Phương trình thấu kính mỏng học trong một tiết:
1/f = 1/d_vật + 1/d_ảnh, độ phóng đại m = −d_ảnh/d_vậtNhưng con số chui ra từ nó thì đáng ngạc nhiên hơn nhiều so với vẻ ngoài. Demo dưới đây dùng thấu kính f = 10 cm; việc của bạn là kéo vật từ xa về sát, và để ý kỹ lúc đi ngang mốc 10 cm.
Hành trình một cú kéo
Vật ở xa (d = 30 cm): ảnh thật, ngược chiều, nhỏ hơn vật, hiện bên kia thấu kính. Đây là chế độ máy ảnh — thế giới to lớn nén vào cảm biến bé.
Vật ở đúng 2f (d = 20 cm): khoảnh khắc đối xứng đẹp nhất của quang học: ảnh cũng nằm đúng 2f phía bên kia, to đúng bằng vật. Đây là mốc thợ máy ảnh gọi là chụp tỉ lệ 1:1.
Vật lọt vào giữa f và 2f (d = 15 cm): ảnh thật vọt ra xa (30 cm) và to gấp đôi vật. Đảo vai của trường hợp đầu — và là chế độ của máy chiếu: phim nhỏ, ảnh khổng lồ trên tường.
Vật tiến sát tiêu điểm (d = 10,1 cm): ảnh thật văng ra hàng chục mét,
phóng đại hàng trăm lần. Mẫu số 1/f − 1/d đang tiến về không.
Vật đúng tiêu điểm: mẫu số chạm không — ảnh ở vô cực, các tia ló song song. Không có ảnh nào để hứng. Đây là trường-hợp-biên của bài, và cũng là cách đèn pin và hải đăng dùng thấu kính: đặt nguồn sáng đúng tiêu điểm để ném một chùm song song đi xa.
Vật lọt vào trong tiêu điểm (d = 7 cm): phương trình trả về d_ảnh âm — và thay vì vô nghĩa, dấu âm mang nghĩa mới: ảnh ảo, cùng chiều, to hơn vật, nằm cùng phía với vật. Không hứng được lên màn, nhưng mắt nhìn xuyên thấu kính thì thấy rõ. Bạn vừa biến máy chiếu thành kính lúp.
Một thấu kính, hai nhân cách
Điều đáng nhớ không phải sáu trường hợp — mà là ranh giới chia chúng làm hai:
| d > f | d < f | |
|---|---|---|
| Ảnh | thật, ngược chiều | ảo, cùng chiều |
| Hứng lên màn | được | không |
| Ứng dụng | máy ảnh, máy chiếu, mắt người | kính lúp |
Cùng một miếng thuỷ tinh. Thứ quyết định nó là máy chiếu hay kính lúp không nằm trong thuỷ tinh mà nằm ở chỗ bạn đặt vật — và cú “lộn ngược” từ ảnh thật sang ảnh ảo xảy ra qua vô cực: ảnh thật chạy ra xa vô hạn ở một phía, rồi hiện về từ phía bên kia dưới dạng ảo. Trong demo, cú vòng qua vô cực đó chỉ là hai cái nhích của thanh trượt quanh mốc 10 cm.
Mắt người là bản lắp cố định của trường hợp đầu tiên: một thấu kính hội tụ và màn hứng (võng mạc), vật luôn ngoài tiêu cự, ảnh trên võng mạc luôn ngược chiều — não lật lại giúp bạn từng giây trong đời.
Trường hợp biên: đặt vật đúng chóc tiêu điểm
Còn đúng cái vạch 10 cm — không trong, không ngoài — thì sao? Công thức trả về 1/d’ = 0: ảnh ở vô cực, tia ló song song, không thật không ảo. Vô dụng? Ngược lại — đây là trường hợp biên được sản xuất nhiều nhất của cả bài: đèn pin, đèn pha ô tô, hải đăng đều đặt bóng đèn đúng tiêu điểm của gương/kính để ném một chùm song song đi xa; kính thiên văn khúc xạ chĩa đầu kia của logic vào trời — vật ở vô cực, ảnh hiện đúng mặt phẳng tiêu. Và chiếc thấu kính sống trong mắt bạn chỉnh d’ cố định bằng cách bóp đổi f liên tục (cơ thể mi làm việc này mỗi lần bạn liếc từ màn hình ra cửa sổ); khi cơ chế ấy hụt hơi vì cầu mắt dài ngắn bẩm sinh, người ta đeo thêm một thấu kính ngoài để cộng trừ độ tụ — kính cận “mấy độ” chính là phép nghịch đảo mét ấy.