים בניתוח - הדמות שנוצרת היא הפוכה (החץ פונה כלפי מטה).

בדוגמא הנוכחית דמות החץ יצאה גדולה יותר מגודל החץ המקורי. גודל הדמות נקבע על פי המרחק של העצם מנקודת המוקד, וכפי שרואים בסרטון אפשר גם ליצור דמות מוקרנת קטנה יותר (הדמות שמוצגת בסביבות זמן 1:20 בסרטון) – נסו בעצמכם עם הטלפון וזכוכית המגדלת, או התנסו בצורה ממוחשבת בישומון אופטיקה גיאומטרית. עצם שנמצא רחוק מאוד מהעדשה ייצור דמות קטנה יותר מהעצם עצמו, קרוב למוקד השני. בנוסף, הדמות תהיה הפוכה.

למעשה קיימים חמישה אזורי מיקום שונים של חפץ ביחס לנקודת המוקד, שקובעים אם הדמות שתיווצר תהייה גדולה, קטנה או זהה בגודלה לדמות החפץ, או שבכלל לא תיווצר דמות כלל (להרחבה ראו בקישור).

מעניין לציין

העין ומערכת הראייה, וכך גם מצלמות, עובדות בדיוק באותה שיטה שהדגמנו בניסוי: עדשה מרכזת ("זכוכית מגדלת") שמקרינה את הדמויות הנוצרות על "מסך" בצד השני של העדשה. בעין הדמויות מוקרנות על החלק האחורי של גלגל העין, שנקרא רשתית ומכיל תאים רגישים לאור שמעבירים את המידע למוח. מצלמה מקרינה את התמונה על חיישנים רגישים לאור.

אם אתם מעוניינים להרחיב על הנושא – קראו את הכתבה "כיצד עדשה דו-קמורה מגדילה".  או קראו על יצירת דמויות באמצעות עדשות מרכזות - בויקיפדיה.