Почему линза увеличивает?

Мы обсуждали, что одиночная линза, как собственно и группа линз в объективе, преломляет свет, формируя изображение на некотором расстоянии от своего центра (фокусном расстоянии).

Но за счёт чего линза собирает или рассеивает свет? И так ли важно, что линзы находятся в воздухе, а не например в воде? И почему стекло, находясь в воздухе выглядит как отдельный хоть и прозрачный объект, а если его положить в воду, становится намного менее отличимым от фона?

В данной статье как и в некоторых других мы постараемся обсудить не какой-то машинный алгоритм выполнения операций, необходимых для съёмки, но постараемся немного лучше прочувствовать, что оптическое устройство любой камеры - это не какая-то фиксированная "вещь в себе", а лишь набор удобств, который позволил "приручить" физический процесс под нужды нашей творческой мысли.

До сих пор, когда мы обсуждали линзы объективов, мы рассматривали их как плоский элемент, при прохождении света через который происходит некоторая магия. В реальности линзы, очевидно, имеют объём, а все их свойства происходят из одной и той же физической величины - скорости прохождения света сквозь материал, из которого они сделаны.

И чем больше в этом будет отличие между двумя соседними материалами, тем сильнее будет преломление света.

Для удобства работы и обсуждения скорости пропускания материалом света ввели понятие показатель преломления (n) — он равен скорости света в вакууме разделить на скорость света в данном материале.

Да, кстати, показатель преломления любого известного прозрачного вещества легко гуглится.

Именно поэтому стекло (усреднённый для разных типов стёкол показатель преломления n=1.5), довольно сильно отличается от воздуха (показатель преломления n=1) и не так сильно отличается от воды (показатель преломления n=1.33).

Именно поэтому мы перестаём видеть стенку стакана, когда наливаем в него воду

Те, кто носят очки, могли также встречаться с различными типами материалов для линз в очках, и чем выше показатель преломления, тем они дороже, но тем тоньше и легче их можно сделать при тех же оптических свойствах.

Производители объективов как никто другой любят “играть” (а может вынуждены из-за конкуренции) с материалами с различными показателями преломления, иногда используя даже оптический пластик вместо стекла.

А, например, знаменитое панорамное зрение рыб, в честь которого названы объективы “рыбий глаз”, в реальности даёт не такой уж широкий угол обзора (около 90 градусов, что примерно соответствует углу обзора объектива 20 мм на полнокадровой матрице), а сверхширокоугольный обзор (близкий к 180 градусам) рыбы получают, когда смотрят вверх (из воды), и за счёт более высокого показателя преломления воды, чем воздуха, лучи света как бы сужаются, входя в воду. Рыбы используют эту особенность зрения для обнаружения морских птиц практи­чески с любой стороны поля зрения. 

Значит, исходя лишь из необходимости для линзы иметь показатель преломления (n), отличающийся от воздуха, для создания линзы объектива (которую предполагается использовать в этом самом воздухе), можно использовать любой прозрачный материал, да хоть обычный лёд (чей показатель преломления n=1.3)! Именно такую линзу создал оператор Мэттью Стерн (Mathieu Stern).

Для изготовления такой линзы Мэттью Стерну понадобился особо чистый лёд из ледника (плейстоценового возраста, около 10 000 лет), специальный пресс для льда и распечатанный на 3D принтере корпус объектива, а срок жизни такой линзы даже в условиях северных широт невелик и составил около одной минуты.

Рекомендую посмотреть видео создателя этого объектива в первоисточнике: