Warum entsteht ein Bild nur dort, wo Lichtstrahlen, die von einem einzigen Punkt kommen, reflektiert oder gebrochen werden und zu einem gemeinsamen Punkt zusammenlaufen?

Ich hatte vor einiger Zeit dieselbe Verwirrung. Sie wollen hier vorsichtig sein. Es gibt ZWEI verschiedene Versionen dieser Diagramme, die dasselbe beschreiben, aber auf unterschiedliche Weise. Wahrscheinlich sehen Sie sich einen Diagrammtyp an, denken aber an den anderen Typ.

Da die auf den beiden Diagrammen gezeichneten Strahlen unterschiedliche Strahlen sind (die vom selben Punkt oder von mehreren Punkten kommen), konvergieren sie an verschiedenen Stellen im Diagramm, entweder ein- oder ausgeschaltet, wo Sie den Detektor platzieren würden, obwohl sich die Position des Detektors eigentlich nie ändert .

Verfolgen von Strahlen, die von EINEM Punkt kommen, für ALLE möglichen Pfade

In der ersten Version stammen die verfolgten Strahlen alle vom selben Punkt. Um diesen Punkt scharf zu sehen, müssen alle von ihm kommenden Strahlen an einem Punkt auf dem Detektor zusammenlaufen. In diesen Diagrammen wird der Detektor also dort platziert, wo die Strahlen von diesem einen Punkt konvergieren:

https://www.flir.ca/support-center/iis/machine-vision/application-note/selecting-a-lens-for-your-camera/

Es muss so sein, damit die Dinge scharf sind, weil dann jeder Punkt des Detektors nur das Licht von einem Punkt auf dem Objekt erfasst. Wenn jeder Punkt auf dem Detektor das Licht von mehreren Punkten auf dem Objekt erfasst, entsteht ein verschwommenes Bild.

Verfolgen von Strahlen, die von MEHREREN Punkten kommen, aber nur EINEN Pfad für jeden

In der zweiten Version zeichnet das Diagramm die Strahlen von mehreren Punkten auf dem Objekt nach, um zu zeigen, wie ein Bild entsteht. Da es die Strahlen von mehreren Punkten verfolgt, verfolgt es nur einen Pfad pro Punkt, um die Dinge lesbar zu halten.

https://www.flir.ca/support-center/iis/machine-vision/application-note/selecting-a-lens-for-your-camera/

In diesem Fall stammen die Strahlen von verschiedenen Punkten , und wenn Sie den Detektor dort platzieren würden, wo sie zusammenlaufen, würden Sie wie oben beschrieben ein verschwommenes Bild erhalten, da jetzt Licht von mehreren Punkten am selben Punkt auf dem Detektor landet.

Da die Strahlen in diesem Diagramm von verschiedenen Punkten kommen, sollen sie sich vom Detektor weg schneiden, sodass sie an verschiedenen Punkten auf dem Detektor enden.

Zwischen den beiden Diagrammen ändert sich die Position des Detektors nicht. Was sich ändert, ist der Ort, an dem die Strahlen zusammenlaufen, da Sie in jedem Diagramm unterschiedliche Arten von Strahlen betrachten.

Dann gibt es noch dieses letzte Diagramm, das ich am verwirrendsten finde:

https://www.chegg.com/homework-help/definitions/focal-length-2

Es ist eines der anderen beiden Diagramme, aber welches ist es?

Es ist wirklich verwirrend, weil die Strahlen parallel sind, was bedeutet, dass, wenn sie von einem einzelnen Punkt kommen, dieser Punkt unendlich weit entfernt sein muss, die Strahlen jedoch über die gesamte Linse verteilt sind, was bedeutet, dass das Objekt endlich erscheinen muss Größe kann es in unendlicher Entfernung nicht (jedes Objekt von nicht unendlicher Größe sollte in unendlicher Entfernung unendlich klein erscheinen.

Es könnte ein sehr großes Objekt sein und aus irgendeinem Grund verfolgen Sie nur alle parallelen Strahlen, die von verschiedenen Punkten kommen. Aber dann macht es keinen Sinn, dass der Punkt, an dem die Strahlen zusammenlaufen, als Brennweite bezeichnet wird, weil es dann unscharf sein müsste. N

Beachten Sie den Unterschied zu den ersten beiden Diagrammen: Der Punkt, an dem die Strahlen zusammenlaufen, wird als Brennpunkt bezeichnet, während der Brennpunkt in den anderen Diagrammen nicht dort ist, wo die Strahlen zusammenlaufen.

Das, was ich am nächsten kommen kann, ist, dass es sich nur um eine erfundene Situation handelt, um die mathematische Definition der Brennweite zu definieren, und nicht um die Strahlen für ein reales Objekt (außer vielleicht einen Laser?).

Sie haben Recht, dass sich Strahlen von einem Objekt bei kreuzen$C$und Sie haben ganz recht, dass Strahlen durchgehen$C$an einem Punkt konvergieren kann$D$auf einem Bildschirm, wie in der Abbildung gezeigt.

Was nicht richtig ist, ist, dass ein Bild von Punkt$C$wird am Punkt gebildet$D$auf dem Bildschirm.
Was Sie auf den Punkt bekommen$D$ist die Überlagerung von inkohärenten Lichtstrahlen, die sich im Durchschnitt gegenseitig aufheben und somit nichts auf dem Bildschirm erzeugen.

Ich habe ein Strahlendiagramm aus einer der anderen Antworten "ausgeliehen", um zu erklären, was vor sich geht.

Im Diagramm geht Licht von einem Punktobjekt durch eine Linse und bildet auf dem Bildschirm ein Punktbild, genau wie Licht einen Punkt bildet$C$durch eine Linse gehen und an einem Punkt konvergieren$D$.

Das ist jedoch so weit wie es in Bezug auf die Ähnlichkeit geht.

In dem geborgten Diagramm werden alle Lichtstrahlen des Objekts als gleichphasig angenommen und brauchen die gleiche Zeit, um zum Bildpunkt zu gelangen, dh sie kommen gleichphasig an und bilden das Bild.
Die gleiche Laufzeit für alle Strahlen liegt daran, dass Strahlen von Objekt zu Bild, die kürzer sind, durch einen dickeren Teil der Linse laufen, in dem die Lichtgeschwindigkeit geringer ist als in Luft.
Beachten Sie, dass die längeren Strahlen durch eine geringere Linsendicke laufen und die Linse so "konstruiert" ist, dass die Laufzeit für alle Strahlen gleich ist.

Dies erklärt nicht, warum kein Bild erzeugt wird$D$.

Dazu müssen wir den Strahl betrachten, der bei Punkt beginnt$B$und das, was bei Punkt beginnt$A$.
Sie sind nicht notwendigerweise in Phase miteinander, tatsächlich wird sich ihre relative Phase ständig ändern, so dass, wenn sie ankommen$C$Ihre relative Phase ändert sich ständig, ebenso wie alle anderen Strahlen, die Sie gezeichnet haben und die von dem Objekt ausgehen.
Diese Strahlen können auch unterschiedliche Intensitäten und unterschiedliche Wellenlängen haben, also die Quelle dazwischen$A$Und$B$sind inkohärent und erzeugen im Durchschnitt, wenn die Wellen dieser Quellen addiert werden, eine Intensität von null.
Da strahlt das Licht an$C$heben sich gegenseitig auf, so müssen sie bei$D$.

Stellen Sie sich die Pixel auf Ihrem Computerbildschirm vor. Stellen Sie sich vor, das Licht eines Pixels würde durch eine Linse gehen und jeder Lichtstrahl würde an einem einzigen Punkt zusammenlaufen. Und jedes Pixel bekommt seinen eigenen Zielpunkt. Dann erhalten Sie eine Kopie Ihres Computerbildschirms am Zielort. Das ist ein Bild.

Stellen Sie sich nun vor, das Licht eines Pixels konvergiert nicht an einem einzigen Punkt, sondern wird doppelt so stark gespreizt. Ja, Sie werden noch etwas sehen. Aber es wurde verschwommen gemacht, als ob Ihre Pixel größer geworden wären, weil sie es getan haben. Jedes Quellpixel wurde zu einem größeren Zielpixel, und sie überlappen sich jetzt. Jedes Zielpixel besteht nun aus 1/4 des ursprünglichen Pixels und 3/4 der Nachbarpixel. Diese Unschärfe und Mischung verschlechtert die Bildqualität.

In der Tat, wenn Sie es ausprobieren, werden Sie etwas unscharf sehen, aber Sie werden immer noch etwas sehen, wenn die Strahlen nicht konvergieren.

Sie können sehen, weil Licht in Ihre Augen eintritt und auf Ihre Netzhaut trifft. Sie können deutlich sehen, wenn Licht von jedem Punkt in dem Objekt, das Sie betrachten, auf einen bestimmten Punkt auf Ihrer Netzhaut trifft. Wenn Licht von mehreren Punkten auf einen Punkt auf Ihrer Netzhaut trifft, oder wenn Licht von einem Punkt auf mehrere Punkte auf Ihrer Netzhaut trifft, ist das, was Sie sehen, verschwommen. Denn wenn Ihr Auge nicht genau erkennen kann, woher ein Licht kommt, weiß Ihr Gehirn nicht genau, wo sich das Ding befindet.

In einem Raytracing-Diagramm beginnen wir mit Lichtstrahlen, die von einem Objekt weg zeigen. Ein Auge, das sie ansieht (weil einige Strahlen hineingehen), wird das Objekt sehen. Das Auge weiß jedoch nur, was in es hineingeht. Es wird klar sehen, auch wenn die Strahlen nicht wirklich von einem Punkt kommen, solange es so aussieht.

Es gibt drei Situationen. Da ist zunächst die Situation, wo Licht von einem Ort an einem anderen Ort, auf einer Leinwand, wieder zusammentrifft. In diesem Fall ergibt jeder helle Fleck auf dem Objekt einen hellen Fleck auf dem Bildschirm, jeder rote Fleck auf dem Objekt verursacht einen roten Fleck auf dem Bildschirm und so weiter. Wir sehen ein Bild (Image) des Objekts auf dem Bildschirm.

Zweitens, wenn wir den Bildschirm wegnehmen und das Licht durch die Stelle betrachten, an der der Bildschirm war. Das Licht, das sich an einem Punkt auf dem Bildschirm traf, geht jetzt direkt durch und in unser Auge. Unser Auge kann jedoch nicht sagen, ob das Licht von der anderen Seite kommt oder ob es tatsächlich dort beginnt, wo sich die Leinwand befindet, sodass wir das Bild sehen können, als ob es noch da wäre.

Drittens gibt es Situationen, in denen sich das Licht nicht wirklich an einem bestimmten Punkt trifft, sondern ins Auge fällt, als ob es von einem bestimmten Punkt gekommen wäre. Auch hier kann Ihr Auge den Unterschied nicht erkennen, was Sie also sehen, ist genau dasselbe, als ob das Licht von diesem Punkt gekommen wäre.

Raytracing-Diagramme können die Theorie dessen zeigen, was passiert, aber sie sind nur Theorie. In der Praxis werden viele der Strahlen, die Sie zeichnen, nicht in die Nähe Ihres Auges gelangen, aber die Orte, an denen sie sich treffen, sind die gleichen wie bei den Strahlen, die in Ihr Auge gelangen.

Es gibt tatsächlich eine unendliche Anzahl von Punkten, an denen sich Lichtstrahlen, die von verschiedenen Punkten eines Objekts kommen, zuerst schneiden und dann in unsere Augen eintreten, genau wie Licht von einer Punktquelle, aber wir sehen diese Punkte immer noch nicht, wir sehen nur die Objekt warum?

Das ist richtig: Die Lichtstrahlen von verschiedenen Teilen des Objekts kreuzen sich in allen möglichen Kombinationen an jedem Punkt im Raum und breiten sich dann von jedem Punkt aus wieder aus.

Allerdings werden nur Strahlen, die sich in der Brennebene schneiden, von der Augenlinse auf einen einzigen Punkt auf der Netzhaut fokussiert. Und das sind alle Strahlen, die es gibt . Jeder Strahl schneidet viele andere Strahlen an vielen verschiedenen Orten im Raum, aber er trifft nur einmal auf Ihre Netzhaut. Und es geht einmal durch die Fokusebene. Nachdem Sie also die Strahlen analysiert haben, die sich von jedem Punkt in der Fokusebene ausbreiten, sind Sie fertig. Sie würden die Strahlen doppelt zählen, wenn Sie auch an anderen Stellen Schnittpunkte berücksichtigen würden.

Warum sind die Schnittpunkte in der Fokusebene die "richtigen" zu zählen? Sie sind es nicht, Sie können jeden Satz von Schnittpunkten auswählen, solange Sie jeden Strahl einmal zählen. Aber wenn Sie die Fokusebene nicht auswählen, landen die Strahlen, die sich von jedem Punkt ausbreiten, an mehreren Punkten auf der Netzhaut. Wenn Sie das Ziel jedes Strahls einzeln und richtig betrachten, werden Sie feststellen, dass er am selben Punkt endet wie der entsprechende Strahl in der Fokusebene – offensichtlich, da es derselbe Strahl ist. Es ist einfacher, einfach die Fokusebene auszuwählen und die bequeme Tatsache zu nutzen, dass jeder Punkt in dieser Ebene einem Punkt auf der Netzhaut zugeordnet ist.

Wenn Sie Ihre Augen neu fokussieren, ändert sich die Position der Fokusebene. Auf diese Weise können Sie sehen, wie sich die Strahlen an beliebigen räumlichen Orten schneiden. Aber die meisten dieser Schnittpunkte sind Schnittpunkte von Strahlen von verschiedenen Teilen des Objekts. Ihre Netzhaut kann die Richtung eines Strahls, der auf einen Punkt auf der Netzhaut trifft, nicht bestimmen, sie misst nur die Intensität. Wenn Sie sich also auf eine Ebene konzentrieren, in der sich Strahlen von verschiedenen Teilen des Objekts schneiden, sehen Sie nur eine Unschärfe, die a ist Mischung von Intensitäten aus verschiedenen Teilen des Objekts. Um das Objekt scharf zu sehen, müssen Sie entweder auf das Objekt selbst oder auf eine Ebene fokussieren, in der jeder Strahl von einem Punkt auf dem Objekt nur andere Strahlen von demselben Punkt schneidet. Letzteres wird im Optik-Jargon als "Bild" bezeichnet (genauer gesagt als reelles Bild).

Betrachten wir einen einfachen Fall. Stellen Sie sich ein punktförmiges Objekt vor, dessen Licht durch eine Sammellinse fällt. Das Objekt strahlt Licht in alle Richtungen aus, aber in meinem Diagramm werde ich nur 4 Strahlen zeichnen (in Wirklichkeit gäbe es Strahlen in jede Richtung).

Wenn Sie einen Bildschirm dort platzieren, wo Linie A ist, und darauf schauen, sehen Sie die folgende Projektion:

Wenn Sie jede Richtung berücksichtigen, werden Sie sehen, dass jeder Punkt auf dem Bildschirm beleuchtet ist. Das ist kein Bild unseres punktförmigen Objekts. Im Fall von B würde jedoch jeder Strahl konvergieren und einen einzigen Punkt auf dem Schirm bilden. Das macht unser eigentliches Bild des Objekts aus.

Ohne ins Detail zu gehen, emittiert bei einem ausgedehnten Objekt jeder seiner Punkte Licht und kann so behandelt werden. Wenn Sie Ihren Bildschirm dort platzieren, wo die Strahlen nicht zusammenlaufen, landet das Licht von jedem Quellpunkt auf dem gesamten Bildschirm. Der Bildschirm würde beleuchtet, aber Sie würden kein Bild des ursprünglichen Objekts sehen. In der Praxis wäre es wahrscheinlich ein unscharfes Bild.

Zuerst muss man sich ganz klar sein, warum man ein reales Objekt „sieht“, zum Beispiel die Buchstaben auf dem Bildschirm oder den Finger. der finger sendet von allen punkten aus licht in alle richtungen. nur ein winziger Bruchteil dringt in Ihr Auge ein. Wenn es auf die Entfernung eingestellt ist, ergibt alles Licht, das von einem Punkt Ihres Fingers kommt, einen Punkt auf Ihrer Netzhaut, verschiedene Punkte auf verschiedenen Punkten der Netzhaut. (Ich lasse aus, was das Gehirn mit dem Signal macht, das die Nerven der Netzhaut melden) Wenn es nicht ein Punkt von einem Punkt des Objekts wäre, würde sich das Licht von verschiedenen Punkten überlagern, was Sie sehen, wird verschwommen. Wenn Ihr Finger oder einige Buchstaben 5 bis 10 cm von Ihrem Auge entfernt sind, können Sie sehen, dass es Buchstaben oder Ihren Finger gibt, aber Sie können keine Details sehen oder die Buchstaben lesen. Die Linse Ihres Auges ist nicht in der Lage, das gesamte Licht von einem Punkt des Objekts auf einen Punkt zu bündeln. Dies ist der entscheidende Punkt, den es zu verstehen gilt. jetzt zwei Arten von Bildern, echte, die man auch auf einem Bildschirm haben kann, oder virtuelle wie in einem Spiegel. Von einem Punkt des Bildschirms oder der Position des Bildschirms fällt Licht auf Ihr Auge, alles Licht, das von einem Punkt kommt, ergibt einen Punkt auf der Netzhaut. Sie sehen also das "Bild wie das reale Objekt für die virtuellen Bilder, das Auge weiß nicht, woher das Licht kommt, es macht einen Punkt auf der Netzhaut, wo das Licht von einem Punkt zu kommen scheint Alles Licht, das von einem Punkt kommt, ergibt einen Punkt auf der Netzhaut. Sie sehen also das "Bild wie das reale Objekt für die virtuellen Bilder, das Auge weiß nicht, woher das Licht kommt, es macht einen Punkt auf der Netzhaut, wo das Licht von einem Punkt zu kommen scheint Alles Licht, das von einem Punkt kommt, ergibt einen Punkt auf der Netzhaut. Sie sehen also das "Bild wie das reale Objekt für die virtuellen Bilder, das Auge weiß nicht, woher das Licht kommt, es macht einen Punkt auf der Netzhaut, wo das Licht von einem Punkt zu kommen scheint

Ich werde versuchen, dies ohne Diagramme zu beantworten.

Licht von einem beleuchteten Objekt verlässt jeden Punkt auf der Oberfläche und breitet sich in geraden Linien nach außen aus. Damit Sie das Objekt sehen können, müssen die divergierenden Lichtstrahlen wieder zusammengebracht werden, damit sie so auf Ihrer Netzhaut landen, dass ihre relativen Positionen auf Ihrer Netzhaut mit den relativen Positionen der Punkte übereinstimmen, an denen sie das Objekt verlassen haben.

Wenn das Objekt beispielsweise ein rosafarbener Kreis ist, müssen die divergierenden Lichtstrahlen von jedem Punkt auf dem Umfang des Kreises wieder zusammengebracht werden, um in einem entsprechenden kreisförmigen Muster auf Ihrer Netzhaut zu landen. Ihr Gehirn interpretiert die Signale der Netzhaut als Abbild des Objekts.

Der einfachste Weg, dies zu tun, ist, wenn die Lichtstrahlen direkt vom Objekt zu Ihrem Auge wandern und die Linse Ihres Auges die divergierenden Strahlen beugt, sodass sie im richtigen Muster auf Ihrer Netzhaut landen.

Es gibt jedoch andere Möglichkeiten, die Lichtstrahlen so zu manipulieren, dass sie die Linse Ihres Auges erreichen und gebogen werden können, um ein Bild auf Ihrer Netzhaut zu erzeugen.

Eine Möglichkeit besteht darin, eine konkave Linse zwischen dem Objekt und Ihrem Auge einzusetzen. Die Linse erhöht einfach die Divergenz der Strahlen. Ihr Auge kann sie immer noch biegen, um auf Ihre Netzhaut zu fallen. Dies täuscht Ihr Gehirn etwas, da die Lichtbeugung durch die konkave Linse die Lichtstrahlen so aussehen lässt, als ob sie von einem Punkt zwischen dem Objekt und der konkaven Linse gekommen sind.

Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung einer konvexen Linse. Dadurch werden die Lichtstrahlen so gebogen, dass sie zu einem Punkt zusammenlaufen und sich dann wieder ausbreiten, bevor sie Ihr Auge erreichen, wo die Linse Ihres Auges sie erneut krümmt, um sie auf die Netzhaut zu fokussieren. Dadurch wird Ihr Gehirn auf andere Weise ausgetrickst, da das Gehirn die Lichtstrahlen jetzt so interpretiert, als seien sie von dem Punkt gekommen, an dem sie von der konvexen Linse gebündelt wurden.

In allen Fällen, die ich beschrieben habe, sehen Sie tatsächlich ein Bild auf Ihrer Netzhaut. Das kann sein:

1: Licht, das direkt vom Objekt selbst kommt und zum ersten Mal von Ihrem Auge gebeugt wird.

2: Licht scheint von einem Punkt zwischen dem Objekt und einer dazwischenliegenden konkaven Linse zu kommen.

3: Licht scheint von einem Punkt zwischen einer konvexen Linse und Ihrem Auge zu kommen.

In 3 sagen wir, dass ein reelles Bild durch die konvexe Linse erzeugt wird. Gemeint ist damit, dass die Linse die Lichtstrahlen so beugt, dass sie so zusammenlaufen, dass ihre räumliche Anordnung den relativen Positionen der Punkte entspricht, an denen sie das Objekt verlassen haben.

In 2 sagen wir, dass ein virtuelles Bild entstanden ist, denn wenn Sie die Strahlen rückwärts verfolgen, scheinen sie von einer Quelle zu stammen, die wieder dem ursprünglichen Objekt ähnelt, obwohl dies nur eine Illusion ist.

Der Grund, warum Konvergenz oder scheinbare Konvergenz im Fall eines virtuellen Bildes wichtig ist, liegt darin, dass Ihr Gehirn Bilder zu interpretieren scheint, indem es tatsächlich den Weg der Lichtstrahlen zu ihrer Quelle zurückverfolgt. Wenn Sie einen rosafarbenen Kreis sehen, sehen Sie eine Ansammlung von Punkten, von denen die Lichtstrahlen auszugehen scheinen, die auf Ihre Netzhaut treffen. Wenn die Lichtstrahlen dazu gebracht werden, zu einem Punkt zu konvergieren und durch eine konvexe Linse, die vor dem Objekt platziert ist, wieder zu divergieren, dann scheint es Ihrem Gehirn, dass die Strahlen von diesem Zwischenpunkt der Konvergenz stammen, also ist es das, was Ihr Gehirn ' sieht'.